基于YOLO模型的小麦外观分类算法研究

小麦种植广泛且营养丰富,其品质问题需要重点关注。小麦品质的衡量指标主要是不完善粒占比。为此,需要对小麦颗粒进行分类识别。提出了1种基于你只看一次(YOLO)模型的小麦外观自动分类算法,创新性地将YOLO模型应用于小麦外观分类场景。对采集得到的小麦样本图像切割、筛选、扩充和标记,构建了完善粒与不完善粒图像库。对YOLO网络进行了训练,利用训练后的模型对麦粒图像进行了测试,实现了完善粒、不完善粒分别为91.7%、87.1%的分类准确率。这种自动分拣麦粒的检验方法避免了人工视觉疲劳后的误判,而且检测效率显著提高,为小麦外观分类研究提供了新的思路。

新工科背景下实践类课程混合教学模式研究

在新工科建设背景下,针对"自动化生产线实训"实践课程教学过程中存在的问题,基于Moodle平台和混合教学理念构建了混合实验教学模式,旨在实现教师引导和学生主导的全面结合。首先从提高学生获取知识和熟练掌握知识应用能力的角度入手,以创新性实验项目为载体,提出了CDIO-OODA工程教育理念与项目驱动相结合的混合实验教学理念;然后以智慧城市—智能楼宇绿色能耗检测与优化控制为例,建设混合实验教学资源;最后,基于Moodle课程教学管理平台,构建了基于Web的Pj BL混合实验教学方法。应用效果表明该混合实验教学模式大大提升了实验教学效果。

基于OPC技术的先进控制半实物实训平台设计

基于CDIO实验室现有自动化生产线实训平台,利用OPC通信构建了先进控制半实物实训平台,充分发挥了组态王在界面设计和MATLAB在算法设计与仿真方面的优势,实现了控制器和监控系统之间的数据交换,降低了先进控制策略应用于实物实训装置的复杂性。以水平双容水箱液位单神经元PID控制项目为例,详细介绍了整个实训平台的实训过程。实际教学效果表明,该先进控制半实物实训平台方案合理,运行稳定,有效拓展了原有自动化生产线实训平台的应用范围,激发了学生实训的兴趣。同时,该平台有利于学生更专注于先进控制算法的理论和实践研究,增强了实训的目的性。

磁传感器输出姿态信息修正方法研究

在基于地磁、角速度及重力加速度(MARG)测量的航姿融合估计应用中,磁干扰会破坏磁传感器输出所含姿态信息,进而降低姿态估计精度。为提高姿态估计的抗磁干扰能力,研究了在静态及小幅加速度运动条件下修正磁传感器输出的方法。该方法利用重力加速度测量值对归一化磁传感器输出向量进行修正,修正依据是地磁向量与重力加速度夹角恒定以及最小化修正角度。分析了航姿融合估计算法模型与磁传感器输出修正原理,给出了修正方程并推导了修正计算式,最后通过静态与动态实验验证了修正效果。实验表明,磁传感器输出修正使俯仰角及横滚角估计均方根误差分别降低2.6°与1.6°。此外,该修正方法还具有不改变融合计算过程,便于与其他改进措施结合使用的特点。

