基于GPU的超声弹性成像并行实现研究

为了提高超声弹性成像计算速度,提出使用GPU硬件加速基于互相关技术和相位零估计的弹性成像技术。先描述这两种弹性成像技术的实现细节及特点,然后分析这两种技术的计算密集操作部分的并行化计算可能性,最后通过GPU程序开发工具ArrayFire实现了基于GPU的互相关和相位零估计的超声弹性成像技术。通过模拟和扫描仿真人体组织的弹性成像体模获得的压缩前后数据帧对基于GPU的超声弹性成像方法进行测试与验证。实验结果表明,基于GPU的方法可以大幅提高弹性图计算速度,在处理单帧弹性图条件下,与基于互相关方法比较,加速比达到42,而基于相位零估计的方法在提高数据吞吐量的情况下加速比可达到65。     

拖曳线列阵水动力学建模及稳态偏航特性研究

通过建立拖曳系统的三维动力学数学模型和海流数学模型,根据缆阵受力情况,推导出缆阵动力学运动方程,分析了已知的均匀海流和不均匀海流对拖缆-线阵偏航的影响：海流均匀时,拖曳速度、海流速度大小和方向决定了偏航角;海流非均匀时,偏航角的求解相对复杂,与海流速度、方向、拖速和线阵末端深度以及拖曳系统参数均有关,这对拖线阵的使用有较大的工程意义。     

基于行灰度投影相关的快速角度矢量估计算法

针对现存电子稳像算法估计图像旋转角度矢量的不足,提出了一种基于行灰度投影相关的快速图像旋转角度矢量估计算法。通过在当前帧图像中心位置选取灰度投影区域和参考帧图像相应区域作行灰度投影相关计算,估算出当前帧图像相对于参考帧图像的角度运动矢量。论述了灰度投影区域选取原则;分析了行、列灰度投影相关曲线的差异,得出行灰度投影相关曲线具有单峰性的结论;阐述了快速搜索算法的原理及其在本算法中的应用。实验表明,算法实现了对旋转图像序列角度运动矢量的快速估计（在PⅣ2.67GHZ,内存512M的PC机上,估算速度为37.7ms）,可对任意角度的角度矢量进行高精度的估计。     

偏流角误差对TDI CCD相机成像的影响与仿真

本文分析了TDI CCD相机的偏流角调整过程和偏流角误差匹配的影响因素,依据偏流角误差导致的姿态稳定度偏差对相机成像质量的影响,建立推扫相机像点与物点一一对应的数学模型,根据TDI CCD成像时超出对应像素的横向与纵向偏移量的累加计算,仿真卫星姿态稳定度改变时相机的成像;同时,利用单轴气浮转台和面阵CCD进行成像实验,将实验条件的像移速度与仿真条件的像移速度匹配,并对面阵CCD成像进行偏移量的累加,模拟推扫CCD成像,最后利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像与实验成像质量。仿真成像与实验成像在对比度和互相关相似性测度上相差为0．03左右,能较好满足地面卫星相机连调试验的图像仿真。     

孔径扩展的一种改进算法

针对扩展拖曳阵尺寸算法进行阵列扩展中存在的重叠阵元位置约束问题,提出了一种基于扩展拖曳阵尺寸算法的改进阵列扩展算法。该算法通过在测量间隔内增加快拍获取时域信息,再将重叠相关器提供的孔径域相位信息平均化处理,获得相位修正因子补偿拖线阵连续测量的相位差,实现孔径扩展。该方法能够在未知源的先验信息和连续测量中阵元的空间位置不重叠情况下实现孔径扩展。仿真和实验结果表明,该方法能有效扩展阵列孔径,准确估计信号到达角。针对较低信噪比信号,该方法能够获得比扩展拖曳阵尺寸算法更好的相位估计和方位分辨性能。     

互相关 DPIV 技术及其在氧化沟模型中的应用

重点研究二维DPIV技术的速度信息提取方法并进行算法实现。该技术基于灰度图像互相关法,在相邻时刻的序列图像中,灰度分布最相似的子窗口即是最佳匹配,粒子在像平面上的运动位移由两个子窗口中心距离确定。通过对互相关测度的优选既能兼顾粒子匹配成功率也能降低匹配算法的时间开销,通过优化算法的搜索空间极大地减少了互相关运算量。给出了标准图像仿真结果及其在氧化沟模型流速测试中的成功应用。实验结果表明,该算法适合于氧化沟模型流场及类似场合的测速。     

一种均匀线阵互耦校正算法

旋转不变子空间(Estimating Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)算法是空间谱估计中的典型算法,但是阵列互耦会严重影响ESPRIT算法的测向性能。将均匀线阵划分为冗余阵元和有效中心阵元,对有效中心阵元利用ESPRIT算法估计出校正源方位角,结合冗余阵元信息估计出互耦系数阵。计算机仿真显示该算法在互耦自由度为2或3时均有效,算法还从仿真角度研究了幅度和相位误差对算法性能的影响。该算法校正时只需单个未知方位校正源,是一种操作简单的均匀线阵互耦校正算法。     

