摘要:

摘要:随着5G时代的到来，现有单模光纤通信网络的容量正逼近其香农极限，难以满足呈指数级增长的网络带宽需求。为突破现有技术瓶颈，基于空间维度拓展的空分复用技术应运而生。该技术通过利用多模光纤、少模光纤、多芯光纤甚至多芯少模光纤中的多个空间信道使单根光纤的传输容量实现数量级提升，同时凭借高空间利用率来有效降低光纤通信系统的尺寸和成本。除了在光纤通信领域作为扩容的新突破口，空分复用技术还为光纤传感领域提供了光纤多维感知的思路，同时在成像领域助力分辨率的提升和增强成像系统的柔性。然而，受工艺缺陷的影响，空分复用光纤和器件中各信道之间容易相互干扰并产生信道差异，导致模式串扰、芯间串扰及模式相关损耗等问题，使空分复用系统的性能提升面临严峻挑战。为确保空分复用光纤及器件的性能达到预期标准，研发高精度表征测试系统尤为重要。本研究系统地介绍了空分复用光纤及其核心器件的关键参数，重点评述了当前主流测试技术，包括多通道光时域反射技术、空间频谱解析技术、固定分析仪技术、相干光频域反射技术、波长扫描干涉技术以及离轴数字全息技术。不同的测试技术在可测对象、参数范围及应用场景上各有侧重。本研究首次系统地总结各项测试技术的优缺点和适用范围，为空分复用待测物的测试方案选择提供依据，并对空分复用测试技术未来的发展提出了展望。

摘要:微机电系统(micro electro mechanical systems, MEMS)气体传感器凭借其微型化、低功耗和可批量生产等核心优势，已成为满足“碳达峰、碳中和”国家战略，以及在环境监测、工业安全和医疗诊断等领域实现分布式、实时监测的关键组件。在化学型、物理型和光学型三大类MEMS气体传感器中，光学型传感器凭借其非接触、高选择性及抗电磁干扰等固有优势，在易燃易爆、强腐蚀性气体或痕量分析等特定应用场景中展现出不可替代的价值，是突破化学型和物理型传感器在选择性、响应时间和寿命方面固有局限的重要发展方向。故系统综述了主流MEMS气体传感器的传感原理与技术路线，重点聚焦光学型气体传感器在MEMS集成化进程中面临的核心技术瓶颈，具体体现在3个关键部件的微型化与协同集成，包括高效稳定的微型化光源、长有效光程的微型化气室以及高灵敏度低噪声的集成化探测器。基于详尽的文献调研，新材料的开发与应用、先进微纳制造与结构设计以及系统集成与智能算法融合是当前光学MEMS传感器集成困境的重要方向，并对光学MEMS气体传感器向多功能集成、智能化网络化发展的趋势进行了展望，旨在为相关领域的研究提供系统性参考，助力实现真正意义上的“芯片实验室”型智能传感系统。

摘要:柔性装配已成为弱刚性航空壁板柔顺装配技术的发展趋势。在此过程中，壁板定位目标与实时面形等关键形位参量的在线测量，是实现高保形、低应力的壁板柔顺装配的前提。然而，装配过程中测量空间狭小、近封闭，测量可达性不足，加之弱刚性壁板形状稳定性低，易发生随机变形，壁板面形直接测量的效率与精度难兼顾，致使上述关键形位参量的在线测量极具挑战。为此，提出了一种航空壁板柔性装配中关键形位参量计算测量方法，通过稀疏可测数据与物理解析模型融合，实现了壁板定位目标与实时面形等直接测量不可达形位参量的在线测量。首先，提出了模态叠加的壁板定位目标计算测量方法，结合结构模态振型与稀疏可测点位移，实时计算出定位工装全局位移，实现了壁板定位目标的在线测量；然后，提出了几何方程约束的壁板面形计算测量方法，以位移-应变关联为约束，结合离散应变测量，实现了壁板面形的在线测量；最后，为了验证所提方法的有效性及精度，搭建了飞机平尾壁板柔性装配缩比实验平台，开展了关键形位参量在线监测实验。结果表明，所提方法壁板定位目标在线测量误差<75.1 μm，壁板面形在线测量误差<18.11%，单次计算测量耗时分别<0.005和0.01 s，为航空壁板柔性装配提供了关键数据支撑，推动了柔性航空装配技术升级。

摘要:光声技术作为一种结合了光学和声学特性的无损检测方案，已在光谱分析、成像诊断以及材料检测等领域得到了广泛应用。双光梳系统凭借其宽光谱、高分辨率的特点，近年来在光声领域引起了研究人员的关注。现阶段相关研究多聚焦于吸收光谱检测，尤其以气体检测为主，针对固体的研究较为有限。为实现对固体材料的吸收光谱测量与形貌测量，提出了一种以双光梳为激励光源的光声测量方法。该方案采用2台重复频率可调谐的SESAM锁模掺镱光纤激光器作为种子源，利用光参量放大和倍频的非线性频率变换技术获得了775 nm波段的高相干性双光梳。选取纯度约99.99%的金属钨作为样本，以双光梳为激励光源，基于光声效应对其在775 nm波段的吸收光谱进行测量，并系统分析了激励光与光声信号在时域和频域的对应关系。在此基础上，利用三维平移台对直径为168.60 μm的钨球、直径为1 143.03 μm的钨丝的形貌特征进行测量，测量结果与实际尺寸的相对误差分别为11.44%和3.552%。该系统首次利用双光梳与光声效应实现了对固体样品的光声光谱测量与形貌测量，验证了双光梳系统在固体形貌测量方向的可行性，为固体材料与器件的无损检测提供了一种新的技术途径。

