激光距离选通三维成像技术研究进展(特邀)

随着人工智能时代的到来,同时获得反映目标辐射特性和纹理特征的高分辨率强度图像以及反映目标和所处场景的三维空间信息的稠密点云数据/三维图像的激光相机雷达技术已成为激光雷达的发展趋势。传统的摄像机与激光雷达复合的技术方案存在异源数据融合问题,尤其是在雾雨雪天气条件下以及水下等传输链路中存在严重散射的情况时难以有效工作。激光距离选通三维成像技术利用单一门控成像器件可同时获得高质量二维强度图像和高分辨率三维图像,其二维图像中的像素和三维图像中的体素一一对应,并继承了激光距离选通成像透散射成像的技术优势,具有实现高性能激光相机雷达的技术潜力。论文系统综述了步进延时扫描、增益调制、距离能量相关等激光距离选通三维成像技术的研究进展,介绍了该类技术的国内外典型应用情况,最后分析了该领域所面临的挑战及进一步发展方向和应用前景。

门控激光相机雷达三边滤波平滑去噪算法研究

基于距离能量相关选通三维成像技术的门控激光相机雷达可以同时获取高水平分辨率的强度图像和三维图像,不存在激光雷达和摄像机复合技术方案中的异源数据融合问题。然而,与现有激光雷达一样,门控激光相机雷达输出的选通三维图像依然会受到器件噪声、时域特性、目标反射率和背景环境等因素影响,导致三维图像质量降低,最终影响实际应用,特别是高水平分辨率特点下的小尺度噪声问题。针对门控激光相机雷达小尺度噪声问题,文中提出三边滤波平滑去噪算法,该算法同时利用选通图像和深度图像对三维图像进行平滑。相比传统的双边滤波,该算法引入选通图像的灰度作为第三个权重,当物体边缘与其他物体或背景存在灰度差异时,该算法有很好的边缘保持效果。仿真实验使用两种不同噪声的金字塔靶,并通过双边滤波和三边滤波对噪声进行平滑,对于噪声标准差为0.2 m和0.3 m的金字塔,三边滤波后三维图像的峰值信噪比分别平均提高10.81 dB和6.76 dB。在物理实验中,对于含有噪声的标准靶,三边滤波后峰值信噪比平均提高8.47 dB。最后采集了真实复杂场景的选通图像,完成小尺度噪声的平滑和大尺度噪声的去除,验证了三边滤波结合统计学滤波方法的实用性。

基于扫频检测的微机械陀螺耦合误差系数辨识

为减小微机械陀螺阻尼耦合、刚度耦合、力耦合误差的影响,提出一种基于扫频检测的微机械陀螺耦合误差系数辨识方法。首先,拓展了微机械陀螺动力学方程并建立误差模型,表明耦合误差造成陀螺输出不稳定且难以消除。其次,推导了耦合误差系数辨识方法,通过数值仿真分析了幅值、相位检测误差对辨识精度的影响,并给出不同误差系数下辨识结果的理论相对误差分布。结果表明,所提方法对耦合误差系数的辨识范围存在局限性;测量误差对辨识结果的影响不可忽略。最后,对某陀螺进行耦合误差系数辨识实验验证,结果表明:该陀螺力耦合系数、阻尼耦合系数、刚度耦合系数的辨识误差分别为0.542 ppm、6.09%、0.205 ppm;辨识曲线的拟合优度为0.99。

工程扰动诱发川西杜米滑坡复活变形特征及机理分析

人类工程活动是诱发滑坡复活并导致滑坡整体或局部失稳破坏的重要因素之一。本文以川西雅江县杜米滑坡为例,通过地质调查、Insar监测、工程钻探、数值分析、稳定性计算等技术方法,在查清滑坡特征的基础上,总结滑坡变形破坏特征并进行分区评价,剖析滑坡复活变形成因机理,探讨滑坡前缘坡脚开挖程度与滑体稳定性之间的关系。研究结果表明,杜米滑坡一共发育3个滑面,分别对应强烈变形区、中等变形区和轻微变形区。前缘坡脚开挖是诱发杜米滑坡复活的主要原因,降雨入渗导致滑带土强度劣化是助推因素。前缘坡脚开挖水平深度超过10 m,暴雨工况滑体将出现明显变形下滑破坏。研究成果对避免类似杜米滑坡导致的“小灾大损”具有较强的参考和借鉴意义。

