GNSS线极化天线干涉信号反演土壤湿度算法测试

利用全球导航卫星系统干涉信号(GNSS-IR)测量土壤湿度已成为热门的研究课题。搭载低成本线性极化天线的智能手机可以方便快捷采集干涉信号信噪比(SNR)。分别仿真垂直和水平线性极化天线采集的GNSS干涉信号,给出2种极化方式下干涉信号SNR波形和反射率随卫星高度角变化的结果。对于垂直极化分量,电磁波会在入射角65°~85°左右时发生全透射,导致干涉信号振荡效果消失,而水平极化不存在该现象。同时,分别仿真右旋圆极化(RHCP)直射和左旋圆极化(LHCP)反射天线采集的GNSS信号,并计算直反射信号的幅值比。在仿真基础上分别利用不同极化天线进行实验,结果表明:采用线性极化天线采集的GNSS干涉信号振荡效果几乎不受卫星高度角的限制,可以为土壤湿度反演提供更多的有效数据,并且反演得到的土壤湿度与同位数据具有良好的一致性,两者的相关性达到0.95。使用搭载圆极化天线的双通道接收机采集北斗系统卫星数据进行对比,相关性达到0.91。对于不同的设备,智能手机采集的GNSS数据占用空间相对比于双通道接收机降低1%,且反演结果相关性接近,由于干涉信号提取直反射信号需要一定的振荡周期,故反演结果的时间分辨率要低于双通道接收机。

一种基于迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统的研究

浓度是表征溶液性质的重要物理参数之一。本文设计了一种基于旋转比色皿结合迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统。将液体加入比色皿并旋转5°,利用CCD采集光强数据和自编的计数程序,可实时测量旋转前后干涉条纹移动数目之差,并由此计算NaCl和葡萄糖溶液的折射率和浓度。对质量百分比浓度为0、10%和20%的NaCl溶液进行了折射率测量和误差分析,发现与相关理论值的相对误差仅为0.61%、0.63%和2.2%。葡萄糖溶液的浓度—折射率关系曲线也呈现出线性良好、可靠性高的特点。总之,基于迈克尔逊干涉仪的浓度/折射率在线测量系统具有测量非接触、结果可靠、高效实用的特点。

Moho反射波噪声干涉方法及其在青藏高原东北缘地壳结构成像的应用初探

基于南北地震带北段布设的密集流动地震台阵的连续波形记录,采用台阵噪声干涉技术获得了青藏高原东北缘Moho面PmP反射波,利用已有的区域三维地壳速度模型,采用沉积层校正方法建立研究区域的三维地壳初始模型,进而对噪声互相关函数进行基准面校正,然后采用共中心点叠加方法获得了研究区的地壳厚度分布.结果显示,青藏高原东北缘及周边不同块体地壳厚度差异显著,沿青藏高原北东向的扩展方向,地壳厚度逐渐变薄.祁连造山带中、西段地壳厚度约55~65 km,西秦岭造山带地壳厚度从西至东从53 km左右减小至42 km上下,阿拉善块体地壳厚度约50 km,鄂尔多斯块体西缘地壳厚度约40~45 km.六盘山断裂、海原断裂与天景山断裂附近呈现局部的地壳增厚,并且出现脉冲状Moho面反射震相,表明断裂带附近可能存在速度跃变较大的Moho面结构.祁连山北缘断裂出现叠置的反射震相,推测下地壳的逆冲形成了此类Moho结构.

美国全球干涉主义政策与军工复合体的扩张

全球干涉主义是美国长期外交实践的产物,是涉外群体普遍接受的共有观念,也是决策者采取行动的重要依据。美国的干涉主义传统有两种基本形式,一种是服务于实力地位的“莽骑兵”传统,一种是推广美国价值观的“传教士”传统。20世纪以来特别是二战后,美国全面推行干涉主义外交,造就了坚不可摧的利益原则和外交信条。在推行干涉主义和黩武主义政策的过程中,美国形成了势力庞大的军工复合体。这些体制机制在冷战后不仅没有消失,反而变本加厉、不断扩张,促使美国政府频繁进行对外干涉。