摘要:旋转激光扫描系统基于角度交会原理实现空间三维坐标测量，以其可多目标并行测量、量程可扩展的特点，在航空航天、高端船舶等大型装备制造领域得到了广泛的应用。由于现有仪器激光器安装空间受限制约了系统光源选择与优化，通过分析光路设计需求，设计了新型发射站主体光路结构，通过光纤传导将激光光路延长至发射站外部，利用镜组实现分光和生成扫描光面，配合转台以构建精密空间光场，避免了安装空间对激光器性能的限制，使得后续对光源进行优化设计时不再受到约束，在光信号层面有效减少系统性能受到的影响。由于新设计导光型发射站的结构特殊，结构误差会造成发射站运行过程中扫描激光面型瞬时变化，传统基于旋转光平面特征的参数模型不再适用，因此本文结合光路几何结构，通过对光轴偏心误差、光轴倾斜误差等误差进行分析，取消了传统模型将光平面初始空间方程作为内参的定义，重新定义了发射站内部参数，构建了适用于导光型发射站的多站组网定位模型和内外参标定模型。最后搭建了实验平台进行仿真和实验，结果表明：研究的测量模型有效且坐标测量精度优于0.7 mm，能够满足大型装备制造需求，为新型旋转激光扫描系统的性能提升和后续优化打下了坚实基础。

摘要:带冠涡轮叶片在热变形、气动载荷等作用下产生的轴向位移会导致电容传感器偏离标定位置，严重降低其篦齿叶顶间隙的测量精度。针对这一问题，提出了一种基于V型电容探头的叶顶间隙与轴向位移同步测量方法。首先，通过理论分析揭示了传统圆形芯极电容传感器因对称结构无法识别轴向位移方向的根本缺陷，并推导了轴向位移对叶顶间隙测量误差的非线性影响模型。在此基础上，设计了一种V型芯极电容探头，通过其传感信号的电压峰峰值（Vpp）与特征波形面积（Scw）参数分离轴向位移与叶顶间隙的耦合效应。其次，建立了Vpp和Scw与轴向位移、叶顶间隙的二元多项式映射模型，结合自适应滤波和三阶正弦拟合算法，实现了轴向位移和叶顶间隙的精确提取。最后，搭建了篦齿动态实验台，在轴向位移±1 mm、叶顶间隙0.5~1.5 mm范围完成了二维标定与验证实验。实验结果表明：叶顶间隙测量精度优于8 μm，较传统电容法提升96.8%；轴向位移测量精度为21.6 μm，且同步实现了位移方向辨识。此外，与传统圆形芯极探头对比实验显示，叶顶间隙测量误差由0.25 mm降至8 μm，验证了所提方法的有效性。该方法为轴向位移工况下的带冠叶片动态间隙监测提供了可靠解决方案，对航空发动机智能运维与主动间隙控制技术发展具有重要工程意义。

摘要:为探究临界或超临界压力条件下，先进发动机内喷雾流动、燃料基础燃烧反应特性等关键参数，研制了一套大口径TSCST试验台。该试验台主体由机械结构和配套气路组成，其创新设计包括：首先，设计了一种具有多扩散通道的新型卸载盘结构，有效调节了激波脉冲二次升压；其次，基于激波动力学理论，构建了具有特殊曲线轮廓的三维汇聚结构，显著提升了反射激波的强度；再次，设计了活塞式气溶胶雾化及进气系统，以实现对气相燃料、低饱和蒸气压、宽馏程、多组分真实液态燃料的进样控制；最后，为降低甚至消除壁面边界层效应，设计了内径为210 mm的大口径驱动段和被驱动段激波管结构，为国内外最大口径化学激波管之一。基于上述创新设计，搭建了两相流单脉冲汇聚激波管试验台，在双隔膜条件下开展了重复性试验，验证了该试验台的激波生成和强化能力。结果表明：该激波管的大口径设计可实现近乎理想的压力曲线，测试最长时间可达14.5 ms；汇聚结构显著提升了激波马赫数（强度），优于常规等径激波管的理论计算值；卸载盘结构有效抑制了二次反射激波，降低脉冲压力近1/4。综上所述，该新型激波管试验台在生成高强度激波、抑制二次反射激波、实现长时测量、低饱和蒸气压燃料基础燃烧特性表征等方面表现出色，为高压喷雾流动和基础燃烧反应动力学的研究提供了重要实验平台。

摘要:水声波矢方向估计是水声领域的一项关键任务,对于水下目标的识别、探测和跟踪等研究领域具有至关重要的意义。然而,在传统探测方法中,水听器阵列存在相位模糊和干扰声场等局限性;矢量水听器的角度分辨率和有效带宽受偶极子指向性和谐振频率的限制。针对传统探测方法存在于物理结构上的局限性,引入了激光传感声场信息的方法。激光在穿越受声场影响的介质时,不会对声场产生干扰,但激光的传播路径会发生偏转。即激光可以实现对声场的非侵入式传感,同时使得激光在代替传统探测设备中的敏感元件时不受谐振频率的限制。通过深入分析声光偏转原理,详细探讨了利用声光偏转感知声矢量方向的机制,基于此原理单层激光阵列在探测声场时可消除相位模糊的影响。在此基础上利用激光水声传感的非侵入性创新性地提出了双层激光阵列传感模型,该模型通过上下层激光的联合矫正计算进一步消除了声速参数对波矢方向估计的影响,并且显著提高了测量分辨率。实验结果显示,两种模型均有较高的角度分辨率，同时与单层激光阵列传感模型相比,双层激光阵列传感模型波矢方向角估计的分辨率从0.19°提高到了0.13°,性能提升31.6%。

