数字时间序列图像相关方法在动态变形测量中的应用

本文结合微机械陀螺的简谐振动测试提出了一种改进的数字图像相关方法——数字时间序列图像相关方法，并编制了相应软件。通过对作高速简谐振动的微机械陀螺进行相关分析，可以得到试件全场的位移时程曲线；进一步对其作傅里叶变换，可以得到试件的频率等参数。通过该软件得到的微陀螺的振动频率相对误差为0．12％，从而为微结构动力学研究提供了可靠的分析手段。

基于粒子群算法的整像素数字图像相关方法

为了克服基于传统数字图像相关(DIC)方法的结果易于陷入局部最优等缺点,将基于群体智能的粒子群优化算法引入到DIC方法中(未考虑亚像素插值),对一幅散斑图平移后的位移进行了计算,验证了该方法的正确性。在搜索域内,当运动或变形后散斑图中若干目标子区与样本子区比较相似时,相关函数可能有多个极值。对这种情况下的点的位移进行了计算,观察了相关搜索时粒子运动的轨迹。研究发现,在迭代初期,该算法具有较强的全局搜索能力;在迭代后期具有较好的局部搜索能力。计算结果表明,该算法可以跳出局部最优;研究了样本子区尺寸、粒子数、粒子飞行的最大速度和最大迭代次数对计算时间的影响。

基于高速图像采集与时间序列图像相关的微陀螺动力学特性测试

研究微结构与微机械电子系统(MEMS)的动力学特性测量与试验方法,对于优化MEMS的结构设计以及提高其可靠性与稳定性具有重要的意义。基于高速图像采集技术和数字图像相关方法,提出了一种用于MEMS动力学特性测试与研究的时间序列数字图像相关方法。由于数字图像相关方法是以图像子区作为单元通过相关搜索计算出相关动力学参量,如同在试件上安装没有任何附加质量和附加力的影响的“微传感器”,因此该方法对试件表面要求低,测试结构简单,测量的数据精度高,可靠。给出了用该方法对稳定谐振和自由阻尼振动情况下微陀螺的动力学特性的测试结果,为进一步研究分析微陀螺的稳定性提供了重要的参数。

基于单幅数字散斑投影及图像相关的离面振动测量

采用单幅数字散斑图投影及高速数字图像采集技术,研究了动态离面位移的测量。采用商用液晶投影仪将计算机产生的模拟散斑图投影到待测动态变形物体表面,由高速数字图像采集设备摄取并保存变形散斑图,采用时间序列数字图像相关软件计算出物体表面各点随时间变化的离面位移。这种方法用于振动分析时不仅可以获得振型分布,而且还可以获得各点的振幅值。与现有的激光频闪照相测振及激光多普勒测振等方法相比,具有光学系统简单,可全场定量测量。悬臂梁振动实验结果证实了该方法的有效性。

沉积岩(物)数字图像粒度分析的一种新方法

根据粒度分析场所的不同将现有沉积岩(物)粒度分析方法分为三类:实验室、野外和野外-实验室联合分析方法,发现粒度分析的时间周期和分析精度始终是一对矛盾。本文基于空间自相关理论和计算机图像技术提出一种野外粒度分析的新方法。通过一系列实验分析,认为这种新方法不但操作简便、速度快,更重要的是分析精度较高,且发展前景十分广阔。

一种应用K-L变换改进相空间重构的方法

在对单变量输出时间序列用延迟坐标状态空间法进行相空间重构基础上,提出对重构后的相空间再作K-L变换的改进方法。采用这种方法能够在保留原信号绝大部分能量的前提下,完全去除重构相空间中各个向量之间的相关性,更好地恢复原动力系统的特征。

基于DIC技术的充填体固结时间对花岗岩裂纹扩展的影响研究

为了研究地下工程中裂隙岩体的变形、破坏规律对岩体稳定性控制的影响,基于数字图像相关方法,对单轴压缩下未充填裂隙岩石、充填裂隙岩石的应变场演化过程进行监测,结合滑动裂纹模型理论,从宏观和细观角度系统地分析了裂隙岩石在破坏过程中的裂纹萌生、扩展和贯通规律。结果表明:未充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙尖端连接处,沿预制裂隙某一侧贯通破坏,而充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙连接处与次翼裂纹扩展处,沿预制裂隙两侧贯通破坏;未充填裂隙岩石的岩桥边界区域以剪切破坏为主,充填裂隙岩石的岩桥区域以张拉破坏为主,无论裂隙岩石充填与否,应变场内都主要分为拉应力与压应力区域;在弹性阶段内,应变场中已形成了沿翼裂纹、次翼裂纹扩展路径的局部化应变带;在内侧翼裂纹和次翼裂纹的搭接处,破坏程度最严重。随着充填体固结时间的延长,在预制裂隙尖端处,伴有剪切起裂的次生共面裂纹扩展,所形成的断面粗糙度高于其他断面。

基于拟合求解数字图像相关亚像素位移算法

数字图像相关方法是一种非接触式的变形场测量方法。虽然目前该算法能取得较高的计算精度,但是通常存在计算量较大、计算时间较长的问题。为了提高算法的计算效率,本文提出了一种基于移动最小二乘算法拟合整像素位移求解亚像素位移的数字图像相关方法。因为采用移动最小二乘算法有效利用了局部特征,所以可以采用相对简单的多项式拟合求解复杂的周期型余弦变形,同时计算结果具有较高的精度。计算结果的平均误差为0.0238pixel,标准误差为0.0791pixel,与常用的空间相关亚像素位移计算结果精度相当。实验结果验证了本文算法的正确性和有效性。通过与等计算精度的NR算法对比分析,结果表明本文算法在亚像素位移计算阶段具有更高的计算效率。计算效率至少提升了58.1倍,最多提升了437.8倍。

