关键词： 布里渊光时域反射系统   短时傅里叶变换   数据处理   算法优化   寻极大值法  

摘要： 随着我国城市化进程发展加快,大型工程结构健康和安全监测需求不断提升,这使得分布式光纤传感(Distributed Optical Fiber Sensing,DOFS)技术的研发和工程应用不断深入。布里渊光时域反射系统(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry,BOTDR)是分布式光纤传感中的一种,具有单端检测和对温度及应力敏感的优势,在通信、电力、煤炭、油气等行业具有广泛的应用前景。为了提升BOTDR系统各项性能参数,同时减少系统成本的投入,可以在系统数据处理及算法优化方面进行研究,利用软件代替硬件,促进系统工程化应用。本文在基于短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)的BOTDR系统基础上,对系统数据处理及算法优化展开深入研究。在系统信噪比、空间分辨率、定位精度、运算时间、温度与应力交叉敏感等性能参数的提升方面,提出了基于数据处理和算法优化的解决方案。另外还对BOTDR系统进行软件集成,并进行了初步工程应用试验。 本文的主要研究内容如下: (1)对STFT-BOTDR系统光电信号进行了处理及优化,分析了BOTDR系统频谱噪声的来源,利用布莱克曼窗函数对布里渊增益谱(Brillouin Gain Spectrum,BGS)中噪声频谱泄露问题进行抑制,提高了系统的信噪比;同时设计了引入布里渊拍频谱的BOTDR系统,利用布里渊拍频谱峰值和布里渊频移(Brillouin Frequency Shift,BFS)双参量法解决温度与应力交叉敏感问题;利用二次求导分析布里渊峰值强度数据,设计出自动识别BOTDR系统中受激布里渊散射现象的算法,通过实验进行了验证。 (2)分析了基于等效拟合法的短时傅里叶变换模型,提出了基于寻极大值法的布里渊频移提取算法,对包含常温信息和温变信息的BGS进行寻极值处理,识别双峰情况中的温变信息,提高了空间分辨率。实验中设置脉冲宽度为100 ns,在2 km的传感光纤上,将空间分辨率提升至0.6 m;同时,分析了基于寻次极大值算法STFT-BOTDR系统的定位精度,提出一种BOTDR系统位置精度的提升方法,通过进行长度位置的修正,实现了系统定位精度的进一步提升;提出了基于等分傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的寻极大值法,将原始信号进行不断等分的同时进行FFT处理,利用寻极大值法判断是否存在温变或应变信息,再逐级选取对应长度的时域信号,确定温变或应变段发生的位置范围,提高了系统运算速度。 (3)进行了STFT-BOTDR系统控制分析软件的设计,包括主要器件的模块化控制, 对系统控制分析软件的整体功能及软件界面进行了设计。同时在“南京地铁六号线基坑施工光纤技术创新应用”项目中对STFT-BOTDR系统进行了初步工程应用试验。

关键词： 谐波诊断理论   振动法   数据处理   电机故障诊断  

摘要： 随着社会工业技术和信息技术的发展和工业生产设备的持续更新,电气设备的正常安全运行严重影响着整个生产系统。电机广泛应用于电力、能源和现代工业,其故障不仅会对电机自身产生巨大的损伤,而且会直接导致整条生产线的瘫痪。倘若未及时对电机进行维护便会危及人身和财产安全。传统的故障诊断方法主要包括事后维修和事前的预防性检修这两个方面,其中事前检修依靠经验,需要设备维护专家做出复杂的判断,会消耗大量的时间和精力,影响生产目标的完成进度。为克服上述问题,将谐波技术与振动法融合的特征提取方法应用于电机故障诊断中,以提高诊断全面性和准确性。 本文首先探讨了电动机常见故障的分类及理论基础,并对各种诊断方法进行了概述和分析。针对现有诊断方法的局限性,以及单一传感器信号源对电机故障特征提取不足的问题,提出了一种谐波技术与振动法融合的电机故障特征提取方法。该方法补足了谐波技术和振动法的缺点,可以较好的解决电机设备的故障识别与定位问题,为解决工程实际难题提供了新的思路。 谐波诊断技术是电气设备故障诊断中常用的技术之一。在这方面,本文论述了电气设备与谐波之间的关系,提出一种新的故障诊断方法。该方法的创新点在于将谐波技术与振动法融合,补足了电流谐波数据对机械故障信号不敏感和振动信号对电气故障捕捉不到位的缺点。之后,通过实验证明了该方法对电机故障诊断的有效性。为了实现这一方法的应用,本文设计了一套电机信号采集系统,该系统利用物联网技术实现数据的采集和传输,并通过matlab软件对数据进行分析处理。 最后,搭建电机系统运行平台,通过模拟故障实验对电机各个状态的数据进行采集。实验表明,本文提出的方法在电机故障诊断领域展现了独特且实用的价值。与仅采用谐波技术和振动法进行电机检测相比,我们的方法经过实验,得出了较好的诊断和分析结果,进一步证实了其卓越性能。 该设计满足实际工业生产的需求,可以有效减少生产力的损失,保障生产过程的安全性。 图[61]表[11]参[80]

