基于二维光学相干层析的多层薄膜结构无损定量评价

为了实现对多层薄膜结构厚度进行快速准确的测量和无损定量评价,研制了二维光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)系统,避免了传统一维OCT系统逐点扫描导致成像效率低下的问题。阐述了去除OCT共轭镜像理论,采用了五步相移干涉法,具体由压电驱动器驱动参考镜实现,做到了对OCT共轭镜像的去除,避免出现OCT图像的混叠。所研制的OCT系统具有极高的系统分辨率和较好的信噪比,可以实现对手机钢化玻璃薄膜内部四层结构厚度(钢化玻璃、静电胶层1、防爆贴膜和静电胶层2)进行准确测量。实验结果表明:自研制的系统可快速高精度地对多层薄膜结构厚度进行测量,可以推荐使用在多层薄膜的无损定量评价中。

基于金属阵列等离子体共振增强的太赫兹光电导天线设计

针对传统太赫兹光电导天线输出功率较低的问题,设计了一种基于金属阵列等离子体共振增强的太赫兹光电导天线,以提高太赫兹光电导天线的输出功率。通过对电磁波和半导体的物理场进行了理论分析,并建立了太赫兹光电导天线模型,利用COMSOL多物理场有限元软件进行了仿真实验研究。仿真计算了金属阵列等离子体共振增强结构不同周期宽度与高度下半导体基底对800 nm激光的光吸收量,得到了一种优化的金属阵列等离子体共振增强结构,然后计算该结构的太赫兹光电导天线的光电流,同时仿真计算了传统太赫兹光电导天线的光电流。研究结果表明:设计得到的金属阵列等离子体共振增强太赫兹光电导天线比传统太赫兹光电导天线光电流增强了约20倍,为等离子体共振增强的太赫兹光电导天线提供了依据。

基于图像压缩传感的自动式光学单点成像系统

基于图像压缩传感理论,在手动式光学单点成像系统的基础上研究了自动式光学单点成像系统。主要介绍了系统中自动编码转盘的设计以及编码块的获取,采用一系列优化的编码块图案作为测量矩阵,并利用最小均方差线性估计(MMSE)重构算法进行实验。实验研究表明,通过7.8%低采样率即可实现对字符样本的重构。该自动编码转盘系统自动化程度较高,误差较小,而且可随意改变测量次数。

轴承圆锥滚子外观缺陷检测研究

针对目前基于目视法的轴承滚子表面缺陷检测效率低且容易受人为因素影响的问题,基于光学单缝衍射原理搭建圆锥滚子外观缺陷检测系统。利用CMOS摄像头采集轴承滚子表面的衍射条纹图像,与无缺陷衍射条纹图像进行了差分运算,实现了对由于圆锥滚子表面存在缺陷引起衍射条纹局部弯曲导致图像变化的检测。采用形态学运算有效去除噪点并增强衍射条纹,达到了改善图像质量的目的,便于实现对轴承滚子表面缺陷有效检测和识别。利用了旋转圆柱体的摩擦力带动圆锥滚子的转动,实现了圆锥滚子锥面所有区域的缺陷。研究结果表明,基于单缝衍射原理的检测系统为轴承外观缺陷检测提供了一种高效、可靠、实时性好的工具,可推荐应用于轴承工业中圆锥滚子外观缺陷的在线检测。

基于光电容积脉搏波的血压测量实验研究

针对电子血压计不能实现血压的无创连续测量的问题,提出了一种基于光电容积传感技术和平稳小波算法的无创血压测量方法。利用搭建的光电容积脉搏波采集系统采集人体指尖的脉搏波信号,并进行了分析。通过SWT对脉搏波信号进行了分解,重构了第5层高频信号,提取了该重构信号的10个特征参数作为ANN的矢量输入,脉搏波对应的收缩压和舒张压作为ANN的矢量输出进行了训练拟合。实验总共分析了不同人群的10 700个脉搏波信号,利用其中的10 000个信号建立了特征参数与血压的模型,通过剩余的700个信号对建立的模型进行了测试,并且将测试误差与美国医疗器械促进协会(AAMI)规定的标准进行了比较。实验结果表明:通过该方法可实现血压的无创连续测量,为智能穿戴等健康监护设备中进行血压的实时监测提供一定的参考价值。