L波段差分干涉SAR卫星严格回归轨道优化设计方法

相比于传统SAR卫星应用方向,我国第一代L波段差分干涉SAR卫星主要用于实现全球精准地表形变测量。为了达到重轨差分干涉优于5 cm的形变测量指标,首先需要解决卫星空间基准轨道高精度回归的工程难题。对此,本文提出一种严格回归轨道优化设计方法,通过地球重力场阶数需求分析建立卫星高阶动力学模型,将J4摄动下修正的太阳同步回归轨道参数作为优化算法初值,以卫星WGS-84坐标系位置、速度回归精度满足收敛阈值为目标,利用启发式多目标进化算法开展轨道参数寻优。仿真试验表明,寻优结果回归精度可达厘米级,优于既定工程指标,并且本文方法有效性和正确性已经过L波段差分干涉SAR卫星在轨验证。

空间外差遥感数据光谱-干涉图双向校正算法研究

空间外差光谱技术(SHS)作为新型高光谱分析技术,被广泛应用于大气检测、卫星遥感等领域,但由于空间外差光谱仪的制作不理想或工作环境的变化都会改变仪器参数而引入误差,使干涉图数据不准确,需要进行误差校正。在卫星平台下,由于与地面环境的巨大差异,导致地面测定的校正参数对空间外差干涉图数据不再适用,特别是调制项误差(相位误差和非均匀误差)的改变,极大影响了光谱的准确性。针对空间外差遥感数据的调制项误差,从光谱与干涉图两个方面入手,进行误差分离与原因分析,认为空间外差遥感数据误差主要来源于CCD尺寸伸缩导致的光谱频率变化和CCD响应改变导致的干涉图强度变化,提出了光谱-干涉图双向校正方法。校正测试数据选取高分五号搭载检测仪(GMI)实测的12条O 2吸收光谱。取其中一条作为标定光谱,以SCIATRAN仿真的无误差光谱为基准,与标定光谱进行对比,分析两者在光谱维的频率偏差,通过特征峰频率确定两者的频率变换关系。然后根据变换关系将仿真光谱进行频率拉伸,使拉伸后的仿真光谱与实测光谱谱峰重合,计算拉伸仿真光谱与实测光谱干涉图,将两者干涉图相比得到干涉图强度的变化关系。最后将干涉图强度变化关系用于其余11条光谱的校正,得到校正后光谱。为了衡量校正效果,以校正前后光谱的标准差、均方误差和信噪比作为评价指标。结果显示标准差、均方误差都明显降低,同时信噪比显著增大,且标准差基本都在0.07以下,信噪比基本能达到20以上。其中校正效果最好的实测光谱,标准差减少了0.3767,信噪比提高了25.1016,均方误差降低了0.1587,校正效果较差的实测光谱,标准差减少了0.2296,信噪比提高了9.6328,均方误差降低了0.1049。因此所提出的光谱-干涉图双向校正方法对空间外差遥感数据的误差校正起到较好的效果,且处理过程简单,为同类数据的处理提供了一种新思路。

面向干涉包裹相位的多等级噪声抑制网络

包裹相位是激光干涉测量获取相位信息的前提,为了减小测量过程中噪声对包裹相位条纹的干扰,提高重构图像的质量,提出了一种非对称融合非局部边缘提取神经网络(Asymmetric Fusion Non-Local and Verge Extraction Neural Network,AFNVENet)。该网络在FFDNet基础上,设计了非对称融合非局部块和边缘提取模块,通过融合不同级别噪声特征及反向引导去噪过程,在有效抑制多等级噪声的同时,保留了更多的图像细节信息。选择带有乘性散斑与加性随机噪声的包裹相位数据集用于训练,通过消融实验和对比实验结果表明,AFNVENet算法对不同等级的噪声都具有更好的噪声滤除效果,当噪声标准差在[0,2.0]范围内变化时,去噪后的PSNR、SSIM和SSI均值分别达到24.88 dB,0.97和0.95。此外,通过进一步解包裹结果表明,AFNVENet去噪后的解包裹相位均方根误差均值比SCAF,NLM,KSVD和DnCNN分别减小了87%,73%,79%和36%,验证了该方法的可行性。AFNVENet方法在抑制噪声时具有较好的鲁棒性,可适用于不同干涉测量环境下多等级噪声的包裹相位信息恢复。

