基于弦变换提取几何特征的方法

本文对弦变换、弦空间特征的描述进行了详细研究,通过实验实现了几何形状特征提取的具体实现方法,并验证了特征的鲁棒性.此特征不但具有二维的平移、旋转和尺度不变性,同时对由仿射变换引起的形变也具有一定容忍度.另外,利用特定几何形状的弦空间特征对边缘图像做近似滤波的反弦变换后,可以保留与特定形状相似或相同的目标边缘,而忽略其它不感兴趣的边缘.最后实验结果表明,用此特征进行几何形状的相似性匹配是有效的,并且这种方法简单易懂,容易实现,可以用于目标识别、跟踪等许多方面.     

基于能级遗传优化的超声回波参数估计及应用

超声回波的参数矢量含有被测目标丰富的信息,如反射体的几何形状、大小、方位以及传输通道的系统特性信息,因此准确的估计回波模式对于确定目标和传输通道的特性是十分必要的。针对以往参数估计都是基于盲信息搜索的,没有充分利用超声回波的先验知识,计算量大,优化容易陷入局部极小点。针对上述问题,提出一种基于初始参数信息的能级遗传算法来实现超声回波参数的估计,最后应用到应力检测,结果是令人满意的。     

闭式蛙人目标强度预报及试验

闭式蛙人穿戴潜水服、眼镜、头盔和脚蹼，同时携带水下闭路呼吸器等在水下工作。本文通过理论建模和试验，研究水下闭式蛙人回声特性。将非刚性表面高频条件下目标回声特性预报的板块元方法算法进行局部修正，以适应考虑遮挡情况下不同属性材料组合目标回声特性预报计算。建立闭式蛙人潜水装备的分层介质反射系数模型，结合其几何外形的三维精确建模，计算闭式蛙人回声特性。给出了游泳姿态的0°～360°目标强度、回波时域角度谱、蛙人表面亮点分布等细致的计算图像。开展了真实闭式蛙人的湖上试验，理论计算与试验测量进行了对比分析。研究表明，气瓶、潜水服是主要的回波贡献，闭式蛙人目标强度概率分布区间在频率为50、70 kHz时为-20～-13 dB，在频率为80 kHz时为-23～-17 dB。     

宽带声学多普勒流速剖面仪球面散射回波模型研究

宽带声学多普勒流速剖面仪通过处理水下体积回波信号进行流速估计,回波模型的准确度决定了理论仿真的正确性。针对回波的散射特性,通过分析水层回波信号的时空关系,提出一种球面散射水层回波模型,并利用坐标旋转方法推导出该水层回波解析式。相比其他方法,该模型解析式充分体现了散射体模型形状对回波的作用,更加接近实际情况。对该模型下回波信号进行频谱和自相关特性分析,采用复相关算法估算流速。通过与实测数据进行对比,结果证明了该回波信号模型与解析式的正确性。     

薄壳目标的多基地声散射特性研究

文章对水中薄壳目标的多基地声散射特性进行了理论仿真与试验测量研究。首先采用有限元耦合边界元和基尔霍夫(Kirchhoff)近似积分两种不同的数值计算方法对内部充气球冠圆柱壳的多基地声散射特性进行建模仿真,然后通过目标在消声水池的散射声场试验测量验证仿真结果的有效性。采用相同的数值计算方法对Benchmark模型的多基地散射声场进行仿真计算,分析多基地(全向)声散射特性及散射机理。结果表明,水中目标多基地散射的回波强度与回波结构与多基地分置角相关,且回波亮点的主瓣宽度也随多基地分置角变化而变化;Benchmark模型的艇体和指挥舱之间存在强烈的干涉作用,使多基地(全向)散射声场的竖状条纹发生倾斜。研究为水下目标的多基地探测提供理论支持。     

风力机叶片三维设计与混合参数化建模方法研究

为实现风力机叶片的三维参数化设计与建模,建立了包含风力机翼型轮廓线以及弦长分布和扭角分布的混合参数化数学模型。用综合翼型泛函集成理论与Bezier曲线拟合的混合建模方法,以拟合标准偏差最小为目标,对风力机翼型形状函数参数的最优值进行迭代求解,同时对弦长分布和扭角分布进行修正和参数化表达,从而获得了更加光顺的风力机叶片外形。以设计1.2kW小型风力机叶片为例,根据叶片不同部位的工况要求采用3种风力机专用翼型,基于叶素风能利用系数最大化方法获得了风力机几何参数,并用58个参数对风力机叶片进行了参数化建模。研究表明,混合建模方法在满足几何精度要求的前提下可以用较少的参数完成风力机叶片的参数化表达。     