基于平稳小波变换的时域光学相干层析系统

以平衡检测原理为基础,利用中心波长为700nm的宽带低相干白光光源,在自由空间中搭建了分辨率为0.93μm的基于平稳小波变换(SWT)的时域光学相干层析(TDOCT)系统,并将其应用于塑料薄片与透明胶纸多层薄膜结构的无损评价。针对现有算法重构效果不够理想的问题,通过对OCT成像过程中的图像增强手段的对比,提出利用SWT分解算法处理多层薄膜结构的光学相干层析二维图像。由薄膜检测的实验结果可知,从SWT细节系数中可以提取更显著的多层薄膜界面干涉信号,从而提高多层薄膜界面的增强效果。

结构模态分析的二维频域光学相干振动层析方法

二维频域光学振动层析(2D-OCVT)以低相干光干涉为原理,以高速COMS相机为检测器,通过分析振动结构表面反射光与系统参考光的干涉信号,可获取振动结构的位移信息,经频谱校正后可得到纳米级超高分辨率的振动位移精度。2D-OCVT系统可以实现线域振动测试,一次采集可同时获取线上多点的位移信息,并且可以利用output-only模态识别方法的优点,无需知道激振输入信号的信息就可以对梁结构进行实时模态分析。因为可以多点同时非接触测量,所以不用多个传感器(比如加速度传感器)或者移动单个传感器来获取梁结构上多点振动信息。实验结果表明,自搭建的2D-OCVT可以实现对0-1000Hz振动信号的精确检测,可满足工程结构高低频检测的需要,为工程结构振动模态分析提供了新工具。

基于Matlab/ActiveX控件的光学相干层析成像系统开发

为了推进光学相干层析系统的研究,采用Matlab/ActiveX控件开发了时域光学相干层析成像系统,实现了被测样品深度方向按预定的时序和参数(比如速度和位移等)进行扫描;利用计算机驱动NI数据采集卡同步采集样品干涉信号;采用平稳小波变换去噪模块等信号处理方法对所采集的数据进行了分析处理,并对系统采集到的干涉图形求取了半峰全宽和系统的分辨率;将采集到的数据矩阵进行重构成像显示,实现了对材料内部结构的精确检测。研究结果表明,该光学相干层析系统软件集成化高、界面友好、维护及升级方便,便于光学相干层析系统的研究和开发,能够实现对多层薄膜的无损检测和评价。

基于二维频域光学振动相干层析的悬臂梁模态频率质量称量方法

该研究提出了基于二维频域光学振动层析(2D-FOCVT)获得悬臂梁模态频率从而实现对质量的高精度检测。在带集中质量悬臂梁固有频率计算理论和方法的基础上,对不同质量(系数)下悬臂梁前三阶频率(系数)与集中质量(系数)关系做了分析,比较了前三阶频率对集中质量变化的敏感性。利用自研发的2D-FOCVT系统实验测试了悬臂梁结构在附加集中质量下的一阶频率,对悬臂梁集中质量—一阶频率关系做了拟合,由此提出了应用一阶频率对质量变化的敏感性实现质量的检测方法。实验结果表明,自搭建的2D-FOCVT能提供纳米量级的振动位移精度,同时创新性地将2D-FOCVT结合模态分析进行附加质量块的质量称量,拓展了2D-FOCVT的应用。

基于区域生长法的自适应图像分割的网眼织物瑕疵检测

为了解决网眼织物在织造过程中的实时检测问题,提出了一种基于频域滤波和区域生长法的瑕疵区域自适应分割方法。通过分析傅里叶变换后的功率谱获得网眼织物纱线分布特征后,通过设计滤波器自动滤除了与织物纹理背景相关的频率成分以削弱织物自身纱线分布结构对瑕疵检测精度的干扰。利用滤波后图像的灰度分布特点自适应地求取了分割参数,并使用区域生长法实现了对瑕疵区域的自动分割。利用对获得的二值图像进行形态学运算,得到了最终的瑕疵区域分割图像。实验结果表明,该算法能较准确地对瑕疵进行定位,瑕疵区域分割精度较高,自适应性和抗干扰能力较强,可以满足工业检测的要求。

