基于JLMRS的地学仪器认识实习的应用研究——以吉林大学为例

根据地学仪器专业的实践教学特点,将自制科研仪器核磁共振找水系统JLMRS应用于地学仪器认识实习。根据核磁共振找水系统的工作原理和使用方法设计野外实验,介绍了数据处理的基本流程和简单的反演成像算法。基于核磁共振找水系统的地学仪器认识实习使本科生能够了解到最前沿的科研仪器设备,开拓了本科生的视野,激发了本科生对地学仪器专业的学习热情,有利于研究型和创新型人才培养。

宽口径电气工程专业实践教学体系的构建

以新办电气工程及其自动化专业要求为背景,培养宽口径电气信息人才为目标,介绍了吉林大学电气工程及其自动化专业培养方案与教学计划,重点论述了实践教学体系和实现途径,课内实践教学体系包括:主干课程独立设置实验课并不断完善多种类实验项目、1-3学年的三个短学期计18周的集中实践教学和持续大四一年的毕业设计;简要介绍了电气工程大学生课外科技创新实践体系、实验室与教学平台及校外实习基地建设情况;归纳了四点建设经验。

注意力机制的混合卷积高光谱图像分类方法

高光谱图像以其高分辨率的空间和光谱信息在军事、航空航天及民用等遥感领域均有重要应用,具有重要的研究意义。深度学习具有学习能力强、覆盖范围广及可移植性强的优势,成为目前高精度高光谱图像分类技术研究的热点。其中卷积神经网络(CNN)因强大的特征提取能力广泛应用于高光谱图像分类方法研究中,取得了有效的研究成果,但该类方法通常单独基于2D-CNN或3D-CNN进行,针对高光谱图像的单一特征,一是不能充分利用高光谱数据本身完整的特征信息;二是虽然相应提取网络局部特征优化性好,但是整体泛化能力不足,在深度挖掘HSI的空间和光谱信息方面存在局限性。鉴于此,提出了基于注意力机制的混合卷积神经网络模型(HybridSN_AM),使用主成分分析法对高光谱图像进行降维,采用卷积神经网络作为分类模型的主体,通过注意力机制筛选出更有区分度的特征,使模型能够提取到更精确、更核心的空间-光谱信息,实现高光谱图像的高精度分类。对Indian Pines(IP)、University of Pavia(UP)和Salinas(SA)三个数据集进行了应用实验,结果表明,基于该模型的目标图像总体分类精度、平均分类精度和Kappa系数均高于98.14%、97.17%、97.87%。与常规HybridSN模型对比表明,HybridSN_AM模型在三个数据集上的分类精度分别提升了0.89%、0.07%和0.73%。有效解决了高光谱图像空间-光谱特征提取与融合的难题,提高HSI分类的精度,具有较强的泛化能力,充分验证了注意力机制结合混合卷积神经网络在高光谱图像分类中的有效性和可行性,对高光谱图像分类技术的发展及应用具有重要的科学价值。

基于总体最小二乘-旋转不变算法的地表核磁共振信号参数估计

在地表核磁共振(SNMR)找水系统中,根据SNMR信号的参数能够预估地下含水层的储水量、导电性以及孔隙结构等信息。然而在实际应用中探测现场采集的SNMR信号十分微弱,易受到环境噪声干扰,导致无法直接获取SNMR信号的参数。针对这一问题,该文提出基于总体最小二乘-旋转不变法(TLS-ESPRIT)的地表核磁共振信号参数估计方法。基于谐波噪声与SNMR信号的相似信号特征构成一个由多个正弦衰减信号叠加的混合信号模型,使用TLS-ESPRIT将混合信号参数提取问题转换为旋转不变矩阵的广义特征值求解,从而获得SNMR信号的拉莫尔频率和弛豫时间,并结合最小二乘法求得其初始振幅和相位。仿真信号和实测信号实验结果表明此方法能够估计出混有随机噪声和工频谐波噪声的SNMR信号的参数,相比传统的谐波建模方法,在参数提取精度上效果更好。

光纤光栅温度应力传感教学实验装置

针对目前市场上可直接用于光纤光栅传感实验教学的装置较少,前沿科研技术和本科实验教学相脱节现状,设计了基于光纤光栅的温度应力传感教学装置。该装置包括光纤激光器、光谱仪和上位机控制软件3部分。光纤激光器实现了1 550 nm左右的激光输出,利用光谱仪测量光纤光栅中心波长的改变,并采集数据输入计算机,上位机控制软件用于图形显示和数据存储等。该实验装置操作简单、组装灵活、重复性和稳定性好,可用于本科实验教学。将前沿科学技术引入本科实验教学,促进了科学研究与本科实验教学相融合,实现了科研教学水平的同步提高。