基于等几何边界元法的声屏障结构形状优化分析

对声屏障结构进行优化设计是提高其降噪性能的有效解决方案,并具有重要实际意义。已有工作集中于对简单结构进行局部优化或对简单的整体结构进行尺寸优化,由于采用传统几何插值方法描述结构形状,难以灵活地控制形状变化,并需进行网格重构,限制了对声屏障整体结构的优化设计。采用等几何分析方法,实现几何模型与分析模型的同一表达,以非均匀有理B样条(NURBS)建模的控制点坐标为设计变量,以声影区参考点声压幅值在一定频带上的均值为目标函数,满足多约束条件下的目标函数最小为设计目标,建立基于等几何分析(IGA)和边界元法的结构声学优化数学模型,并采用移动近似算法(MMA)进行二维声屏障结构形状优化分析,算例证明该方法有效提高优化设计的灵活性。     

双腔室空气弹簧橡胶膜片刚度的研究

针对双腔室空气弹簧缺少精确的橡胶膜片理论模型的问题,提出一种橡胶膜片刚度模型的理论建模方法。该方法将橡胶膜片依据几何形状特征划分成多个部分,把不规则橡胶膜片的整体建模转化成多个规则形状建模的问题;利用复合材料力学理论得到每个部分的各向异性材料的弹性模量和刚度,最后基于橡胶膜片各部分的刚度关系推导出膜片整体刚度模型。在搭建的试验平台上对所提理论模型进行验证;结果表明,所提建模方法得到的模型与试验结果高度吻合,为双腔室空气弹簧的正向设计提供了理论依据。     

浅海目标回声测试及目标响应求解研究

使用液-固耦合振动模型对目标回声产生机理建模,推导耦合振动公式,得出单激励和多激励源下的目标回波表达式。从新的角度分析目标回波产生机制,并使用随机过程中的ARX模型构建目标模型。对于浅海环境中回波测试,使用多输入单输出ARX模型构建,最终分别求解出目标的直达入射波和在直达入射波作用下的直达回波,有效消除了多途信道的影响,获得了等效自由场中的测量结果。最后,通过水池实验验证了算法的有效性。     

形状误差目标函数单谷性的分析与研究

本文在分析形状误差评定几何模型的基础上,建立了形状误差包容评定的目标函数.应用凸规划理论对目标函数进行单谷性分析,证明了所建立的目标函数是连续的、不可微的单谷函数,从而表明目标函数的全局极小值是唯一的,为利用最优化原理对形状误差目标函数的极值优化求解提供理论依据,确保了评定数学模型和算法的正确性和可行性.     

Plant acoustic density profile model of CTFM ultrasonic sensing

Many applications require the sensing of plants. When an ultrasonic sensor insonifies a plant, the resultant echo is the superposition of the echoes from the leaves. As a result, the echo contains information about the geometric structure of the foliage. In this paper, we present a model of sensing that facilitates the extraction of geometric features from the echo for plant classification, recognition and discrimination. We model the echo from a CTFM ultrasonic sensor with the acoustic density profile model. Then, we identify a set of features that represent plant geometric characteristics and use these to perform an inverse transform from echo features to plant geometry     

CFRP复杂几何结构区相控阵超声检测建模与声传播规律

为厘清碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)复杂几何构件相控阵超声检测中声传播规律,围绕CFRP材料R区开展了弹性特性表征、有限元建模、声场计算及实验验证工作。基于超声液浸背反射法和模拟退火算法求解了CFRP单向板刚度矩阵反问题,并借助Bond变换实现了R区弹性特性的定量描述。结合微观组织分析等获取材料、几何特征,建立了虑及曲面形状、叠层、弹性各向异性的R区相控阵超声检测有限元模型,计算了R区相控阵超声检测A、B扫描信号,发现存在结构噪声和缺陷伪像。在此基础上研究CFRP材料R区瞬态声场并与CFRP平板、弹性各向同性R区和0°单向板R区情况对比,阐明了结构噪声和缺陷伪像的形成机制:弹性各向异性叠层结构导致倾斜入射的超声波发生反射和折射,与沿肋板传播的快速波混叠在R区形成结构噪声,同时多向板R区两侧肋板反射导致缺陷伪像,即材料弹性各向异性与构件曲面叠层结构耦合共同影响缺陷的精准辨识。      

目标回声亮点分析方法

以回声亮点数据为基础,论述了目标回声亮点的方位-距离表示方法、多波束亮点标量表示、矢量表示方法、目标回声亮点历程与多波束相结合的分析方法,并联合亮点分布特性估算了目标尺度特性。该回声亮点分析方法对于分析声纳目标的固定亮点、移动亮点、双亮点特征、以及目标的方位走势和目标尺度估计等有重要意义。尤其在提高鱼雷智能自导精度、目标的辨识等方面有着重要的工程实用价值。     

水下目标回波的块信号稀疏分解方法

基于匹配追踪的稀疏分解方法原理简单,在工程实际中应用广泛,但其计算量大,重构精度也不够理想。针对此问题,利用水下目标回波信号的块稀疏特性,提出了水下目标回波的块信号稀疏分解方法。首先基于水下目标回波和块稀疏信号的基本理论,结合回波信号仿真结果,分析了水下目标回波信号的块稀疏特性;然后,充分考虑回波信号本身的稀疏结构,利用信号分块和原子分块的思想,针对水下目标回波提出了块信号的稀疏分解和块匹配追踪重构算法,并从理论上对其计算复杂度进行了分析;最后,采用仿真实验的方式,与传统方法进行对比。结果表明,该方法大大减少了计算量,提高了重构精度。     