摘要:丛林由于地形复杂、环境多变等特点已成为非对称作战和特种行动的关键区域，传统无线电通信在此环境下易受干扰、易被侦测，基于仿生伪装的声通信技术为丛林隐蔽通信提供了新思路，然而该技术在丛林复杂声学环境下面临通信有效性（通信速率、误码率）与隐蔽性之间相互制约的瓶颈问题。针对此问题提出了差分时延差编码、混沌序列帧长跳变以及多阵元虚拟时间反转镜（VTRM）信道均衡相结合的仿生伪装隐蔽通信方法。该方法利用多物种叫声协同组成通信脉冲序列，设计了基于同步码和信息码的伪装通信帧结构，利用绣眼鸟鸣声作为同步码并引入混沌编码机制，通过同步码和混沌序列驱动通信帧长动态随机跳变以提高信号伪装性和抗预测性，利用蟋蟀叫声作为信息码实现差分时延差编码和相关定时解码，结合多阵元虚拟时间反转镜技术，有效抑制丛林多径效应引发的信号失真。最后搭建了仿生伪装隐蔽通信原理样机并完成了丛林环境实验和隐蔽性评价实验。实验结果表明，本方法在维持高隐蔽性前提下，通信距离90 m内误码率低于1.7×10-3，平均通信速率达到54.2 bit/s，可实现兼顾隐蔽性和有效性的伪装隐蔽声通信。

摘要:磁流体动力学角振动传感器噪声等效指标是对带宽范围内标度因数以及输出噪声的综合评价，即输出噪声越小，-3 dB低频截止频率越低，则传感器实际应用性能更优。由于磁流体动力学角振动传感器极低的源阻抗，采用变压器耦合的方式可以实现噪声匹配，提高信噪比，大幅降低输出噪声，对最佳匝数比进行理论分析并建立变压器完整噪声输出模型。而引入变压器会导致传感器低频截止频率变高，同时在实际应用中遇到传感器内部漏磁场对变压器磁芯产生影响的现象，使得变压器磁化电感大大降低，进而影响传感器的低频截止频率，噪声等效指标不能达到预期效果。针对轴向磁场转径向磁场的特殊结构，对噪声匹配变压器提出一种分段式、末端弧形的磁屏蔽结构，在传感器小型化有限的空间范围内，可以有效改善漏磁对噪声匹配变压器的影响并增强流体区域磁场均匀度，通过有限元仿真、传感器实际测试验证其效果，此种结构大大改善了传感器在实际应用中的低频性能，显著优化传感器噪声等效指标。经实测，磁流体动力学角振动传感器低频截止频率可达2 Hz以下，噪声等效角速率可达2.6 μrad/s RMS，噪声等效角位置可达32 nrad RMS。

摘要:由于空间在轨成形桁架具有特殊材质及复杂结构，传统视觉三维检测方法难以实现完整的模型重建，进而影响缺陷检测的准确性，故提出一种基于三维曲线网络图优化的桁架结构视觉检测方法,设计了旋转视觉扫描桁架三维检测系统, 完整重建三维结构并对其缺陷进行精确定位检测，从而解决了复杂空间桁架结构在轨制造检测难题。首先,通过图像曲线特征识别,结合基于距离标准与曲线一致性约束的曲线特征匹配方法，建立连续图像帧中弱特征细物体之间的对应关系;然后,基于三维曲线网络图结构优化原理,交替迭代更新相机姿态和目标结构，对桁架几何拓扑进行计算补全,并估计杆件直径；进一步，提出基于三维曲率分析的桁架缺陷检测方法，并结合二维图像校验，实现在轨成形桁架产品虚接、断点等典型缺陷精确识别分析。实验结果表明，所提方法相较于基于点特征匹配的传统三维重建方法，在复杂桁架纤细结构重建方面具有更高的质量和效率,几何参量和缺陷检测精度均优于0.3 mm,满足在轨制造现场检测需求，且不依赖外部标定和背景特征，为复杂空间结构在轨制造过程质量控制提供了重要的技术支撑。

摘要:套管井固井质量检测作为保障油气井全生产周期安全、提升油气资源开发效益以及支持碳捕获与封存战略的关键技术，其研究紧密契合国家重大战略需求，是当前油气工程领域待解决的挑战性课题。声波测井技术因其对介质声阻抗特性、水泥环空损伤及胶结界面状态具有较高的敏感性而得到广泛应用。然而，传统声波测井技术的探测灵敏度主要集中于套管-水泥界面，且经典弹性波理论仅能描述理想条件下的波动现象，对界面弱胶结状态的模拟存在局限性。针对上述问题，以单层套管井为对象，将不同界面弱胶结特征表征为滑移边界条件，构建滑移界面理论的声波测井模型，基于阵列声波测井仪器探究了多模态导波在不同界面胶结状态下的传播特性，提出利用导波频散特征对水泥环损伤进行表征的新方法。开展不同界面胶结状态的单层套管井模型实验，数据结果有效验证了利用频散特征评价固井质量的可能性。研究结果表明，根据不同导波频散特性可以反演和评价套管井固井损伤和力学性能，对了解复杂水泥缺陷条件下的导波传播特性具有参考意义，为综合利用套管内多模态波传播特性进行固井质量评价和水泥封隔效果评价提供了理论依据。