基于自适应滤波的超声TOFD的近表面缺陷检测

为了解决超声衍射时差法图像近表面盲区直通波与缺陷信号混叠的问题,提出了一种基于自适应滤波的近表面缺陷信号处理方法。采用Comsol软件建立了TOFD近表面缺陷的二维有限元模型,根据超声波传播过程及A扫描信号分析了近表面盲区产生的原因;通过RLS自适应滤波算法分别对距离上表面3 mm和10 mm的仿真信号进行了处理,有效分离出了一维混叠信号中的缺陷信号,经过数值计算得到了误差较小的缺陷长度信息;利用自适应滤波技术对TOFD图像进行了处理,完整地将隐藏在直通波下的缺陷信号提取了出来。研究结果表明:RLS自适应滤波能够有效解决近表面盲区问题,提取混叠在直通波下的近表面缺陷信号。

基于单类支持向量机的织物瑕疵检测研究

为了实现在工业环境下的织物瑕疵在线检测,提出了一种基于单类支持向量机(OCSVM)的织物异常纹理检测方法。通过利用CCD采集织物图像,滤除图像噪声后提取了图像小区域窗口子图像特征;通过实验寻找了两组有效的特征向量,对特征值进行了归一化和主成份分析降维后导入支持向量机分类器中进行了训练,利用单类SVM对异常区域进行了定位和标记。通过对分别利用两组特征向量识别出的图像结果进行组合得到了最后的瑕疵区域。实验结果表明,该算法能够正确地对多种瑕疵进行识别,并能较大程度降低误检率和漏检率;同时,能够有效解决生产实际中瑕疵训练样本难以获取的问题,对未知的待测样本有较好的推广性,可以适应工业检测的要求。

奥氏体不锈钢焊缝裂纹的超声红外热像检测

基于ANSYS有限元软件模拟了焊缝裂纹在超声激励作用下的升温现象,定性分析了超声激励幅值、频率、方向和焊缝余高4个参数对裂纹升温的影响。此外,通过对比有限元模拟下的超声红外热像法的检测结果与渗透检测结果,验证了超声红外检测焊缝裂纹的可行性,并通过试验验证了有限元分析的准确性。研究表明,超声红外热像法在奥氏体不锈钢焊缝裂纹无损检测方面具有潜在的应用价值。

基于Hessian矩阵的手指静脉图像分割

针对灰度不均匀、对比度低、边缘信息较弱的图像中的手指静脉纹路提取问题,提出了一种基于Hessian矩阵的手指静脉图像分割方法。该方法首先将高斯滤波器的二阶导数与原图像卷积得到了各像素点的Hessian矩阵,通过Hessian矩阵的迹初次滤除了非静脉区的像素点,接着求出了余下像素点Hessian矩阵的特征值,利用静脉区特征值所要满足的条件二次滤除非静脉区像素点,最后选取了多尺度下静脉区各像素点的最大特征值作为输出特征值,将区间内所有尺度下的特征值图进行了融合,经过二值化处理、形态学滤波处理得到了手指静脉纹路。研究结果表明,该算法能够较完整地提取宽度不一的手指静脉纹路,将静脉区域和非静脉区域分开,伪静脉像素点较少;同时,不需要遍历所有像素点的Hessian矩阵求其特征值,手指静脉图像分割速度比未优化静脉纹路提取算法快了0.036 5 s。

血压测量的EEMD和ANN的方法研究

血压是衡量人体心血管系统功能的一个重要指标。该文针对电子血压计不能实现血压的无创连续测量等问题,提出一种基于EEMD和ANN算法的无创血压测量方法。实验分析了MIMIC数据库中的19 500个脉搏波信号,通过EEMD对脉搏波进行分解,提取第4层分解信号的10个特征参数作为ANN的输入,脉搏波对应的血压作为ANN的输出进行血压模型的训练,并对模型进行误差分析。实验结果表明,模型的测试误差达到美国医疗器械促进协会(AAMI)制定的标准,通过该方法可实现血压的无创连续测量。