信号处理和数字图像分析中的数学方法

本书旨在将信号图像处理与电气工程、理论物理、数学和计算机科学结合起来产生新的数学方法和算法，给出算法的数学理论分析，探索时间序列分析和图像处理之间的联系。将各种方法进行跨学科的比较，把医学、地球物理和环境科学的共同问题抽取出来得出最一般的结论。书中的模型和方法主要是指时间序列的非线性参数模型和图像处理中的自适应方法。

拉索模型模态参数识别的实验研究

基于高速摄影成像技术,利用改进的数字时间序列图像相关方法,测定了自由振动状态下拉索模型的模态参数。该方法具有实验装置简单、全场非接触、无附加质量、无附加阻尼、测量频率和位移范围可调等优点。采用高速CMOS摄像机及其计算机处理系统,实时获取拉索的振动图像,基于VC编制时间序列图像相关软件自动对序列图像进行相关运算,获得其位移-时程曲线;利用小波分析的方法确定拉索的固有频率和阻尼比,实验结果与理论分析结果吻合得较好。测试及分析结果表明:该方法为拉索模型的模态参数识别提供了新的途径。

DICM在发动机模态参数识别中的试验研究

基于高速摄影成像技术,利用数字图像相关方法(digital image correlation method,简称DICM),根据时间序列动态散斑相关跟踪测量原理,提出了一种用于机械结构动力学特性测试与研究的时间序列数字图像相关方法。该方法具有全场非接触,测试结构简单,测量精度高,测量位移和频率范围可调。运用该方法对柴油发动机机体在自由状态下固有频率进行了测试。采用高速CMOS摄像机及其计算机处理系统,实时获取发动机机体的振动图像,用VC编制时间序列图像相关软件,自动对序列图像进行相关运算,获得其位移-时间曲线。通过FFT频谱分析,确定了机体的固有频率。光测试验结果与电测试验结果、有限元数值计算结果基本一致。

振动式微机械陀螺动态特性光学测试

针对振动式微机械陀螺的设计过程中对微振子动态特性的精确评价问题,提出一种测量微振子动态特性的光学方法。该方法利用高速摄像机获取陀螺微振子在振动时的时间序列图像,然后采用数字图像相关技术对序列图像进行相关计算,以获得微振子在大气中振动的位移、速度和加速度曲线,并由此计算微振子的固有频率和品质因数。该方法对位移的分辨力在亚微米量级,具有较高的测量精度。对文中被测陀螺驱动模态的固有频率测量结果为2061.67 Hz,大气压下的品质因数测量结果为66.67。提出的方法可为微陀螺动态特性的测量提供一种精确、有效的途径。

双线性振动微陀螺特征频率光学测试和有限元分析

微机械陀螺仪特征频率的研究对其设计至关重要。该文运用高速图像采集技术、显微技术和数字图像相关方法,实测了一组微陀螺的固有频率。该测试方法非接触无损测量,测试结构简单,测量精度高。测试结果与有限元计算结果一致,验证了有限元分析方法用于微机械系统的可行性和有效性。对比结果表明,所建立的有限元模型合理,分析结果可靠。最后,利用有限元数值模拟技术研究了微陀螺结构尺寸对特征频率的影响,其分析结果对微陀螺仪的设计具有指导性意义。

高超声速飞行器脆性透波材料大热流冲击下断裂性能试验

高超声速飞行器在俯冲段、高机动变轨或瞬间外露定位探测设备时,快速变化的高热流密度气动热会对天线窗、天线罩等部件产生强烈的热冲击。判断脆性材料透波部件在大热流密度冲击下是否出现断裂破坏及确定断裂时间点,对于高超声速飞行器能否最终锁定并击中目标具有极为重要的意义。本文建立石英灯红外辐射式大热流冲击试验系统,最大冲击热流密度可达1.5MW/m^2,并对SiO_2和Al_2O_32种脆性材料进行了高速热冲击试验。热流冲击模拟准确,控制结果与预设热流的相对误差小于1.0%。同时,采用数字图像相关方法实时采集热冲击过程中脆性材料表面散斑图像的动态变化,成功捕捉并获得了断裂时间点这一重要关键参数。通过对散斑图像的分析计算,得到了脆性试验件断裂前的表面应变的变化。试验结果为高超声速飞行器透波天线窗等信号探测定位部件在高速大热流热冲击下的安全可靠性设计提供了重要依据。

基于VIC-3D的含充填裂隙岩石破坏实验研究

为了探究含不同固结时间料浆的裂隙岩石在破坏过程中的差异性,基于数字图像相关方法,对料浆固结时间分别为7,14,28d的裂隙花岗岩进行单轴压缩实验,系统地分析了裂隙岩石在破坏过程中的裂纹扩展、贯通规律。研究表明,在裂隙岩石的裂纹扩展过程中,前期均以裂隙尖端形成的翼裂纹主导破坏,后期存在着不同。当固结时间为7d时,裂隙岩石以翼裂纹与次翼裂纹主导破坏;当固结时间为14d时,裂隙岩石则以次翼裂纹主导破坏;当固结时间为28d时,裂隙岩石以翼裂纹、预制裂隙中部的拉裂纹主导破坏。相关成果对地下采矿工程中的裂隙岩体稳定性研究具有一定的参考价值。