Model-based estimation of ultrasonic echoes. Part I: analysis and algorithms

The patterns of ultrasonic backscattered echoes represent valuable information pertaining to the geometric shape, size, and orientation of the reflectors as well as the microstructure of the propagation path. Accurate estimation of the ultrasonic echo pattern is essential in determining the object/propagation path properties. In this study, we model ultrasonic backscattered echoes in terms of superimposed Gaussian echoes corrupted by noise. Each Gaussian echo in the model is a nonlinear function of a set of parameters: echo bandwidth, arrival time, center frequency, amplitude, and phase. These parameters are sensitive to the echo shape and can be linked to the physical properties of reflectors and frequency characteristics of the propagation path. We address the estimation of these parameters using the maximum likelihood estimation (MLE) principle, assuming that all of the parameters describing the shape of the echo are unknown but deterministic. In cases for which noise is characterized as white Gaussian, the MLE problem simplifies to a least squares (LS) estimation problem. The iterative LS optimization algorithms when applied to superimposed echoes suffer from the problem of convergence and exponential growth in computation as the number of echoes increases. In this investigation, we have developed expectation maximization (EM)-based algorithms to estimate ultrasonic signals in terms of Gaussian echoes. The EM algorithms translate the complicated superimposed echoes estimation into isolated echo estimations, providing computational versatility. The algorithm outperforms the LS methods in terms of independence to the initial guess and convergence to the optimal solution, and it resolves closely spaced overlapping echoes     

基于回波信号相似度的气体超声流量计动态阈值法研究

基于双阈值法的气体超声流量计采用第1阈值检测和过零检测确定回波的到达时刻点,然而由于回波波形易受工况环境因素的影响,会导致第1阈值错误,使回波到达时刻点发生错误偏移,影响测量精度,因此提出了一种基于回波信号相似度的动态阈值法.该方法获取回波信号极大值幅值后,计算设定工况和实际工况下回波信号上升区域部分的欧式距离以评估相...     

基于超声相控技术的船舶吃水测量方法

为了解决内河船舶因超吃水引起的通航阻塞以及船舶安全问题,提出一种基于超声相控技术的船舶吃水测量方法。以超声相控技术为理论基础,通过控制一维线型超声相控阵列换能器发射聚焦声波,实现对目标船舶的相控扫描,获取各扫描点的回波信号;利用匹配滤波算法对回波信号进行滤波,改善信噪比;利用阈值法提取回波信号的时延;利用渡越时间法,计算出扫描点到各发射振元中心的距离,利用双曲交汇法计算出扫描点的空间坐标;分析回波信号幅值和扫描点位置坐标即可得到船舶吃水深度。为验证方法的可靠性,搭建了小比尺船模吃水测量实验系统,分析了110~140 mm不同吃水深度下的实验结果,计算了实际吃水与测量吃水间的相对误差。实验结果表明,使用匹配滤波法处理后的回波信号信噪比从15.26 dB提高至36.39 dB,实验时,最大相对误差出现在船舶实际吃水130 mm时,绝对误差为2.3 mm,相对误差为1.7%。     

压缩感知在医学超声成像中的仿真应用研究

为了解决医学超声成像系统中面临的采样率高,数据量大的问题,提出将压缩感知理论方法用于医学超声成像。首先建立了超声信号在时域的稀疏表达模型,然后利用模拟信息转换器对信号进行稀疏采样,最后使用最优化方法完成回波信号重建,利用合成发射孔径方式完成最终超声成像。为了验证算法的有效性,利用Field II对点目标以及复杂组织目标进行了仿真实验,在均方误差、分辨率、对比度以及成像质量上与常规成像结果对比分析。结果表明,采用1/2奈奎斯特采样频率,以30%原始数据所完成的成像仍然可保证良好的图像质量。采用压缩感知理论可以大幅度降低医学超声系统的采样率及总数据量。     

改进的快速跟踪回声状态网络及PM2.5预测

针对递归最小二乘回声状态网络在噪声环境中预测精度不高的问题,提出了一种改进的快速跟踪回声状态网络。首先在递归最小二乘回声状态网络结构的基础上,将自适应调节的可变遗忘因子加入其代价函数中,用改进的递归最小二乘法对网络输出权值进行训练,得到快速跟踪回声状态网络;然后利用经典Lorenz混沌系统验证快速跟踪回声状态网络的有效性;最后利用灰关联法分析各相关变量与PM2.5的关联度,建立PM2.5浓度值辅助变量集合,将辅助变量集合输入到快速跟踪回声状态网络进行PM2.5浓度值预测。实验表明,与传统回声状态网络、递归最小二乘回声状态网络预测效果相比,快速跟踪回声状态网络的预测方法精度佳,抗噪声能力强。