大视场白光干涉测量系统及性能研究

基于国产化的2倍迈克尔逊型干涉物镜组,优选配置0.5倍适配镜,对白光LED照明光源进行带通滤波参数的仿真估算和实验性能比较,构建了整套大视场白光干涉精密测量装置系统并进行了实验测试,通过白光干涉轴向响应实验曲线确定了中心波长。实验结果表明:通过光谱滤波获得了较为理想的白光干涉轴向响应曲线;系统的水平最大视场达到了14 mm;高度为2.04μm和20.43μm的标准台阶样品的测量结果分别为2.05μm和20.47μm,10次测量重复精度(标准差)分别为12 nm和16 nm。对粗糙度样板、微机电系统传感结构和半导体晶圆膜层进行了实测,表明所研制的系统装置在三维光学无损精密检测领域的应用具有可行性。

基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置

为满足时变几何量的瞬时动态测试需求,研制了一种基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置。该装置采用直线运动导轨和运动发生器、长度标准器激光干涉仪,以基于GNSS驯服时钟的同步触发器实现同步测量并确保时间准确稳定,并使用动态校准软件实现控制一体化。经综合分析激光干涉仪的最大允许误差、直线运动导轨的直线度、环境因素、触发信号间时延及激光干涉仪测量时延等因素,该装置的长度示值的测量不确定度为Q[1.8μm,3×10^(-7)L](k=2)。与同型号激光干涉仪的比对实验和激光跟踪仪瞬时长度测试实验,证明了不确定度评定的合理性以及该装置在瞬时动态准确度测试中的可行性。

改进YOLOv5s的采煤机滚筒与支架护帮板干涉状态智能识别

针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题,提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法。运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视频图像进行清晰化处理,提高综采工作面监控视频图像质量;对YOLOv5s模型进行改进,通过将YOLOv5s主干网络中的普通卷积Conv替换为分类效果更佳的Ghost卷积,减少了模型的参数数量,提高了模型识别速度,同时引入坐标注意力机制,提高了模型对护帮板和滚筒特征提取能力,从而提高模型识别精确率。运用软非极大值抑制算法(Soft-NMS)的锚框筛选方法,减少因护帮板重叠而发生漏检问题。针对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态判定问题,提出液压支架护帮板与采煤机滚筒锚框重合度的判定方法。运用本文改进YOLOv5s模型与YOLOv5s、YOLOv3-tiny模型进行对比分析,结果表明:本文方法与原模型相比的识别精确率提高了约8.1%,GFLOPs降低1.86倍;mAP@.5达到97.2%、平均识别速度为检测时间为5.9 ms。运用本文方法对煤矿实际综采工作面采煤机滚筒与液压支架护帮板视频图像进行干涉状态识别试验验证,结果表明:对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态识别准确率为96%。

融合长短基线的干涉图解缠错误自动改正

合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术因具有全天时、全天候、大范围的独特优势,已被广泛应用于地球科学研究、自然灾害监测和环境管理等领域。然而,受地表失相干、干涉条纹密集等因素影响,InSAR数据处理关键的步骤——干涉图相位解缠常出现错误,进而影响高程反演和地表形变监测精度。为此,文章提出了一种融合长短基线干涉相位闭合环的解缠错误自动探测与改正方法,并利用湖南省-江西省高植被覆盖区的Sentinel-1雷达影像开展了算法验证。实验结果表明,该方法可有效地改正干涉相位解缠错误,这对InSAR技术提升高程反演和形变监测精度具有重要意义。