空中红外小目标并行分割算法

为提高空中红外小目标检测速度,提出了一种基于灰值形态学序列图像膨胀累加、背景估计和自适应阈值分割的并行结构小目标分割算法。该算法对灰值膨胀运算后的相邻三帧图像进行累加以增强小目标能量;将灰值形态学开、闭运算的平均值作为背景估计图像;采用自适应阈值算法从二者相减的差图像中分割出可能目标;其中小目标能量增强和背景估计采用并行处理结构。基于VisualC 6.0编程进行了实验,结果表明,算法对连续三帧768像素×576像素红外视频采集图像的处理时间为3.73s,较常规串行分割算法快一倍以上。     

改进型相位相关法在药液图像配准中的应用

针对瓶装药液微小异物视觉检测系统中,由于平台和相机振动所导致的序列图像中瓶体出现不同程度的随机偏移问题,提出了一种基于改进型相位相关法的药液图像配准方法。首先,引入图像投影将原始相位相关配准算法分解为两个一维配准算法,显著提高算法实时性。其次,引入Hanning窗函数滤波,克服图像边缘"不连续性"对配准精度的影响。最后,针对原始相位相关配准算法只能达到像素级配准精度的缺点,引入峰值估计技术,将配准精度提高到亚像素级。实验结果表明,本文方法配准精度可达1/100像素级,并对于亮度变化、噪声干扰具有一定免疫性,能满足瓶装药液微小异物视觉检测系统的实际生产要求。     

采用匹配滤波和二次插值的方法改善DPCA的精度

1引言 相位中心偏置天线(DPCA)是雷达和声呐领域运动补偿研究的热点技术,主要用来修正平台速度的距离向分量,其基本思想是依靠重叠相位中心所对应回波的相位偏差而估计出相邻脉冲之间平台的运动信息[1,2].然而,在实际应用中,DPCA运动补偿方法存在几个主要问题,(1)它以阵列在一个脉冲重复间隔内的距离向运动较小为基础,但实际上存在着许多变化的因素,从而使得估计误差加大.(2)在进行互相关运算时,总是以前一个发射脉冲对应的回波接收位置为基准,而前一个位置也存在着估计误差,这种误差不可避免地会一直传递下去.     

基于小波融合的电容层析成像图像重建

提出了基于小波变换的电容层析成像重建图像融合方法。首先,使用共轭梯度最小二乘法算法及Landweber迭代算法分别进行图像重建;其次,将所得重建图像进行小波分解,其近似分量按加权平均的融合规则进行处理,细节分量按绝对值最大融合规则进行处理;最后,将融合之后的数据进行小波重构,获得新的重建图像。仿真及实验结果表明,融合后的重建图像精度有所提高、图像伪影明显减少。     

音频无人机定位的时延估计模拟分析

针对无人机非平稳音频信号时差定位中,广义互相关时延估计算法抗噪性差和时延估计值精度低等问题,文章采用了一种基于广义二次相关时延估计的改进算法。算法对叠加了实际噪声（如风声、雨声、汽车鸣笛声等）的无人机音频信号进行频谱细化的广义二次相关,有效抑制了噪声干扰,融合相关峰精确插值算法,提高了互相关函数的分辨率,使得时延峰值更加明显。仿真实验结果表明,改进的广义二次相关方法在不同信噪比时,比广义互相关和广义二次相关算法的时延估计精度更高,稳定性更好。改进的广义二次相关算法对无人机定位中的时延估计具有更好的性能优势,具有较强的实际应用性。     

广义互相关时延估计声定位算法研究

针对地面目标声定位因信噪比较低而定位精度差的现象,提出了基于广义互相关法的声定位系统,根据平面四元法目标定位计算式,研究了广义互相关算法在实际中的应用。环境噪声、军事目标声和民用目标声频谱范围大多集中,即出现目标声会与背景噪声高度重合的情况,发现一般加窗滤波法在降低噪声的同时亦会将目标声强度大大削弱,而广义互相关时延估计法是通过计算两路信号互相关函数的最大值而求得时延差,其精度高、稳定性好。通过计算机仿真得到在信噪比较低的情况下,加窗滤波因大大削弱目标声强度而造成定位精度较低,而利用广义互相关方法可得到较为精确的声定位坐标。     