摘要:三坐标测量机作为精密测量与高端制造领域的核心设备，其测量精度受到几何误差和非几何误差的制约。传统基于激光干涉仪的误差补偿方法存在效率低下及补偿模型不完善的问题，难以满足日益提升的测量精度需求。针对上述挑战，提出了一种结合几何误差模型与神经网络的综合误差补偿方法，实现对复杂误差的高效精准补偿。针对几何误差，基于刚体运动学构建误差模型，并采用自适应差分演化算法实现高精度的误差参数辨识；针对非几何误差，设计了一种基于邻域误差特征的新型神经网络，利用多头自注意力机制深入捕捉邻域测量空间中的误差分布特性，相较于传统仅以目标点位置为输入的网络方法显著提升了预测效果。实验结果表明，采用所提方法补偿后，标称精度为2.8+L/400 μm的三坐标测量机最大探测误差降至0.35 μm，长度测量误差为0.5+L/400 μm，较原厂标称数据有明显提升，充分验证了其适用性和实用价值。此外，与传统误差补偿方法相比，所提方法在几何误差和非几何误差上均展现了显著优势，实现了高鲁棒性，高效且准确的全面误差补偿。该方法为三坐标测量机等精密测量设备的误差控制与性能优化提供了切实可行的新途径，具有重要的工程推广意义和广阔的应用前景。

摘要:膝关节作为人体关键的承重与运动枢纽，具备承载大和稳定性强的特点。该结构主要由股骨、韧带、胫骨及周围的肌肉肌腱组织构成。肌腱、韧带等组织构成多条力传递路径，在有效分散载荷的同时，将部分作用于胫骨的压应力转化为沿韧带轴向的张力，从而避免关节发生过载屈曲。受此生物力学结构的启发，设计了一种多连杆柔性仿生倒立摆。该结构主要由4个呈空间对称分布的C型柔性摆臂和载物台构成，可有效分散系统负载引入的重力载荷，避免局部应力集中。此外，C形摆臂的设计改变了力的传递路径，使得对转动关节的压应力转化为拉应力，显著提升了摆架的稳定性。建立了该摆架的稳定性模型，并通过动力学仿真分析了地面振动、质心偏移等因素对系统稳定性的影响。实验结果表明，该摆架在8 kg负载时的分辨力优于0.6 μN，量程为0.6~1 210 μN，背景噪声在0.1 mHz~5 Hz频段内优于1.42 μN/Hz1/2。搭载微霍尔推进器开展了推力测试，实验结果表明摆架能够稳定且准确地反映推力变化，测得的推力与推进剂流量和放电电压呈线性正相关。基于人体膝关节的仿生设计为重载条件下高精度微力测量装置的研发提供了新的思路。

摘要:针对目前单轴转台标定存在流程繁琐且精度较低的问题，在深入剖析转台标定原理的基础上，设计一种新型编码立体靶标，并提出高精度转台参数多约束优化方法，用于提高单轴转台标定的效率和精度。首先，靶标整合3个含有编码特征点的不同位置姿态的正方形平面，利用编码的唯一性可准确确定出各个平面的位姿变化情况，只需对靶标位姿进行一次调整，即可标定出转台的参数，显著简化了标定流程；其次，设计了编码特征点识别与处理算法，通过生成自适应椭圆掩膜，实现目标特征点的鲁棒分离，从而稳定、准确地识别编码特征点并完成解码，具备较强的鲁棒性；最后，设计了高精度转台参数多约束优化方法，结合点位约束、共面约束和法向量夹角约束建立目标函数，设置了权重参数，对转台标定参数进行优化，提高了标定精度。实验结果显示，使用所提方法标定转台，只需调整一次靶标位姿，即可使标定精度达到0.021 mm，与传统方法相比，精度可提高约36.363%。同时，根据标定结果拼接标准球，精度可达0.025 mm，相比于传统算法，误差约下降16.667%，进一步验证了该方法的可行性。此外，面对不同水平噪声时，所提优化算法可保持较为稳定的优化结果，展现出较好的鲁棒性。

摘要:铯原子喷泉钟是基于原子内部量子跃迁而实现的标准频率信号发生装置，是目前通用的频率基准。超低温铯原子喷泉钟是铯原子工作于液氮温度的特殊类型，其特点是工作在液氮温度下（80 K），能够使铯原子的黑体辐射频移<1×10-16，从而近乎消除了黑体辐射频移的影响，同时铯原子喷泉钟的腔相位频移和背景气体碰撞频移会有大幅度的改善，有望将铯原子喷泉钟的系统频率不确定度降低至2×10-16以下。磁屏蔽装置是喷泉钟物理系统的重要组成部分，磁屏蔽装置的性能影响喷泉钟的磁场频移和不确定度的指标。由于在谐振腔和原子飞行区的外围设置了液氮杜瓦夹层，液氮进出管道需要穿透多层磁屏蔽，超低温铯原子喷泉钟的磁屏蔽结构相对常温喷泉钟更加复杂，研制难度更大。针对超低温铯喷泉钟的空间结构和应用需求，设计了相应的磁屏蔽装置，应用仿真计算确定了磁屏蔽装置的最佳层数、厚度、尺寸、层间间隔等参数。依据设计完成了磁屏蔽装置的加工。对加工成型的磁屏蔽装置进行了高温消磁和交流消磁处理，经过测试，磁屏蔽装置核心区域径向磁场变化<0.1 nT，轴向磁场变化<1.3 nT，两端屏蔽因子>10 000，中心屏蔽因子>60 000，满足超低温铯原子喷泉钟的应用需求。