关键词： 波浪观测   波浪浮标   加速度传感器   Sage-Husa自适应卡尔曼滤波   海浪谱  

摘要： 国际上最广泛应用的波浪观测设备是波浪浮标,因为它们能够在海上进行定时定点的波浪参数遥测,可以实现全天时、全天候的监测,且成本较低、稳定性较高。海浪谱是描述海浪能量分布状态的重要工具,通过海浪谱可以准确描述海浪的动态变化,有助于海洋科学家和工程师理解海浪的复杂行为,为航海安全、海洋工程设计以及海洋能源开发等领域的决策提供强有力的支撑,是目前海洋业务需求的重要参数之一。 海洋环境复杂多变,观测设备采集到的波浪数据往往伴随着各种各样的噪声,为了提升波浪观测数据的准确度,进而提供更加精确的海浪谱信息,本文开展基于波浪浮标数据处理的卡尔曼滤波算法研究,旨在优化波浪浮标数据的解析过程,以更好地应对海洋灾害预防和海洋资源开发的需求。 本文搭建了一款基于MEMS九轴姿态传感器的波浪浮标数据采集系统,详细地说明了波浪测量原理和波浪数据处理算法的实现,并进一步研究分析了Sage-Husa自适应卡尔曼滤波技术在提高海浪谱估计精度上的应用,最后通过波浪仿真实验和海上比对试验,对波浪数据处理算法的效果进行了量化分析。具体研究内容如下: 首先,根据《GB∕T 14914.3-2021海洋观测规范》对波浪浮标硬件系统提出的技术指标和用户功能需求,确定了该波浪数据采集系统的整体设计方案——使用能够同时采集三轴加速度、三轴磁力计和陀螺仪数据的HWT906九轴姿态传感器作为加速度计,然后在STM32单片机上对这些加速度信号进行滤波和二次积分处理,最终解算出来的波浪参数都被存储到SD卡上。 接着,在软件开发方面,详细介绍了波浪的测量原理以及波浪数据处理算法的实现细节——选用四元素法对加速度信号进行坐标转换、滤波处理、在频域内进行二次积分、异常值检测、以及通过统计分析提取波浪特征值;使用C语言将经过验证和仿真后的MATLAB环境中的波浪数据处理算法移植到ARM硬件平台上。 在研究海浪谱估计算法的过程中,介绍了几种常见的海浪谱模型,使用Welch法来实现海浪谱估计,并利用PM谱反演出来的波浪位移数据来模拟分析Sage-Husa自适应卡尔曼滤波技术在提高波浪谱估计精度方面的应用效果。 最后,通过实验验证波浪浮标数据处理算法的性能。先是搭建了一个简易的波浪仿真装置,以转动轴直径作为标准波高,通过电机控制转速来设定标准波周期,以此对波浪数据处理算法的精度进行了量化分析。然后设计了海上试验,将搭建的基于MEMS九轴姿态传感器的波浪浮标数据采集系统与SBY1-1型波浪浮标进行比对测试。实验结果表明,该波浪浮标数据处理系统的输出误差符合《海洋观测规范》所规定的一级误差要求,并且观测处理性能较为稳定,证明其能够实现长期稳定的海上观测。