基于太赫兹时域光谱系统的双折射率晶体非接触式表征方法

晶体的各向异性探测技术正逐渐向非接触和非破坏性方法发展。太赫兹辐射由于其对许多介电材料的大穿透深度和非电离特性,在各向异性材料的双折射研究中具有广阔的前景。石英、蓝宝石、液晶以及含有亚波长结构的超材料等都表现出太赫兹双折射,作为偏振功能器件中的常用材料,其参数测量对于太赫兹器件研发具有重要意义。材料双折射率的提取往往依赖光轴方向和晶体厚度等先验参数。材料的光轴方向表征其各向异性的优先方向,对于已知光轴取向的晶体,可以根据经验选择合适的琼斯向量,而在实际应用中,只要选择探测太赫兹波的线偏振方向、光轴、探测轴。可以很容易地测量出寻常光和非常光,并直接从时域信号中计算出各自的折射率。对于光轴方向未知的材料,需要旋转样品以不同的方位角进行测量。双折射率的提取依赖于材料厚度的确定,通过游标卡尺或千分尺所得测量值与真实值存在较大差异,容易在样品表面造成划痕。无论是旋转样品还是厚度测量,人为操作都会为双折射率表征引入不确定性。基于透射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)开发了一种双折射晶体光轴方向和晶片厚度的非接触式测量方法,不依赖于晶体先验参数,即可获取晶体完整的折射率。通过控制样品旋转配合光学延迟线动作实现光轴自动定位,利用传递函数迭代逼近算法提取晶体厚度和完整的折射率。为验证该方法,选择了在太赫兹波段具有双折射特性的(10-10)取向蓝宝石晶体进行测量,准确地提取了晶体在0.3~1.5 THz频率范围的平均寻常光折射率3.39±0.02,非常光折射率3.08±0.02,双折射率-0.31±0.02,并绘制了吸收谱。结果证明,所建立的测量方法避免了人工操作引起的样品损坏和定位误差,提高了双折射晶体太赫兹频段材料参数的测量速度、稳定性和精确度,对偏振敏感太赫兹测量技术及其应用具有重要意义。

基于车辆状态的航向估计量测方程研究

应用一种以单位四元数为状态向量的自适应卡尔曼滤波算法融合三轴陀螺、三轴加速度计及三轴磁传感器测量信号,实现了车辆航向估计。该算法根据磁干扰强度调整磁传感器量测在航向估计中的权重,从而减小磁干扰造成的估计误差,但这种做法也使航向预测值失去了有效约束,为此研究了一种基于车辆状态的量测方程。首先,依据单位四元数与航向角的关系推导了量测方程式;然后,利用不同传感器信号间的相关关系判断车辆状态并据此实现量测权重系数的自适应调整;最后,将该量测方程引入航向估计融合算法。在实验中分别应用引入新量测方程前后的融合算法对传感器数据进行处理,实验结果表明,新量测方程可以在发生磁干扰时继续发挥约束航向预测值的作用,从而有效提高了航向估计算法抗磁干扰能力。

基于扩张残差注意力网络的颞下颌关节区多模态影像融合

目的:应用扩张残差注意力网络方法,构建颞下颌关节区多模态融合影像,为提高口腔颞下颌关节多模态融合影像下的综合诊疗能力提供可行性分析。方法:使用扩张残差注意力网络提取磁共振(MR)和锥形束CT(CBCT)的影像特征,使用“Softmax加权策略”融合特征,再通过影像重建模块将对应的两种模态的影像融合在一起。结果:融合图像可呈现出髁状突皮质骨、髁状突髓质骨、髁状突附丽的肌肉、关节盘4个部位的形态,在峰值信噪比和结构相似度2个评价指标上均表现良好,峰值信噪比范围是10~15,结构相似度范围是0.4~0.6。结论:该方法能做到实时影像融合,最终融合图像可反映出清晰的解剖形态特征,避免多模态影像切换,为口腔专家术前术后临床诊断提供有效的指导。

基于体域网的可穿戴式短跑运动状态监测

采用多个可穿戴式MEMS传感器构成体域网,实时采集短跑运动员起跑、加速跑、途中跑、冲刺跑四个阶段的运动参数。通过陀螺仪传感器采集脚踝、四肢、身体前倾等姿态角,动态建模监测运动员的起跑姿态;通过加速度传感器解算得到运动员全程跑的变速过程。对数据的实时图形化显示,可用于评估运动员的技术水平并定制科学训练方案。