基于时域有限差分法的电性源感应-极化效应三维数值模拟

时域电性源电磁探测法是一种可以有效快速探测矿产资源的方法。极化效应会导致电性源电磁响应快速衰减,发生符号反转现象。本文采用Cole-Cole模型描述极化效应,利用整数阶有理逼近算法实现任意分数阶Cole-Cole模型有理化;采用Yee氏网格对仿真区域进行剖分,基于时域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法实现电性源感应-极化效应三维数值模拟。本文对三种典型模型(均匀半空间模型、极化半空间模型和三维极化体模型)的电磁响应进行数值模拟,结果表明:均匀半空间模型的电磁响应与解析解基本吻合,并且相对误差小于10%,证明了三维数值模拟方法的正确性;极化半空间模型与三维极化体模型的电磁响应均在晚期出现了负响应,与极化理论结果相符合。

基于差分结构的地面核磁共振数据噪声压制技术

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)技术是一种可直接定性定量探测地下水的非侵害式地球物理方法,已广泛应用于资源勘探、地质灾害预警和环境检测等方面。但在实际应用中,复杂的环境噪声导致微弱的SNMR信号常常被淹没,很难获取有效的SNMR信号。针对这一问题,本文提出了一种基于差分结构的SNMR数据噪声压制技术,采用两个接收线圈等距设置在发射线圈上下位置。这种分布可以实时抵消大部分环境噪声以及消除收发线圈耦合影响。理论建模和仿真结果验证了新方法能够有效压制噪声,并可靠获取到早期自由感应衰减(free induction decay,FID)信号。

融入多维度思政的“电磁场与电磁波”课程教学改革与实践

为深入贯彻落实习近平总书记关于全面推进高校课程思政建设的精神,在“电磁场与电磁波”课程教学改革中,通过设计多维度思政环节、多链条构建高阶性知识体系,多环节融合的科研案例教学模式,将知识传授与思政育人深度融合,培养学生家国情怀、拓展国际视野,塑造科学素养和执着的探索精神。通过合理嵌入育人要素,把思想政治工作贯穿教育教学全过程,激励学生成才,实现专业知识传授和价值引领的同频共振。

利用双域推扫成像方法检测对地遥感动目标

针对星载双线阵相机对地运动目标检测中,双线阵系统成本高、时间和空间同步性差、检测精度低的问题,提出了一种基于单面阵CMOS的双域线阵相机推扫成像方法,利用CMOS时间延迟积分(TDI)技术在固定位置间隔开窗,实现双区域推扫成像;针对两路通道数据,进行序贯模式图像采集,形成独立完整的两幅长条带图像;通过建立的双域线阵TDI相机时间与位置函数,检测并分析高速运动目标的运动特性;基于卫星推扫地球成像原理,设计并搭建了一套TDI推扫式成像试验装置,进行了高速运动目标的速度检测。试验结果表明,在CMOS像元分辨率为4096×3072,视场角为16°0'34″,行频为998 Hz,开窗间隔为3056行的情况下,绝对速度误差小于0.445%,像移速度误差为2.323 pixel/s,保证了时空同步性,进而提高检测精度,验证了本文方法的可行性。

钻孔应变数据的环境响应去除与震前异常提取

基于四川省姑咱台的钻孔应变观测数据,研究了2013年4月芦山MS7.0地震的应变异常。首先通过时间序列分解法去除芦山地震前后(2011年1月至2014年1月)观测数据的长期背景趋势和周期趋势,其次采用多通道奇异谱分析法分解数据,去除水位和气压引起的应变响应,最后提取应变数据中的震前负熵异常。结果表明:水位与水位应变响应的相关系数为-0.97;有96.1%天的日气压与其应变响应的相关系数的绝对值大于0.9,验证了本文环境响应去除算法的有效性;负熵异常累积与贝尼奥夫应变累积的一致性表明,震前4—6个月出现的负熵异常可能是地震前兆异常。以上结论充分表明本文试验的方法对于钻孔应变数据环境响应的去除及地震前兆异常的提取是有效的。

基于级联式整流电源的恒流均压控制方法

针对电磁探测的大功率电磁场激发需要,文中采用输入并联输出串联的级联式整流电源,提高输出电压等级,保证激发功率。为了满足电磁探测过程中输出电流的稳定性,提出了基于双闭环的恒流均压控制算法。分析了级联式直流电源恒流均压输出的原理,建立了电源的数学模型,设计了电压电流环的控制器,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型并通过控制器参数优化从而降低误差。级联式直流电源由于上下两部分可能存在器件参数不同的情况,这就导致在恒流控制下两级电源输出电压不同,在动态情况下的偏差会更大从而引起器件不均压而损坏,因此在考虑控制恒流输出的同时需要加入控制均压输出。通过对输出电流电压进行采样,经控制器转换为相应的脉冲触发所对应的开关器件从而实现恒流均压输出。仿真结果显示输出电流控制在2 A,电流变化在5%以下。