关键词： 音频大地电磁   长偏移距瞬变电磁   联合反演   数据处理   LSTM  

摘要： 在地球物理勘探领域,地下结构的精确反演是资源勘探和地质研究的关键。然而,单一勘探方法在揭示地下结构细节时存在局限性,这促使我们探索联合反演方法的潜力。本文旨在解决单一地球物理勘探方法在地下结构反演中的局限性问题,并探讨通过联合不同勘探技术以提高地下介质信息还原精度的可能性。 具体地,本文采用音频大地电磁法(AMT)和长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)数据进行了联合反演,对武汉市花博汇地区的地热资源进行了调查。本文以麦克斯韦方程组为基础,首先推导了电磁场的波动方程,并进一步推导了频率域和时间域电磁测深法在均匀水平层状介质上的偶极子场,接着简要介绍了AMT和LOTEM技术的数据采集方法。在数据处理方面,针对AMT数据,采用了远参考+Robust估计(非Robust估计)+精细编辑的处理模式,有效去除了噪声干扰,提高了数据质量。对于LOTEM数据,通过分析长偏移距瞬变电磁噪声信号特征,提出了一套体系化噪声干扰压制流程和方法。首先运用多周期信号叠加和正负双极性信号叠加去除随机噪声并压制DC偏移干扰;并提出用时域倒序数字递归法去除以工频信号为代表的特征频率信号及其谐波干扰,通过正演模拟构建标准无噪信号,然后添加不同噪声的方式验证了算法的有效性和适用性,最后通过重叠加窗技术获取了高质量的瞬变电磁二次场衰减信号。此外,本文还基于长短周期记忆神经网络(LSTM)构建了瞬变电磁去噪网络,通过对正演模拟含噪数据进行去噪实验,证明了该网络的有效性,有效提高了数据质量。 最后,本文基于开源Fortran二维联合反演代码MARE2DEM完成了AMT和LOTEM联合反演的算法设计。将该算法应用于武汉花博汇地区的地热调查,并结合地质、地球物理等信息进行解释。联合反演结果显示,与单一方法相比,联合反演技术明显提高了地下介质结构的分辨率和准确性,为地球物理勘探提供了更深入的洞察力。这一研究为深部地下结构解释和资源勘探提供了一种新的、综合的方法。

关键词： 高速串行数据   等效时间采样   眼图   抖动分析   幅值校准  

摘要： 在宽带信号采集、传输、处理中,系统的抖动、噪声等对高速通信系统有显著影响。为了更好获取和分析高速串行信号的质量,高性能的实时示波器、矢量网络分析仪可通过眼图、抖动等对串行数据进行分析,但因其带宽有限、限制了其在高速串行信号分析领域的应用。基于等效时间采样理论的采样示波器因其具有带宽高等特点,更适合对高速串行信号分析。基于等效采样的高速信号重建,采样准确度、抖动等因素均对重建精度有影响。因此,本论文基于等效时间采样的工作机理和特性,对采样示波器的波形重建、抖动分析和校准技术进行研究。其主要研究内容如下: 1、为了通过眼图或系统模板对高速串行传输信号的质量进行分析,本文实现对等效时间采样眼图绘制和参数测量。利用多线程技术并行计算眼图参数与绘制眼图,提高了眼图绘制和测量效率。经实验验证,采用该方法提高了软件整体运行速度。 2、为更准确分析信号抖动成分以及降低信号抖动,对等效时间采样形成的眼图交叉点时间间隔误差进行统计,结合双狄拉克模型对确定性抖动和随机性抖动进行识别,利用传输误码率函数计算总体抖动。并根据分析的确定性抖动,采用硬件电路设计及系统优化、等效时间均衡算法降低确定性抖动,削弱码间干扰。经实验验证,优化后系统的确定性抖动减少了48%～58%。 3、为对采样示波器进行仪器校准,对比分析高阶多项式与傅里叶级数拟合法,提出一种基于高阶多项式与傅里叶级数结合的等效时间采样幅值校准方法。通过采用该方法对系统响应进行多次拟合,提高仪器幅值测量的准确度。经实验验证,校准后直流信号相对误差小于±3%,数字信号相对误差小于±5%。 最后,基于QT Creator开发平台,对采样示波器上位机软件进行了开发,通过USB与主机进行数据通信及功能控制,实现对1-11Gbps速率的数字信号眼图绘制,眼图参数测量、抖动分析及幅值校准等功能。