一种ICMOS相机关键组合器件响应标校及降噪方法

针对增强型互补金属氧化物半导体(intensified complementary metal oxide semiconductor,ICMOS)相机中光纤光锥和CMOS传感器关键组合器件响应标校及其在实际应用中的降噪问题,采用K均值异常点剔除、最小二乘理想线性响应拟合、多项式响应误差补偿拟合的成像系统响应标校方法,有效降低了系统固定模式噪声、单个像素响应非线性、整场像素响应非均匀性对ICMOS相机响应输出的影响。采用金字塔真实图像降噪网络(pyramid real image denoising network,PRIDNet)的成像系统图像降噪方法,进一步抑制了ICMOS相机应用过程随机噪声对相机成像效果的影响。研究结果表明:与传统方法中仅做固定模式噪声处理的标校方法相比,应用本文标校方法,像素平均线性度指标提高了约7%,整场响应均匀度指标提高为原来的2.2倍。与其他类型网络相比,采用PRIDNet降噪方法,其峰值信噪比在不同环境光输入条件下均提高了3%~5%。

太赫兹时域光谱与频域光谱研究综述

近年来太赫兹技术因其重要的理论研究价值和广泛的应用前景引起了科学界的普遍关注。太赫兹光谱技术作为太赫兹科学发展的主要方向之一,可分为频域光谱与时域光谱两种。它的出现解决了太赫兹波段下无法产生宽带辐射源的难题,使得光谱学上存在的太赫兹断层得以填补。随着这项技术的发展,对太赫兹波段下物质特性的研究也逐步拓展到生物医学、材料、通信、安检为代表的各个领域。从产生原理、性能特点、应用领域等方面对两种光谱进行比较,进而阐述了两种太赫兹光谱的优缺点以及其应用优势。

基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法研究

太赫兹光谱技术作为获取物质在太赫兹频段信息的主要方法,已经被广泛应用于物质成分的测定,而其在成分分布成像方面则有着更广阔的应用前景,例如片剂药品的有效成分检测、行李安检的危险物品检测等。现有的太赫兹光谱探测方法时域光谱技术(THz-TDS)和频域光谱技术(THz-FDS)均不能很好地兼顾光谱分辨率与扫描时间;且获得物质光谱数据往往要花费数秒乃至数分钟时间(取决于光谱仪的结构),这对多像素成像系统显得过于迟缓,更无法达到视频成像的速率需求,严重制约了太赫兹光谱成像的实际应用。目前的太赫兹波成像多为全频段波强度成像,只能反映样品的空间分布信息,并不能反映出样品的光谱即成分信息。因此,对太赫兹光谱探测速率的提升十分迫切,太赫兹光谱高速探测的实现不仅可以显著减少物质成谱的实验耗时,还为实现物质的太赫兹光谱成分分布成像提供了可能。提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法,在设计了该方法装置结构的基础上,理论分析了其工作过程,同时进行了太赫兹光谱的计算。然后从数据采样、数据处理及参数选择这几个方面进行问题分析,计算得出该方法能够显著加快物质太赫兹光谱的扫描获取速率。最后,对该方法建模进行仿真研究,模拟实现其完整的探测过程。在仿真研究中,以太赫兹辐射源的频谱分布为例,将该方法的建模仿真结果与时域光谱技术(THz-TDS)测试结果进行了对比,结果表明时域光谱技术(THz-TDS)所测得的频谱曲线可以近似看作是该高速光谱探测法所得频谱曲线的包络线,两种不同方法所得频谱结果具有较强的一致性。总之,该方法能够进行样品的太赫兹光谱探测,且在保证分辨率相同的前提下,较时域光谱技术(THz-TDS)显著加快了成谱速率,为实用、高通量太赫兹光谱成像提供了一种可能。