基于近红外光谱法的血液酒精浓度检测仪

针对解决呼气式酒精检测仪存在飞沫传播风险的问题,提出了一种基于近红外光谱法的便携式无污染血液酒精浓度检测方案。使用硬件完成信号采集、放大、滤波再放大,利用软件完成卡尔曼滤波、三样条插值法去基等算法获取标准的脉搏波信号在上位机中通过呼气式的测量结果与脉搏波信号的幅值建立数学模型,将数学模型写入单片机实现离线测量。通过实验测试验证数学模型精度。结果表明,其满足相对误差小于10%的精度要求,符合实际使用需求。

基于改进粒子群优化的超顺磁效应多参数提取

时域电磁法中的超顺磁效应一般由磁异常体或磁化层引起,并在响应中后期出现呈近似-1次幂律衰减的慢扩散现象,同时也是地下磁性介质信息的重要表征。传统参数提取方法在对磁性环境的实测数据进行处理时,会由于忽略这种效应导致数据的错误解释。为了实现对含有超顺磁效应数据的准确解释,本文基于改进粒子群优化算法进行了超顺磁效应的多参数提取研究,通过引入Cole-Cole磁化率模型实现了层状超顺磁效应的数值模拟,证明了磁化率、电导率可以影响超顺磁响应的幅值与衰减斜率,并结合改进粒子速度和位置更新策略的粒子群优化算法实现了对磁化率、电导率等参数的提取。结果表明,本文的方法在对超顺磁效应多参数进行提取时最大相对误差不超过2%,验证了方法的有效性。

下肢重复蹬伸至力竭过程中肌肉功能网络拓扑特性

背景:表面肌电已经被广泛用于监测肌肉疲劳,但传统肌电指标通常针对于单块肌肉,无法评价一组肌肉在疲劳过程中的变化。目的:建立肌肉功能网络,提取复杂网络参数,研究不同疲劳程度下的肌肉功能网络拓扑特性变化,为疲劳的监测、预防提供理论和方法依据。方法:11名受试者进行直到力竭的50%1RM单腿下肢蹬伸运动,同步采集股直肌、股外侧肌、股内侧肌、股二头肌长头、胫骨前肌、腓肠肌外侧肌、腓肠肌内侧肌7块肌肉的肌电信号,以及心电信号和Borg CR-10量表评分;根据Borg CR-10量表评分划分为轻度、中度和重度三个疲劳阶段,采用心率和心率变异性验证疲劳阶段划分的有效性;以7块肌肉为节点,使用肌肉信号的相干性构建肌肉功能网络,提取聚类系数、平均加权度、全局效率、特征向量中心性4个复杂网络参数;提取肌电信号的均方值振幅、中位频率、瞬时平均频率和共激活比4种指标,并在3种疲劳程度下进行比较。结果与结论:①3种疲劳阶段在心率及心率变异性上产生显著性差异,证明了疲劳阶段划分的有效性;②对于不同肌肉在3种疲劳程度下的肌电指标:均方值振幅和共激活比未表现出差异,中位频率在股外侧肌、股内侧肌和股二头肌长头表现出稳健的疲劳趋势,瞬时平均频率则在股直肌、股外侧肌、股内侧肌和股二头肌长头表现出稳健的疲劳趋势;瞬时平均频率的性能优于中位频率和均方值振幅,但三者仅在主要工作肌群能够获得较好的稳健趋势,共激活比不受疲劳因素的影响;③股外侧肌-股内侧肌、股外侧肌-股二头肌长头、股外侧肌-腓肠肌内侧肌和股内侧肌-股二头肌长头连接强度逐渐增加,平均加权度、聚类系数和全局效率在疲劳后表现出显著差异,并且与疲劳程度之间显著相关。结果表明:肌肉功能网络内的连通强度变化能够反映疲劳过程中肌肉间的协同性和互补性;聚类系数、平均加权度、全局效率可作为一组肌肉疲劳的监测指标。