摘要:研究提出一种创新的宽场时域扩散光学层析成像（TD-DOT）方法，通过整合空间频域（SFD）成像、单像素成像和时间相关单光子计数技术，实现对浑浊介质的宽场时间分辨测量；进一步通过先进的TD-SFD-DOT重建方法，实现对测量目标光学参数的三维重建。该方法开发的成像系统采用创新的单像素SFD成像架构，使用两个空间光调制器分别实现SFD宽场照明和基于单光子雪崩光电二极管探测器的宽场成像，然后将时间相关单光子计数技术嵌入该成像框架，实现高性价比时间分辨宽场测量。在重建算法方面，研究提出基于内流源的时域-空间频域扩散方程模型，用于准确描述空间频域调制光在浑浊介质中的辐射传输过程，显著提高了模型对近场区域和早期光子传输的模拟精度，克服了传统扩散方程在高散射介质表面附近的建模局限性。此外，为充分利用全时间分辨数据蕴含的完备信息并提升计算效率，研究开发了基于重叠时间门数据类型的 TD-SFD-DOT重建算法，实现对吸收系数与约化散射系数的解耦及深度分辨重建。最后，研究通过系统性的琼脂仿体实验验证了所发展的系统和重建方法的有效性。仿体实验结果表明，该方法能够在浑浊介质表面下3~4 mm深度范围内实现对目标吸收系数和约化散射系数的三维定量重建，为组织光学层析成像提供了新的技术方案。

摘要:电阻点焊质量直接影响车身结构的稳定性和安全性,缺陷的像素级分割图对于精确分析缺陷形态和严重程度至关重要。针对传统的目标检测方法在处理细小缺陷时无法进行精确语义分割且分类精度较低的问题,提出了一种基于多尺度特征融合网络的电阻点焊缺陷精确定位与分割方法,通过跨层次特征连接与多尺度特征匹配,使网络在识别整体点焊特征的同时,能够捕捉细小缺陷特征,实现了大场景中缺陷位置的精确语义分割,并提高了电阻点焊区域的分类精度。设计了候选区域生成网络,融合低层次细节特征与高层次语义信息,设计了点焊区域定位损失函数,确保点焊区域的精准定位。随后,提出了缺陷分割与定位网络,结合ROI Align与多尺度特征匹配,构建正常焊点特征库,并设计异常评分计算公式,实现点焊区域的像素级异常评分。实验结果表明,方法相比传统目标检测模型,在小目标点焊分类精度上提升了25.35%，F1分数提升了14.81%。此外，所提方法能够生成高精度的像素级缺陷分割图,Pixel AUROC达到094,展现了优异的缺陷识别能力,同时在开源不同场景下电阻点焊数据集上的测试也取得了良好结果,F1分数达0.93,验证了模型的泛化能力。

摘要:圆光栅是实现超高精度全圆周角度测量的重要工具，在微纳加工、瞄准定位和计量科学等领域起着重要作用。圆光栅自标定技术通过布置读数头，并采用特定的数据处理方法分离系统误差，克服了测量量程小和缺乏更高参考基准的问题，从而实现自标定。为了提高圆光栅角度测量精度，降低圆光栅自标定中谐波抑制的影响，故提出一种含素数夹角的多读数头自标定方法，以提高谐波残差阶次。基于传递函数法的自标定原理，研究了残差阶次与读数头夹角的定量关系，建立了残差阶次为360整数倍的多读数头布局夹角计算公式。利用该公式计算得到六读数头布局夹角，计算结果表明：对于360点采样的数据，对比实验的布局1残差为0.8″，残差阶次是6的整数倍；布局2残差为0.2″，残差阶次是40的整数倍；该方法得到的本文布局残差为3×10-13″，残差阶次为360的整数倍。通过搭建六读数头自标定实验，使用本文方法消除94.37%的圆光栅测角系统的误差，实现了圆光栅测角系统的全圆周标定，且重复性良好，验证了在实际应用中的有效性。本标定方法极大提高了圆光栅自标定中谐波残差的阶次，对减小测角谐波误差有一定的参考价值，为超高精度角位移传感器的实现提供支撑。

摘要:随着水下全双工通信技术的不断发展，在收发同频共通的通信模式下，发射端高功率信号易通过多种耦合路径影响接收端，形成强烈的自干扰信号，从而淹没期望信号，导致通信质量显著下降。特别是在复杂的水声信道环境中，自干扰现象更为严重，已成为制约水下通信系统性能提升的关键瓶颈。因此，对来自同侧的自干扰信号的有效抑制已成为水下收发一体机系统亟需解决的重要技术难题。针对数字域自干扰抑制中传统LMS算法和RLS算法在实际应用中分别存在的估计精度不足和运算复杂度高的问题，提出了一种基于稳定快速变换递归最小二乘（SFTRLS）算法的数字域自干扰抑制方法。该算法通过引入前向与后向预测结构，将RLS算法中复杂的矩阵运算转化为一维向量运算，有效将计算复杂度从传统的O(N2)降低至O(N)，在显著降低计算量的同时，时保持了出色的自干扰抑制性能。通过在不同信噪比、不同信道阶数条件下的仿真实验，验证了所提算法在收敛速度、自干扰信道估计精度以及运算速度等方面的优势。随后，在实际湖试环境下进一步对该方法进行了工程验证，实验结果表明在现有测试条件下，该算法可实现高达30 dB的自干扰抑制比，与其他算法对比也进一步证明了SFTRLS算法在复杂水下环境中具有良好的适用性与工程价值。