表面粗糙样品的太赫兹光谱参数提取方法研究

很多物质在太赫兹波段内的光谱参数具有指纹特征,这是太赫兹技术在安检等众多领域有所应用的基础。但是,目前常用的太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术提取物质光学参数的Duvillaret算法,要求样品上下表面平行且充分光滑。然而在很多有潜力的实际应用场合中,尤其是对于固体样品,表面粗糙度不可避免,并且不能使用模具压片等实验室制样手段来保证其表面的平行光滑特性,由此需要一种不受样品表面粗糙度影响且更具有普适性的光学参数提取算法来增加太赫兹时域光谱技术在实际场合下的应用能力。分析了太赫兹波透射表面粗糙样品的光程,建立了包含有样品粗糙度、折射率和消光系数的表面粗糙样品太赫兹透射模型,在已知粗糙度及平均厚度的条件下,提取出在太赫兹波段有特征吸收的表面粗糙样品的折射率和吸收系数,验证了此透射模型的适用性。首先,选择在太赫兹波段有特征吸收的α-乳糖和L-组氨酸作为实验材料,制作了质量分数和密度相同的表面粗糙样品和光滑样品,并在太赫兹时域光谱系统中获取它们的太赫兹透射实验数据;然后,利用建立的透射模型从实验数据中提取出了表面粗糙α-乳糖和L-组氨酸样品的折射率和吸收系数;最后,为衡量透射模型提取结果的优劣性,把Duvillaret算法作为另一种光学参数提取的参照方法,将本模型算法、Duvillaret算法对表面粗糙样品的提取结果分别与从平行光滑样品中提取的标准结果进行比较,计算两种提取方式与标准值之间的均方根误差(RMSE)。比较结果表明,相比于Duvillaret算法,本透射模型方法所提取出的表面粗糙样品的折射率和吸收系数与标准值之间偏差更小,在一定程度上减少了粗糙度对提取结果的影响,具有更高的精确度。因此,在已知表面粗糙样品的粗糙度以及平均厚度的条件下,利用此模型可较为精确地在太赫兹时域光谱系统中提取出物质的光学参数。此研究结果将有力推进太赫兹波光学参数提取技术的实际应用。

科技文明发展的推进器——测控技术及仪器

测信息之源,控计量之本,铸大国重器。科学是从测量开始的,从远古的“结绳记日”到现今的“智能腕表”,从新冠疫情期间常备的水银温度计到高速列车车厢内提示牌上的实时车速、车厢温度,从工业生产过程温度、压力、流量、气体成分分析仪表到基因组测序和病毒检测,从天眼射电望远镜“FAST”到航空飞行器的轨迹跟踪和风云遥感探测卫星,测控技术及仪器无所不在。在漫长的人类文明发展过程中,测控技术与仪器的发展与科技文明的进步相辅相成,互为支撑。未来,测控技术与仪器也必将持续地发展进步,在物理、化学、生物、医疗、天文、电子、信息等多个领域大放异彩。

基于SPECT探头的高灵敏编码孔径γ成像系统

远距离、大范围、快速检测放射源对国土安全具有重要意义,γ相机可以远距离提取放射性物质位置、强度以及类别等信息,是一种有效的检测工具。由于探测器面积小,且编码孔径的视场(Field of View,FOV)有限,当前编码孔径γ相机的探测效率普遍低。本研究提出一种基于国产的滨松BHP6601型临床单光子发射计算机断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography,SPECT)探头的大面积高灵敏度编码孔径γ成像系统研制方案。该探头的固有分辨率为3.55 mm,有效探测面积为510 mm×390 mm,可用于提高辐射成像系统的空间角度分辨率和灵敏度。本研究根据此探测器规格,设计采用修正均匀冗余阵列(Modified Uniformly Redundant Arrays,MURA)编码嵌套模式的编码板,其中心基本单元阵列大小23×23,每个单位孔径大小为22.1 mm×17 mm。成像系统无伪影视场在X方向上和Y方向上分别为57.32°和47.3°;空间角度分辨率在X和Y方向上分别为2.94°和2.28°。采用该方案的γ成像系统对18 m处3.7×107 Bq 137Cs单点源进行测试,采集时间1 s即可精准定位;若对于4 m处的1.11×106 Bq 137Cs定位,采集时间仅需要2 s。仿真测试结果表明:该系统对于远距离或低活度的放射源能快速清晰定位。