Kalman滤波在电容层析成像图像重建中的应用

利用Kalman滤波算法进行电容层析成像图像重建,通过不断更新测量信息提高重建图像质量。在滤波初始,需要确定重建图像灰度及估计误差方差矩阵的初值。为研究不同初值组合对重建图像质量的影响,选择3流型进行了仿真实验,获得了最佳的初值组合,并在电容层析成像实验装置上进行了静态测试,实验结果表明,与Landweber算法相比,使用最佳初值组合的Kalman滤波算法可获得更为接近真实分布的重建图像。     

基于独立分量分析的管道异常振动事件定位方法

针对传统互相关时延估计法定位管道故障点的局限性,提出了基于独立分量分析(ICA)的互相关时延估计方法用于管道异常振动事件定位.利用ICA滤波后的管道沿线振动信号进行互相关运算,抑制了相关高斯噪声引起的时延估计误差,为管道安全监测系统提供了一种新的高精度时延估计方法.仿真结果和现场实验数据表明,该方法可以快速精确地定位管道周围异常事件的发生位置,改善了相关运算的时延估计性能,相对于传统互相关时延估计法,可进一步降低时延估计的平均误差和均方差,具有更高的定位精度和定位一致性.     

Image reconstruction algorithm based on the extended regularised total least squares method for electrical capacitance tomography

Electrical capacitance tomography (ECT) is a non-invasive imaging technology that aims at the visualisation of the cross-sectional permittivity distribution of a dielectric object based on the measured capacitance data. Successful applications of ECT depend greatly on the precision and speed of the image reconstruction algorithms. ECT image reconstruction is a typical ill-posed problem, and its solution is unstable, that is, the solution is sensitive to noises in the input data. Methods that ensure the stability of a solution while enhancing the quality of the reconstructed images should be used to obtain a meaningful reconstruction result. An image reconstruction algorithm based on the regularised total least squares (TLS) method that considers the errors in both the sensitivity field matrix and the capacitance data for ECT is presented. The regularised TLS method is extended using a combination robust estimation technique and an extended stabilising functional according to the ill-posed characteristics of ECT, which transforms the image reconstruction problem into an optimisation problem. In addition, the Newton algorithm is employed to solve the objective functional. Numerical simulations indicate that the algorithm is feasible and overcomes the numerical instability of ECT image reconstruction; for the cases of the reconstructed objects considered here, the spatial resolution of the reconstructed images obtained using the algorithm is enhanced; as a result, an efficient method for ECT image reconstruction is introduced.     

Measurement of microchannel flow with digital holographic microscopy by integrated nearest neighbor and cross-correlation particle pairing

A micro digital in-line holographic particle tracking velocimetry (micro-DHPTV) system has been developed and applied to investigate the three-dimensional flow field in straight and Y-junction microchannels. The micro-DHPTV system comprises a cooled frame-transfer CCD camera and a double-pulsed laser. The processing algorithm introduced to evaluate the three-dimensional velocity is based on the combination of integrated cross-correlation and nearest neighbor matching algorithms, taking advantage of information from both the reconstructed particle field and the original holograms fringes patterns. Tests on simulated pairs of holograms show that the particles can be detected, located, and paired with high probability and accuracy. Results obtained in the straight and Y-junction microchannels show that the superimposed vector field is physically reasonable.     

分布式传声器阵列的低频宽带信号方位估计

现有的预防道路交通安全事故、治理道路交通噪声污染等问题的解决方案是从视觉维度监控重点区域并通过声音维度确定事件触发类型与位置。为了实现公路异常声源的实时监测,提出了一种基于双尺度旋转不变信号参数估计旋转不变子空间技术(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)的低频宽带声源波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计算法,该算法适用于三个矩形子阵呈三角形分布的分布式阵列。算法利用该分布式阵列具有的子阵内相邻阵元间距、相邻子阵间距两种尺度对应的空间平移不变性分别进行方向余弦估计,并利用基于阵型分布的解模糊策略实现高精度方位估计。仿真结果验证了算法的有效性,表明了基于该算法的分布式阵列DOA估计精度优于相同阵元数与阵元间距的单个均匀矩形阵,分析了估计精度与分布基线长度的关系,体现了算法的实际工程应用价值。     

The effect of frequency dependent scattering and attenuation on the estimation of blood velocity using ultrasound

A comprehensive theoretical performance comparison of the wideband maximum-likelihood (WMLE) and cross-correlation strategies, previously proposed and evaluated for the estimation of blood velocity using ultrasound is presented. It is based on evaluation of the bias, local and global accuracy, and signal-to-noise ratio (SNR) performance. The results show that the intervening medium does not bias either wideband estimation, due to the effect of tracking the scattering target. The presence of intervening tissue actually improves the global accuracy of both wideband estimators, without a significant change in the local accuracy of either wideband estimator. After the transmission of P pulses, a comparison of the performance of the two strategies shows that the cross-correlation estimator requires P(2 ) correlations to achieve performance similar to that of the WMLE with P operations. In addition, the WMLE can increase the effective SNR in comparison with cross correlation.