基于SWT和ANN的无创连续血压测量方法研究

本文针对电子血压计不能实现血压的无创连续测量等问题,提出一种基于平稳小波变换(Stationary Wavelet Transform,SWT)算法和光电容积传感技术的无创血压测量方法。实验分析了模拟数据库中的26900个脉搏波信号,通过SWT对光电容积脉搏波进行分解,重构第5层高频系数,提取该重构信号的10个特征参数作为神经网络(Artificial Neural Networks,ANN)的矢量输入,脉搏波对应的血压作为ANN的输出进行血压模型的训练,并对模型进行误差分析。实验结果表明,模型的测试误差达到美国医疗器械促进协会制定的标准,通过该方法可实现血压的无创连续测量。

基于单尺度Retinex的可控手指静脉图像拼接算法

本文针对小型化图像采集模块所采集的两幅同源且具有重叠部分的手指静脉图像,提出一种基于单尺度Retinex的可控手指静脉图像拼接算法。通过改进的单尺度Retinex算法对手指静脉图像进行增强,采用SIFT算法提取增强后的两幅手指静脉图像特征点,使用欧式距离作为相似性度量工具对特征点进行粗匹配,用RANSAC算法估算图像间的单应矩阵,同时结合本文的透视变换图像轮廓顶点的约束条件控制图像拼接结果,最后采用像素加权平均融合算法实现手指静脉图像的无缝拼接。实验结果表明,该图像拼接算法拼接可控,视觉效果良好,适用于手指静脉图像拼接。

聚乙烯管道电熔接头的超声相控阵成像及缺陷特征

为了提高基于超声相控阵的聚乙烯管道电熔接头的图像特征识别和自动缺陷检测效率,提出采用K均值聚类算法和数学形态学相结合的图像处理方法,实现了对超声相控阵检测图像的处理.K均值聚类算法可以有效地实现图像的整体分割,数学形态学处理能够平滑图像边缘,得到相对完整独立的缺陷成像区域.结果表明,所提出的方法不需要训练样本,只需根据数据本身的属性进行自我训练,可靠性较高.K均值聚类算法和数学形态学相结合能较完整地将多种缺陷信息从图像中分离出来,为聚乙烯管道电熔接头缺陷的自动评价提供了新方法,具有较好推广价值.

基于改进自适应遗传算法和二维最大熵的超声红外热像缺陷识别

根据超声红外热像检测图像的特点,为实现图像中缺陷的识别,提出了一种结合改进的自适应遗传算法和二维最大熵的分割方法,以实现准确、快速地分割出目标缺陷区域。该方法首先对超声红外图像进行预处理,得到了去噪后的图像,然后通过二维最大熵算法选取阈值将图像分为目标区域和背景区域,并结合改进的自适应遗传算法,提高分割速度。实验结果表明,该方法可以有效地滤除图像噪声,相比于穷举法和基于简单遗传算法的二维最大熵分割,本算法具有较好的分割速度和分割精度。

离岸风机导管架式基座的动态响应研究

为了保证风力发电机组的安全运行,针对离岸风机导管架式基座在服役过程中受到恶劣海洋环境的影响易产生损伤的问题,提出了一种通过单点响应测量以监测离岸风机导管架式基座健康状态的方法。基于线性莫里森方程和随机波浪理论,建立了随机波浪栽荷模型,并通过耿贝尔(Gumbel)概率分布来预测极值波浪载荷的波高。以5 MW离岸风力发电机基座为算例,建立了完好的和损伤的离岸风力发电机基座的有限元模型,计算了离岸风机基座在极值随机波浪载荷作用下的动态响应。通过对动态响应信号的频域分析,获得了风机基座前3阶的固有频率,对完好和损伤两种状态下的离岸风机基座的动态响应的频率变化作了对比分析,得出了损伤对动态响应的影响规律。研究结果表明,通过该方法可以对基座健康状况进行分析,为离岸风机基座健康监测提供了一种可行的参考方案。