摘要:在阶梯式涡流热成像无损检测中，电磁激励器的结构对电磁场与传热场的分布和强度有重要影响。设计了一种集成优化系统并应用于方形电磁激励器结构中，以提高油气储罐或大口径管段体积缺陷的综合检测性能。首先，分析了激励器各结构参数变化对检测性能的影响，通过主成分分析选择累积影响显著的结构参数作为优化变量。采用客观赋权法对9个检测性能指标根据信息量给予权重，得到关于温升，均匀性与检测效率的3个综合指标。然后将由关键结构参数构造关于综合指标的离散优化空间映射到机器学习模型的连续优化空间。利用多目标粒子群算法获得帕累托前沿。最后，根据逼近理想解排序法对最优结构进行排序。优化后的结构与初始结构相比，温升、均匀度和效率指标分别提高了18.88%、2.46%和73.61%。此外，搭建了一套实验系统，验证了优化后的结构检测性能显著优于对比激励器，且能够用于检测钢板厚度为8 mm，径厚比>3的缺陷。通过集成优化系统设计的电磁激励器结构，显著提升了阶梯式涡流热成像检测性能，实验验证其对罐体材料内部体积缺陷高效检测能力，为油气储罐及大口径管段体积缺陷检测提供了有效解决方案。

摘要:动液面深度的准确测量是分析油田生产运行动态、制定和调整油田开发方案的关键技术。针对常规浮筒法和声波反射法等因受套管环空空间的影响无法适用于斜井、示功图计算法因其测力传感器受持续交变载荷影响稳定性差、动液面预测法计算量较大的问题,从电能“既是动力源又是信息源”的双源特性出发,提出一种从地上电动机工作电参数—抽油机悬点载荷—地下油井动液面深度跨域关联的软测量方法。首先根据游梁式抽油机抽油过程中的能量流通传递机理，建立由地面电动机输入电参数、四连杆机构参数以及游梁倾角位移,计算其驴头悬点载荷的数学模型,其次基于抽油泵在上冲程固定阀开启瞬间以及下冲程过程中，油液流在其固定阀的压力降呈现零值的特征，在获得的悬点载荷数据域中，动态截取其首波峰点与首波谷点之间的区域作为上静载荷最优观测区，求取多个冲程中本观测区内的载荷均值作为上静载荷，同时求取多个冲程中下冲程的载荷均值作为下静载荷，最后根据动液面深度与抽油机悬点上、下静载荷的关联关系,建立动液面软测量数学模型,将采集的电动机输入电参数代入计算,求出动液面深度的软测量值。工程实验与应用结果表明,该法稳定性好,工程实用性强,能适用于电驱井，相对测量误差≤±8%。

摘要:齿轮箱作为机械设备中的关键传动部件，常年在严苛环境和重载条件下工作，易发生损伤。近年来，内置编码器信号因其成本低廉、获取便捷等优势，逐渐成为机械设备健康状态监测的重要手段。然而，由于编码器信号中的故障特征微弱，且易与多种干扰成分交叠，导致故障冲击特征难以准确辨识与提取。针对上述挑战，提出了一种基于加权双域稀疏分解模型的编码器信号特征提取及故障诊断方法。在加权双域稀疏分解模型中，分析了故障冲击特征与干扰成分在时域和频域中的形态特性差异，随后通过引入权重系数、非凸惩罚函数及周期二进制向量，构建了分别约束时域中故障冲击特征的周期性组稀疏特性与频域中谐波干扰成分的频域稀疏特性的非凸正则项，实现了信号中目标特征的精准匹配与刻画。此外，采用交替方向乘子法及受控极小化方法，推导了加权双域稀疏分解模型的迭代求解算法。最后，通过仿真数据与行星齿轮箱实验台数据验证了加权双域稀疏分解模型的有效性。结果表明，相较于两种对比方法——调Q因子小波变换分解方法和最大相关峭度解卷积方法，该方法在故障冲击特征提取精度方面具有显著优势，展现出良好的工程应用潜力。

摘要:变转速工况下，轴承故障信号具有显著的非平稳性和低信噪比特征，传统基于静态字典的稀疏表示方法多基于固定工况设计静态字典，难以适应转速波动引起的信号非平稳性，导致故障特征提取精度显著下降。针对这一问题，提出了一种R-nyi熵驱动的结构字典学习方法（re-adaptive structural dictionary learning algorithm，RE-ASDLA），旨在提升字典学习方法在非平稳信号工况下的适应性与诊断精度。该方法基于变转速下轴承故障形态特点，构造精准描述故障瞬态冲击形态并具有时变响应能力的过完备结构字典，突破传统分析中对信号片段截断处理的限制，能够从强噪声背景中精准提取稀疏的故障瞬态特征成分。在字典更新过程中，联合最小化重构误差和R-nyi熵度量指标，自适应优化字典结构参数，增强对信号时变特征的响应能力，并构建时频-稀疏协同的故障诊断流程。通过2组线性/非线性变速仿真信号、1组渥太华公开轴承数据和1组实车采集数据开展实验验证。结果表明在低信噪比环境下，RE-ASDLA有效克服了强背景噪声和时变故障特征的干扰，准确重构变转速故障特征，在不同的变速模式下均能准确重构故障特征，验证了该方法的有效性，提升了字典学习在变速工况下的适应性。RE-ASDLA与快速路径优化方法和基于时间重分配的同步压缩变换相比，从信号重构精准度、时频聚集性、故障拟合效果体现了RE-ASDLA的优越性。