关键词： 车联网   环境感知   数据处理   多模态多任务技术  

摘要： 智能网联汽车基于先进的智能化与信息化技术，能够通过感知周围环境、分析路况信息，并与其他车辆、道路基础设施和云端平台进行实时交互，实现自动驾驶、智能导航等功能，进一步提高交通安全性、行车效率和驾驶体验。智能网联汽车是未来汽车行业的发展趋势，其技术发展呈现出智能化、网联化的特点。　　为了实现智能网联汽车对环境的全方位感知、提高车辆的安全性，智能网联汽车通常搭载多种传感器，生成大量的多模态数据，如相机产生图像数据，激光雷达和毫米波雷达产生点云数据等。尽管这些数据的表征形式不同，但信息相互关联，因此其有效获取、对齐与处理至关重要。同时，智能网联环境感知场景下需同步完成如目标检测、目标追踪、路网提取、场景理解等多种任务，提供更丰富的环境信息。但智能网联场景下数据的多模态特点与多任务需求为数据处理与应用带来了挑战，多模态数据的高效采集、处理及多任务应用与管理成为关键问题，本文针对这些挑战，提出了多模态多任务数据处理与应用方案。　　本文研究智能网联汽车环境感知的多模态多任务数据处理与应用，设计了多模态数据感知处理和多任务应用网络，并提出了多模态多任务技术及其应用方案。设计的多模态数据感知网络包括图像感知网络、点云感知网络和多模态多视角融合感知网络。同时，为满足实际应用需求，设计了数据采集系统，实现多模态数据的采集与时空同步，以及数据的应用与管理。采集系统安装了多种传感器，包括激光雷达、多视角工业相机和组合导航，以收集车辆周围环境的多模态数据。根据智能网联汽车多模态数据感知和多任务应用的需求，本文提出了多模态多任务技术方案，实现了多模态数据的标准化采集、同步、处理与管理。本文设计的网络与方案进行了实验验证和实际部署应用，其中设计的环视感知网络性能相较于基准模型，平均精度高出4.4%;时空信息融合模块将平均精度进一步提高 3.5%;多视角融合感知相较于单视角感知精度高出10.98%;多模态融合感知相较于图像和点云感知分别高出34.8%和4.73%。实验验证了方法的有效性和实用性。该系统提升了智能网联场景下交通环境感知精度和数据处理效率，可以为智能驾驶研究提供丰富的高质量数据。这些研究有助于智能交通系统向更智能、高效的方向发展，并为未来智能网联技术发展提供了技术支持。

关键词： 太赫兹光谱   数据处理   温度   绝缘油纸老化   光谱分析  

摘要： 变压器作为电力传输与分配的关键设备,其安全稳定运行对电力系统的平稳、可靠起着至关重要的作用。油浸式变压器的绝缘形式主要为油纸绝缘。油纸绝缘系统的老化程度是判断变压器能否安全运行的重要指标。在实际运行过程中,油纸绝缘系统常受到温度、震动、电弧、水分等多重因素的影响,绝缘材料逐渐劣化、分解,产生醇、醛、酸等老化特征产物。目前评估变压器绝缘油纸老化状态,主要基于实验室多种检测技术的综合测试,相关测试方法周期长、无法实现现场的快速判断。因此,发展一种简便、快捷的变压器绝缘油纸老化评估方法具有重要意义。本文利用太赫兹时域光谱技术对变压器绝缘油进行了检测和分析,主要工作包括: (1)分析了太赫兹检测过程中的噪声影响,采用截断填充和改进后的“相位展开”方法,实现在不降低信号分辨率的情况下,对太赫兹信号中的反射波干扰和低频率下的相位跳变,进行了处理和校正。并根据改进方法开发了一套数据处理可视化系统。利用PCA-SVM算法对12种绝缘油进行了分类,平均分类正确率在85%以上。通过对变压器老化特征产物的太赫兹光谱分析,发现醇、酸分子对太赫兹的吸收随着碳原子数量增加,逐渐减弱。且相关老化产物的油溶液会因“溶剂效应”,改变其对太赫兹的吸收特性。 (2)针对样品温度对检测结果的影响,利用自制控温装置在-30～40℃的范围内,对变压器油,0.01 mol/L的甲醇、甲酸、糠醛溶液进行太赫兹检测。发现,随温度的升高样品时域谱的峰值逐渐减小,峰值的时间延迟也逐渐减小。对应样品吸收系数逐渐增大,折射率逐渐减小。分别对1.2THz处和0.2～1.6THz范围内的吸收系数谱、折射率谱进行平均。并利用多项式对平均数据进行曲线拟合。使用油纸比为20:1的人工老化样品对拟合曲线进行验证,结果表明,拟合曲线可对不同温度下的太赫兹检测结果进行温度补偿。 (3)为研究绝缘油老化过程中的太赫兹光谱的变化规律,在120℃条件下自制了不同老化时长的绝缘油纸样品,并对其进行了太赫兹检测,分析样品的太赫兹光学参数发现,随着老化时间的增加,样品的折射率、吸收系数逐渐增大。与对应绝缘油糠醛的浓度进行对比,发现3种参数具有相同的变化趋势。将吸收系数、平均折射率与老化时间进行拟合作为标准老化模型,以130℃条件下的老化样本作为异常值。对比结果表明,可通过构建标准老化模型计算样品与模型之间的偏差来快速判断绝缘油的老化状态。