基于深度学习的文本自动纠错系统设计与实现

为解决办公人员在进行文档写作时存在各种文本格式和内容错误的问题,设计基于深度学习的文本自动纠错系统,用于辅助办公人员的写作和校对工作;分析办公人员的文本纠错需求,并进行文本格式与内容纠错方法研究;设计系统由写作模板生成、文本格式纠错和文本内容纠错三个功能组成;首先,设计文本要素识别与检查算法并基于VBA技术实现文本格式校对;然后基于Seq2Seq深度学习模型训练字词、语法和标点符号查错模型完成公文内容纠错,并根据办公人员工作需求建立纠错辅助字库提升系统纠错准确率;最终,通过系统测试实验结果表明,设计系统能够极大地提升办公人员写作效率并减轻文本校对工作负担。

基于变量选择的尖点突变模型的两步构建方法

突变是工程实践过程中广泛存在的现象.当系统的状态发生跳跃性变化时,基于微积分的传统数学建模方法精度较低,人工神经网络等机器学习算法无法对突变现象作出合理的解释.基于突变理论的尖点突变模型可以用来解释系统状态的不连续变化,然而在输入变量维度较大的情况下,传统的尖点突变模型复杂度高且精度较差.为了解决这一问题,提出了一种基于变量选择的尖点突变模型的两步构建方法.第一步,利用多模型集成重要变量选择算法(MEIVS)量化待选变量的重要性并提取重要变量;第二步,基于极大似然法(MLE)利用所提取的重要变量构建尖点突变模型.仿真结果表明,在具有突变特征的数据集上,通过MEIVS降维后的尖点突变模型在评价指标上优于线性模型、Logistic模型和通过其他方法降维的尖点突变模型,并且可以用来解释研究对象的不连续变化.

基于节点复合特性的端-边协同网络生成算法

针对智慧交通系统数据处理量大、对传输时间要求严苛的难题,通过将协同系统定义为复杂网络模型,构建了设备端和边缘节点协作运行的端-边协同系统。提出了基于网络节点复合特性的协作网络生成算法,实现了多层复杂网络的构建。相比随机几何法,提出的由节点聚类系数和介数中心性两种特性参数相结合的协作网络生成算法能够更全面地描述节点特性,反映节点重要性,改善现有多层复杂网络模型对节点信息描述不全的问题。最后,使用4种复杂网络模型构建多层网络模型并验证该算法,以节点间最短路径值作为评价指标,证明提出的由节点复合特性生成协作网络的算法能够明显降低整个网络中节点间最短路径值,减少传输时间,提高传输效率。

基于连续波太赫兹频域光谱系统的样品折射率测定方法

经过二十年的发展,太赫兹光谱技术已经在生物医疗、工业质检、国防安全、新材料研发等多个领域证明了其强大的应用潜力,然而传统太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对飞秒激光器的依赖,严重限制了太赫兹技术在实际工业领域中的应用,近年来,以商业成熟的中红外激光混频作为产生与探测机制的太赫兹频域光谱技术(THz-FDS),凭借其高集成度、低成本以及高分辨率等适用于实际应用的特点得到了广泛的研究关注。但是,作为新型光谱技术,THz-FDS的数据处理算法与传统THz-TDS相比仍处于起步阶段,此前所开展的物质表征研究大多局限于信号幅值的利用,而其相干探测机制所蕴含的太赫兹波相位信息并未得到充分挖掘,与相位信息紧密相关的样品折射率、介电常数、极化率等关键参数因此无法准确获取。从THz-FDS的相干探测原理出发,结合实测数据,详细阐述了太赫兹波相位信息与THz-FDS原始光电流数据周期振荡之间的联系,建立了由原始光电流数据振荡周期求取样品折射率的理论模型。在此基础上,指出了传统零频基点求取折射率方法在低频段表现欠佳的原因,提出了所改进的双基点折射率求取算法。为了验证所提出的折射率测定方法的可靠性,选取了在太赫兹波段应用广泛的聚合物聚四氟乙烯作为表征对象,制备了厚度不同的多个样片,对所有样品测定折射率的结果为1.456±0.006,不同样片间折射率的测量不确定度仅为0.5%,且平均值与前期报道值吻合,充分验证了该方法复现性。此外,选取其中一枚样片考察了实验参数设置变化对折射率测定结果的影响,使用THz-FDS多种积分时间和采样步长的设置组合采集原始光电流数据,结果显示实验参数设置对折射率测定结果没有显著影响,验证了算法的鲁棒性。提出的折射率测定方法丰富了太赫兹频域光谱系统的表征参数,结合频域光谱系统相比传统时域光谱系统在工业应用方面的优势,该方法对太赫兹光谱技术的实际应用发展具有重要意义。