基于同步提取变换的地空频率域电磁信号幅度提取方法

地空频率域电磁法探测信号为多频非平稳信号,为了解决应用传统傅里叶变换方法提取其幅度时分辨率较差的问题,本文提出了基于同步提取变换(SET)的地空频域电磁信号幅度提取方法。该方法对电磁数据进行SET,得到高分辨率时频图,并利用能量算子使电磁数据时频谱能量更为集中;采用贪心算法提取脊线,得到时频图的高能量带;通过自回归模型自适应地补充了脊线中的0值,解决了由窗函数引起的端点效应问题。根据脊线位置的时频图复数值,得到各频率分量幅度随时间的变化,研究了不同信噪比情况下基于SET的地空频率域电磁信号幅度提取结果的准确性。结果表明:当信噪比≥10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差均小于5%;当信噪比<10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差在10%以内。提取效果良好。将此方法应用于新疆霍拉山隧道工程地空频率域电磁法探测中,成功提取了多频电磁信号各频率分量的幅度,与采用傅里叶变换提取非平稳信号幅度的方法相比,该方法有效地提高了幅度提取结果的分辨率。

在等电位工作状态下校准多元感应分流器

提出了在等电位工作状态下校准多元感应分流器(multiple inductive current divider,MICD)的1种方法。在校准装置中加入由跟随器和电阻组成的I/V变换器,以使MICD各支路间的电流比例与其工作状态保持一致;用参考电流互感器(CT)提供独立的参考电流,以避免影响支路电流的比例关系。在20、55、400 Hz及1 kHz下对11支路MICD校准所得10:1电流比例的比值差合成标准不确定度优于0.2μA/A,相位差合成标准不确定度优于1.5μrad。

油田压裂井地电法双参数联合监测技术与仪器研究

目前世界上水力压裂技术是老油田增产和低渗透油气田开发所应用最为广泛、最为有效的技术措施,油气储层裂缝分布规律监测对于油田勘探开发具有重要意义.本文利用压裂液在地层中的低阻特性与极化特性,基于井地电阻率法与激发极化法联合,根据位场理论镜像原理,采用三维有限差分,计算了多种压裂模型的地表传导电位与极化电位;通过非等权值的数据融合算法,计算了地表双参数异常,仿真数据的研究结果表明,双参数融合技术在异常提取方面具有明显优势.在此基础上,基于双波大功率联合发射技术、时分复用低噪声接收技术,研制了井地电法双参数联合监测仪器系统,共模抑制比达110dB,有效地提取了微弱异常信号.通过陕西省富县华北局油田的压裂野外联合监测试验,表明了井地电法双参数联合监测仪器系统在水力压裂裂缝监测中具有较好的监测效果和较高的分辨率,解决了在低电阻率储层压裂或深井压裂情况下监测困难以及单一方法的监测结果多解性等问题,实现对油田水力压裂裂缝的实时监测.

高磁导率楔形体外磁标势的分数阶微积分形式

在二维情形下,线电荷与导电楔形体的电势分布可用分数阶导数来表示.本文将电的情形推广到磁中,研究了线磁偶极子磁化高磁导率楔形体后的磁标势,将它的表达式用分数阶导数表示,并使用Ansys仿真软件验证.进一步地,在地球物理中,强磁性对称背斜的顶端附近可近似成楔形体,如果它被均匀地磁场磁化,它的磁标势同样也可以用分数阶微积分表示.这两种情况下的磁标势表达式表明,式中的分数阶微积分因子只与楔形体本身的形状有关,而与外部磁场无关.分数阶微积分阶次取决于楔形体尖端角度,一般不是整数,体现了分数阶微积分的过渡性质.

混场源电磁法仪器研制进展

混场源电磁法综合了 MT 和 CSAMT 方法的特点，以天然和人工电磁场相结合为场源，探测介质的电阻率，信号频带为0.01 Hz～100 kHz，探测深度从几 m 到1000 m，主要用于地下水、环境、矿产、工程等探测．本文介绍电磁波发射机、接收机、宽频带磁传感器的研制进展与关键技术．讨论了需要解决的问题．野外实验结果验证了仪器原理样机技术方案的可行性．

基于伪随机系统辨识的电磁法仪器标定

针对电磁法仪器标定需求,提出基于伪随机互相关辨识的标定方法。论述逆重复m伪随机编码序列的产生方法,从自相关函数出发,推导逆重复m序列的频谱解析式。分析互相关法系统辨识进行仪器标定的原理,给出以逆重复m序列为标定信号源时仪器和磁场传感器的标定方程,并讨论逆重复m序列的参数选取原则。最后,采用相关辨识分别对测量通道和感应式磁场传感器进行标定测试。实测结果表明,标定结果幅度误差小于0.2%,相位误差小于0.5°;标定频率分辨率为0.244 Hz,与传统的方波标定相比效率提高了75倍。该标定方法准确快速,频率分辨率高,可广泛应用于电子仪器标定。