摘要:针对激光雷达SLAM算法中的LIO-SAM算法在复杂环境中高度定位精度不足的问题，围绕特征点提取与后端点云匹配两个关键环节提出改进策略。在后端匹配方面，鉴于其存在的帧间误差波动大、鲁棒性差的情况，创新性地提出一种基于前置匹配的自适应降采样方法。该方法借助预匹配操作，有效提升初始匹配精度，并依据点云局部密度，动态调整体素滤波分辨率,从而在保证匹配精度的同时显著提升计算效率。在前端特征点提取环节，针对LIO-SAM 中曲率计算冗余、排序开销大以及近处点云特征提取率低问题，提出一种结合早期截断（Early Cutoff）与多尺度体素空间协方差分析的双阶段特征筛选机制。该机制主要针对近处点云，首先通过局部几何变化阈值快速剔除冗余点，随后在多尺度体素网格中进行协方差特征分析，从中筛选出空间分布均衡、几何结构稳定的代表性特征点，远处点云采用原算法提取。在公开数据集 KITTI 中选取表现稳定的序列 07 进行对比实验证明，优化后的算法在X、Y轴精度少有提升情况下，Z轴的平均绝对误差下降了 26.44%，RMSE下降了 24.43%，标准差下降了 30.24%，且已在实车平台上完成部署验证，具备良好的鲁棒性与工程适用性。

摘要:尽管无损检测技术在工业领域有较广泛的应用，在满足焊缝缺陷的高精度、高分辨率检测需求时仍面临巨大挑战。以核电、船舶等领域的板焊缝为例，其结构通常尺寸紧凑、分布位置复杂，常位于边角、加强筋交汇处或其他难以接近的区域，对检测探头的体积和布置方式提出了严格要求，往往只能在焊缝附近进行检测。现有超声检测多依赖接触式耦合或体积较大的换能器，难以兼顾狭小空间下的激励效率和缺陷识别灵敏度，且在面对小尺寸缺陷时信噪比较低。为此，设计了一种新型双弧V型点聚焦电磁超声换能器，采用双弧曲折线圈与V型对称布局，在限定激励超声能量区域的同时显著提升了激励波束的方向性与聚焦性能。通过建立有限元模型，系统分析了V型夹角、圆心角及近场区对换能器聚焦性能和缺陷响应幅值的影响，并优化了双弧线圈弧度和V型夹角等关键参数，从而增强了对表面及近表面微小缺陷的响应能力。随后搭建实验平台，对焊缝中的裂纹和气孔缺陷进行了检测。研究表明，传统换能器对微裂纹和孔状缺陷的检测效果有限，而所提出的新型换能器不仅能够获取清晰的反射信号，在检测尺寸为10 mm×0.5 mm×0.2 mm的裂纹及直径1 mm的气孔时，最低信噪比达到23.41 dB，显著提升了检测灵敏度，为复杂结构焊缝缺陷检测提供了一种高灵敏度、非接触式检测新方案。

摘要:针对工业现场陶瓷电路板（CPCB）缺陷检测中存在的数据集有限、缺陷尺度微小、背景复杂等问题，提出了一种基于PXD-YOLO11s的陶瓷电路板缺陷检测方法。首先构建高质量CPCB缺陷专用数据集，系统设计涵盖深度划痕、砂眼、断路等14类典型缺陷的采集方案，采用工业相机和专业光学设备采集高清缺陷图像，并通过图像预处理与数据增强策略提升样本多样性与泛化能力。其次在YOLO11s网络架构基础上进行改进：引入并行特征提取模块（ParNet），通过多分支卷积结构捕获不同尺度的特征信息，同时优化卷积结构以提升特征提取效率；增加专用小目标检测层（XsHead），强化对微小缺陷的识别能力；后处理阶段引入SoftNMS机制，通过置信度衰减而非直接抑制的方式处理重叠预测框，有效提升对密集排列缺陷的检测能力；最后调整损失函数，采用DIoU损失替代传统的CIoU损失，使模型更加关注预测框与真实框中心点距离和宽高比例，从而提升复杂背景下的目标定位精度。实验结果表明，在自建CPCB数据集上，改进后的PXD-YOLO11s模型在mAP50和mAP(50~95)指标上较原YOLO11s分别提升了5.2%和8.5%。此外，该方法在公开PKU-Market-PCB数据集上的检测性能优于Faster R-CNN、YOLOv5s等典型算法，展现出其良好的泛化能力与特征提取的有效性。所提出的方法显著提升了陶瓷电路板缺陷检测精度，为工业缺陷智能检测提供了高效、可靠的解决方案。