基于综合智能模型的碳钢大气腐蚀重要变量提取和依赖关系挖掘

针对碳钢在大气腐蚀过程中影响变量多且作用机制复杂的问题,提出一种基于综合智能模型的重要变量挖掘框架,利用该框架可以挖掘影响碳钢早期大气腐蚀的重要环境变量及其对腐蚀电偶电流产生的影响.本文通过大气腐蚀监测仪(ACM)收集了我国5个试验站点的大气腐蚀数据,首先,构建了随机森林(RF)、梯度提升回归树(GBRT)和BP神经网络(BPNN)三种机器学习模型;其次,利用多模型集成重要变量选择算法(MEIVS)量化环境变量的重要性并提取影响碳钢早期大气腐蚀的重要环境变量;最后,绘制了环境变量与腐蚀电偶电流的局部依赖曲线(PDP).仿真结果显示,MEIVS算法挖掘出的重要环境变量更符合大气腐蚀的先验规律;PDP与MEIVS算法的结论具有很好的一致性,重要环境变量对应的PDP的变化幅度大,且PDP的变化趋势能够反映环境变量对腐蚀电偶电流的影响.

凹陷表面形态对太赫兹透射光谱的影响

在太赫兹光谱实验测试中,为了提高系统信噪比,被测试的固态样品表面通常为平行且光滑的形态,然而在安检等实际应用场合中,自然状态下的物体表面可能会呈现出凹陷、凸起等特殊形态,这会对太赫兹光谱产生影响,这些影响与特殊形态的尺寸有关,但最容易忽视的是这些影响也与太赫兹波的空间分布有关。首先,对凹陷表面样品进行了基于高斯光学的太赫兹波透射过程建模,研究了表面具有规则圆柱形的凹陷表面形态对太赫兹透射光谱的影响。通过小孔拟合法对太赫兹光谱系统的高斯光学参数进行了测量,获得了太赫兹波的束腰半径等参数。然后,选用表面被加工成凹陷形态的聚四氟乙烯为实验材料进行太赫兹透射光谱实验,将太赫兹光谱传递函数幅值的理论模型值和实验值进行对比来验证模型的适用情况,通过实验证实了在表面有凹陷等缺损情况时将太赫兹波进行高斯光束建模的必要性。最后,由模型推论出在与太赫兹波传播方向平行和垂直两个维度方向上,凹陷深度和凹陷半径对太赫兹透射光谱的定量影响作用:随着凹陷深度的增加,光谱传递函数幅值周期越来越小,两者之间存在单调的定量关系,且不会受到凹陷半径的影响。利用凹陷深度对光谱传递函数幅值周期的定量影响关系可以实现对凹陷深度的定量检测,当可用频谱宽度为1.2 THz时,凹陷深度的最低检测值为0.53 mm;随着凹陷半径的增加,光谱传递函数幅值均值有着先降低后增加的变化趋势,两者之间不存在单调函数关系且受到凹陷深度的影响。当凹陷半径大于5 mm时,光谱传递函数幅值均值不再随半径的增加而增大,样品表面凹陷对太赫兹波光谱传递函数幅值幅度的影响与凹陷位置也有关系,这两种现象主要与太赫兹波的高斯分布情况有关。研究结论可用于太赫兹波在非极性材料表面缺陷的无损检测中,还可用于设计样品表面形态,使其具有期望的光谱传递函数。