宽频段振动干扰不敏感的白光干涉测量

传统白光干涉测量方法对振动干扰非常敏感,振动干扰会引起扫描步长误差,进而降低白光干涉的测量精度。为抑制振动干扰的影响,提出一种三点反正弦的白光干涉测量算法。三点反正弦法将干涉图序列中每相邻三幅分为一组,利用扫描过程中干涉条纹连续移动的特点,从每组干涉图的有效条纹区域计算出相移偏差,进而得到每幅干涉图的实际扫描步长。基于计算的实际扫描步长,构建了非等步长的调制度与相位最小二乘计算方法,并重构表面高度。由于计算步长仅利用三幅干涉图,三点反正弦法频段响应宽,能够探测快变、大幅的扫描步长误差。仿真和实验证实,在振动干扰下三点反正弦法能获得高达0.5%的测量准确性(台阶高度为10μm),并适合多种类构型表面形貌的测量。理论分析和实验表明,三点反正弦法能够抑制多种形式扫描步长误差的影响,适用于宽频段振动干扰下的白光干涉测量。

基于染色算法的地震干涉成像技术

为了提高基于染色算法的逆时偏移计算效率,提出基于染色算法的地震干涉成像技术(CC-STRTM)。地震干涉技术作为一种炮记录的处理手段可以消去两个炮记录中相同的信号。该技术将观测系统从地表下移到人为选取的地下校准面,将研究区域缩小到校准面下侧。再分析干涉成像结果,选出染色区域。最后完成复数域的逆时偏移处理,输出虚部偏移结果。通过复杂模型对该方法进行测试,对比分析成像结果和计算效率。结果表明,该方法在提高成像精度的同时不降低计算效率。

接触式与白光干涉测头复合测量坐标统一与数据融合

针对复合测量中两测头空间坐标系不统一的问题,提出了基于标定器提供基准点结合单位四元数法求解空间变换矩阵的坐标统一方法,并以均方根误差(RMSE)来评估坐标统一的效果。设计并制作了一种新型标定器,为坐标统一提供稳定可靠的基准点,并建立了基准点精度与坐标统一精度的关系模型。针对两测头测量数据,提出了空间误差椭球搜索策略结合加权最小二乘法的数据融合方法。实验结果表明,复合测量的坐标统一化配准精度可达1.889μm,所提出的数据融合方法相较传统加权最小二乘法的相对误差减小了16%,重复性精度提高了38%,实现了复合测量的高精度坐标统一与稳定精确的数据融合,提升了对器件的测量能力。

基于矢量衍射理论的光栅干涉仪位移测量误差研究

光栅干涉仪位移测量系统作为测量领域中最精密的测量仪器之一,由于在测量过程中光栅的姿态位置无法保证完美装配,使得光栅的光栅矢量方向与运动矢量方向之间出现偏差,导致位移测量结果出现周期性非线性误差。文中针对在光栅干涉仪位移测量过程中出现的光栅与位移台以及读数头之间的姿态位置误差进行分析,通过分别建立位移坐标系及光栅坐标系,参考惯性导航领域中飞行器姿态表示方法,利用一维光栅的横滚、俯仰和偏航角共同描述一维光栅相对于位移台的装配状态。通过基于矢量衍射理论分析光栅干涉仪位移测量时三个维度的角度偏差量,对可能产生的位移测量误差进行了分析说明。基于广义一维光栅方程,探究出了一个更为普遍的结论,为后续装置的改进提供理论依据,以提高系统的测量精度。