工程开挖活动诱发堆积层滑坡变形机理及加固效果分析

位于川西高原雅砻江两河口水电站库区的杜米村移民安置点由于切坡建房,诱发后山斜坡强烈变形,威胁移民安置点和S220省道安全。首先,基于现场调查、测绘、钻探、槽探等勘查手段,查明了滑坡发育的工程地质条件和变形特征;通过对滑体和滑带土开展室内直剪、反复剪试验,以及对滑床基岩进行抗压强度试验,结合反分析,合理确定了滑坡稳定性计算参数。然后,采用有限元程序Phase 2建立滑坡数值计算模型,模拟再现了滑坡在开挖前、开挖后、降雨后的应力、变形特征和稳定性变化过程,在此基础上分析了滑坡的变形机理。研究认为:不良的地形地貌、地质结构和地下水是滑坡发生的内在因素,坡脚开挖是滑坡变形启动的诱发因素,后期持续降雨入渗是滑坡变形加剧直至失稳破坏的直接因素;开挖导致滑体前缘抗滑力降低、滑带和开挖边坡坡脚产生剪应力集中是滑坡变形启动的力学机制,而饱水和持续剪切变形导致滑带土强度不断衰减接近饱和残余状态是滑坡变形加剧的本质原因;滑坡的变形破坏模式为牵引式蠕滑-拉裂。最后,采用有限元强度折减法对加固治理后的滑坡稳定性进行了计算分析。结果表明:天然条件下滑坡变形主要出现在桩后填土,降雨条件下变形范围扩大至强变形区,地震条件下变形范围进一步扩大至整个滑坡范围;三种工况下滑坡的稳定系数均能达到设计要求,表明加固设计方案和工程结构参数是合理的。研究成果可为类似滑坡工程案例的机理研究及防治提供参考。

Spatial distribution analysis of landslides triggered by the 2013-04-20 Lushan earthquake,China

The 2013-04-20 Lushan earthquake（seismic magnitude Ms 7.0 according to the State Seismological Bureau）induced a large number of landslides.In this study,spatial characteristics of landslides are developed by interpreting digital aerial photography data.Seven towns near the epicenter,with an area of about 11.11 km2,were severely affected by the earthquake,and 703 landslides were identified from April 24,2013 aerial photography data over an area of 1.185 km2.About 55.56% of the landslide area was less than 1000 m2,whereas about 3.23 % was more than 10,000 m2.Rock falls and shallow landslides were the most commonly observed types in the study area,and were primarily located in the center of Lushan County.Most landslide areas were widely distributed near river channels and along roads.Five main factors were chosen to study the distribution characteristics of landslides：elevation,slope gradients,fault,geologic unit and river system.The spatial distribution of coseismal landslides is studied statistically using both landslide point density（LPD）,defined as the number of landslides（LS Number）per square kilometer,and landslide area density（LAD）,interpreted as the percentage of landslides area affected by earthquake.The results show that both LPD and LAD have strong positive correlations with five main factors.Most landslides occurred in the gradient range of 40°-50° and an elevation range of 1.0-1.5 km above sea level.Statistical results also indicate that landslides were mainly formed in soft rocks such as mudstone and sandstone,and concentrated in IX intensity areas.

冻融循环作用下裂隙岩体力学特性研究

对绿砂岩、花岗岩和红砂岩3种不同岩性岩石进行了冻融试验,并对冻融前后的试样进行单轴抗压强度试验,对比分析了试样外观和抗压强度变化情况,结果表明:冻融循环后,不同岩性、不同孔隙率的试样破坏情况不同,花岗岩试样的完整性最好,绿砂岩次之,红砂岩最差;冻融循环后,隙宽扩展情况与隙长成反相关;岩石的孔隙率和弹性模量很大程度上影响了冻融后岩石抗压强度的降幅,试验测得绿砂岩试样抗压强度降幅为76.24%,花岗岩试样抗压强度降幅为17.53%;残余应变使裂隙不断发育,裂隙端部应变峰值与温度变化峰值存在滞后效应。

裂隙岩体冻胀破坏的研究进展

文章围绕裂隙岩体冻胀破坏问题,归纳和梳理了岩石与岩体冻胀的区别,冻胀力的影响因素与演化机制,冻胀损伤特性研究进展和冻胀过程数值实验研究等4个方面的研究成果,指出了裂隙岩体冻胀破坏研究当中存在的不足。

硅MEMS陀螺模态匹配技术研究综述

硅MEMS陀螺具有体积小、成本低等优点,被广泛应用于各个领域。然而受加工工艺及环境因素的限制,实际生产的陀螺存在模态失配问题,影响了陀螺的整体性能。针对制造缺陷引起的硅MEMS陀螺性能缺陷,模态匹配技术是解决模态失配、提高陀螺机械灵敏度和信噪比的重要技术手段。首先,阐述了硅MEMS陀螺的基本工作原理及模态匹配的优势;然后,总结了频率修调的主要方式,包括刚度修调与质量修调两大类,其中静电修调的应用最为广泛;最后,对国内外模态匹配的发展现状进行了调研与归类分析,关键问题在于确定模态匹配的判定标准并给出模态频率控制量,实时自动模态匹配由于能够改善频差的温度漂移、提高陀螺稳定性等特点具有很大的研究价值。