摘要:为准确检测煤矿带式输送机在复杂工况下的异物,构建基于改进DeepLabv3+的煤矿输送带异物分割模型。针对煤矿高粉尘、光照不均、机械振动等干扰导致的异物检测难题,以及多尺度异物并存、边缘设备算力有限等实际需求,通过引入MobileNetv3轻量化主干网络,利用深度可分离卷积将计算量压缩至传统卷积的1/9,并嵌入SE注意力模块增强异物的边缘、纹理等高频特征,抑制粉尘噪声对应的低频通道;采用DASPP模块替代传统ASPP,通过串联不同膨胀率的空洞卷积层实现跨层特征密集交互,提升对多尺度异物的检测能力;集成ECANet通道注意力机制,通过免降维全局池化和动态一维卷积增强特征表达能力,进一步优化特征权重分配。实验结果表明,改进模型在CUMTBelT数据集上实现了87.1%的平均交并比和86.7%的F1分数,参数数量仅为9.8 M,浮点运算量为5.1 G,推理速度达 38.6 fps,较原始DeepLabv3+模型精度提升4.6%、计算量降低63.1%。与PSPNet、U-Net等主流模型相比,改进模型在小尺度异物漏检率、噪声鲁棒性及边缘设备适配性等关键指标上更优。该模型为解决复杂工况下异物与背景特征易混淆的难题提供了新途径,不仅为煤矿智能运输系统打造了兼具高分割精度与轻量化特性的异物检测方案,还有助于加速煤炭行业智能化与自动化的发展进程。

摘要:前视声呐在水下远距离目标检测与跟踪中发挥着重要的作用。然而，前视声呐图像序列帧率较低、目标特征不清晰，容易出现目标丢失的问题。在使用前视声呐进行目标跟踪时，需要对声呐载体旋转和目标遮挡进行补偿，避免目标丢失。为解决以上问题，结合声呐图像序列的特征和目标特征，改进现有的跟踪算法。针对ByteTrack算法应用在声呐跟踪上容易出现目标丢失问题，结合前视声呐图像特征，改进关联方式，在第1关联提出了一种基于卡尔曼滤波的运动特征和目标外观特征结合的方式作相似性度量，提升了跟踪的准确性。针对前视声呐载体旋转导致目标运动过快的问题，利用声呐姿态数据对ByteTrack算法加入旋转补偿，提升了匹配的准确性；最后，通过相似性度量算法对比实验，证明了改进后的关联方式和目标外观特征结合的方式的优越性。对比了DeepSort、TransTrack和ByteTrack主流目标跟踪算法，改进后的模型跟踪准确度为76.8%，跟踪召回率为80.6%；改进后的ByteTrack与改进前的ByteTrack相比，跟踪精度提升了9.4%，召回率提升了10.8%，ID切换次数降低了46%。检测与跟踪融合实验表明，改进后的目标检测跟踪融合算法拥有更低的漏检率、误检率，更低的身份切换次数，更能适应前视声呐水下目标的检测和跟踪场景。

摘要:针对现有多模态方法在融合过程中普遍依赖多尺度空间特征堆叠，导致特征频率信息耦合，从而限制三维目标检测精度提升的问题，提出了一种基于Transformer的特征频率解耦融合三维目标检测方法。首先，对输入图像进行小波频域特征解耦，通过离散小波变换对特征图进行多频率分解，通过独立的高低频特征金字塔获得高低频图像特征。其次，设计非对称频率更新编码块，将高频图像特征作为主要特征，采用自适应动态窗口编码进行高频率更新以增强边缘与纹理特征表达。同时，引入稀疏化的可变形注意力替代传统注意力层进行低频特征更新，实现不同频段特征的高效编码与协同优化。然后，构建高频引导体素融合模块，将小波解耦后的多尺度高频特征经视锥投影映射至三维体素空间，结合自适应半径采样方法，对稀疏点云局部结构进行高效补充，提取关键点体素特征。最后，将体素与图像特征统一映射到二维空间中，设计区域偏移Transformer，利用注意力机制实现跨模态特征融合。在开放数据集nuScenes、KITTI和Waymo上评估该方法，在nuScenes测试集上实现了73.2%的mAP和74.3%的NDS，尤其在小目标与远距离检测中表现突出。同时，该方法在实车平台上的测试表明，在复杂多变的实际环境中仍拥有较高的检测精度。

摘要:血管介入手术导管的精准三维形状测量是提升手术质量的关键。现有二维影像、电磁等方法存在导管三维形状测量误差大等问题，严重制约手术安全性与效率。面向血管介入手术导管精准导航的需求，提出一种融合双平面透视图像与光纤光栅传感的介入导管形状重建方法，实现介入手术导管三维形状的精确重建。首先基于光纤光栅传感理论，求解出光栅节点的曲率与方向角，同时，为了减小光纤扭转产生的误差累积，通过对极几何立体视觉匹配方法，融合双平面透视图像逆解导管节点信息，对光纤光栅重建的导管曲率与方向角几何参数进行修正。最后结合Frenet标架进行迭代坐标计算，将修正后的节点几何参数映射到三维空间，实现介入导管三维形状的精确重建。为验证所提出融合双平面透视图像的光纤传感介入导管形状重建方法的有效性和可行性，进行了导管形状重建实验测试，结果表明：所提方法可将介入导管形状的最大重建误差由2.52 mm降至1.46 mm，较传统光纤光栅形状重建方法误差降低约42%，表明所提方法在血管介入手术机器人精准导航、柔性机器人精准测量等方面具有广阔的应用前景。