应用于超高速流场电子密度分布测量的七通道微波干涉仪测量系统

高超声速飞行器在临近空间飞行时,由于飞行器与空气剧烈的相互作用,形成包含等离子体鞘套和尾迹的等离子体流场,研究其电子密度分布特性对高超声速飞行器的目标识别、测控通信等具有重要意义.地面模拟实验测量是研究等离子体包覆高超声速飞行器电磁散射特性的有效方法之一,为满足地面模拟实验瞬态等离子体流场电子密度分布的测量需求,本文提出了一种Ka波段七通道微波干涉仪测量系统研制方案.该系统采用单发七收的方式,利用单曲面透镜将波导开口天线辐射的电磁波转化为近似平面波,将7个平行且非对称排列的开口波导作为接收通道天线,缩减了接收天线的尺寸以及天线之间的距离,提高了测量的空间分辨率.基于七通道微波干涉仪测量系统在弹道靶和激波管设备开展了动态实验,测量了超高速流场电子密度二维分布,结果表明该系统具备瞬时大动态范围信号的接收能力,幅度线性动态范围优于65 dB,相位动态范围180°,响应时间优于1μs;所测量的超高速流场等离子体电子密度二维分布,能够较好地反映弹道靶设备与激波管设备产生的瞬态等离子体细节变化,电子密度测量动态范围为(10^(10)-10^(13))cm^(-3)量级,电子密度测量误差不超过0.5个数量级,径向空间分辨率优于15 mm.

超声波干涉及可视化实验装置研制

为了丰富大学物理声学实验内容,研制了一种多功能超声波干涉实验装置。基于空气介质设计了双振子干涉声速测量实验和半波损失验证实验。分别采用干涉声场测量法和干涉条纹移动法进行声速测量实验,并利用示波器实现了干涉声场声压分布的可视化。分别以有机玻璃、橡胶和玻璃为反射面材料,利用干涉法验证掠入射条件下的半波损失现象,并估算出掠入射角的范围。该实验装置实验现象明显、可操作性强,获评北京市第十六届大学生物理实验竞赛一等奖。

高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法

为了实现应用于高能激光等领域对表面洁净度有着极高要求的超光滑非球面检测,排除检测人员带来的洁净度与空气扰动的影响,研究了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法。通过建立补偿干涉法非球面失调量与波前像差之间的灵敏度矩阵,实现利用波前像差求解被测非球面失调量。以理想干涉系统的离焦、彗差与像散为优化目标,进行反馈控制,实现被测非球面的自动化调整,进而实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。实验结果表明,在干涉图可测范围内,利用灵敏度矩阵通过几步迭代即可实现非球面失调量的收敛。结合Stewart六自由度调整台,分别实现2μm精度的平移误差调整、2"精度的光轴自动化对准,最终完成被测非球面的精密调整,实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。采用灵敏度矩阵与六自由度调整的非球面自动化干涉检测方法可实现被测非球面失调量的快速求解与自动调整,降低人员和环境带来的扰动影响,提高了非球面的检测速度,并实现了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。

基于激光自混合干涉的磁场测量方法研究

针对光纤磁流体磁场传感器易受环境干扰及磁流体薄膜制作工艺复杂的问题,激光自混合干涉具有抗干扰能力强、稳定性好的特点,提出一种基于空间光的水平偏振激光自混合干涉的磁场测量方法,在外部磁场的作用下,水平偏振自混合干涉信号幅值发生变化,在一定范围内,磁场与信号幅值变化成正比,通过用施加磁场前后信号幅值的均值比与磁场的变化关系实现对磁场的传感检测。经过实验验证,信号的幅值在1%浓度的磁流体中衰减明显,薄膜厚度为0.5 mm,减小了薄膜的制作难度。在实验结果中对5.02 mt到19.112 mt磁场强度范围内的均值比进行线性拟合,相对误差最小为0.17%。

改进的迈克尔逊干涉仪测量钠黄光双线波长差

在迈克尔逊干涉仪实验教学及科学研究过程中发现齿轮经常脱扣的现象,这对测量结果产生了严重影响。本文中,我们将传统的齿轮咬合式迈克尔逊干涉仪改进为杠杆式迈克尔逊干涉仪,有助于避免齿轮咬合式迈克尔逊干涉仪中多个齿轮间容易脱扣的现象。利用钠光灯照射杠杆式迈克尔逊干涉仪,观察到了明显的光拍干涉图样,测量了钠黄光双线波长差。钠黄光双线波长差的测量结果为0.5953±0.0054(nm)。本文的研究有助于提升迈克尔逊干涉仪装置的测量稳定性,实现在光谱定标、光学传感、生化检测等领域的长期稳定使用;有助于提升学生发现问题、解决问题的能力;以及有助于学生提升将不同科目知识相结合的能力。