关键词： 海空协同   多波束   机载激光LiDAR   数据融合  

摘要： 随着我国建设海洋强国战略的提出,海洋测绘工作的重要性愈发凸显。海空协同测量系统利用多波束声呐和机载激光雷达可获得陆海交界处高密度三维点云数据,实现陆海地形数据的无缝拼接。然而海陆协同测量系统发展时间较短,存在系统集成困难,多传感器坐标系统不匹配,测量方式复杂等不足,据此,本文通过探讨海空协同系统的组成及工作原理,研究多传感条件下的数据处理方法,开展多源数据融合试验,最终将机载激光系统和多波束系统的坐标统一,并将二者点云融合成一体化点云成果,为后续研究海空协同一体化测量做了铺垫。 本文主要研究内容及成果如下: (1)阐述了多波束测深和机载激光雷达探测的原理及系统组成,分析了两种测量方法的适用性,对本文的实验数据来源和设备做了相关的介绍,提出了一套海空协同测量的可行性方案。 (2)研究结合优化统计的布料模拟点云滤波方法。分析了机载Li DAR的点云数据结构将点云数据与POS数据联合处理获得三维点云数据,针对机载激光点云提出一种结合优化统计的布料模拟滤波方法,最后开展试验验证了该滤波算法可有效提高激光点云滤波的精度。 (3)研究综合改正偏差对多波束数据精度的影响。介绍了多波束测深系统的数据格式及通用的多波束点云滤波算法,对多波束数据水深改正算法、换能器偏差补偿方法和声速剖面改正方法进行分析,总结获取完整的多波束数据偏差改正流程,最后通过试验验证了总结偏差改正方法对提高多波束数据精度的有效性。 (4)研究基于TrICP改进算法和3D-NDT算法的多源点云数据融合方法。将多波束点云与激光点云数据归算至同一坐标系下,构建多源点云数据统一空间基准,然后分析ICP、Tr ICP和3D-NDT等多种点云融合算法的适用性,最后开展点云融合试验优选点云融合方法,验证了Tr ICP算法和3D-NDT算法在多波束点云和激光点云数据融合工作中的有效性。

关键词： 航磁矢量测量   数据处理   噪声评价   磁化强度矢量反演  

摘要： 地磁场是一种矢量场,是地球的基本物理场之一。获取高精度的地磁场矢量信息既是航磁测量领域的前沿科技问题,也是航磁测量的主要目标之一。随着飞机载体姿态定向测量精度的提高,以及针对航磁矢量数据的补偿算法、校准算法、系统集成技术的改进,航磁矢量测量(亦称为航磁三分量测量)技术取得了重要进展。本研究以最新研制的AGS-863航磁矢量测量系统及其实测数据为基础,研究了航磁矢量数据噪声水平评价、数据处理、应用及反演方法,解决了航磁矢量测量技术实用化的主要关键问题。完成的研究工作和主要创新成果如下: (1)完成了航磁矢量数据噪声水平综合评价方法研究。主要研究内容包括航磁矢量测量系统的仪器噪声评价,测量准确性、稳定性及重复性评价。采用四阶差分及数据抖动度评价矢量磁力仪的仪器噪声水平;采用实测航磁矢量数据转换的磁总场与光泵磁力仪实测磁总场的均方误差来评价航磁矢量测量数据的准确性;采用重复飞行数据计算的内符合精度评价航磁矢量测量的稳定性及重复性。 (2)完成了基于航磁矢量数据的投影磁异常计算方法研究。主要研究内容包括总场磁异常的近似误差分析、投影磁异常计算方法及关键技术、投影磁异常实际数据计算及应用。根据地磁场各分量之间的矢量关系,研究了采用航磁矢量数据计算投影磁异常的方法及关键技术,避免了强磁性地质体的总场磁异常的近似误差。为了实现投影磁异常计算,解决了投影磁异常计算过程中三分量数据内部一致性问题,以及解决了参与计算的各变量之间的外部一致性问题。 (3)完成了基于航磁矢量数据的磁源总磁化方向估算方法研究。基于三分量磁异常一阶矩与磁源磁矩的积分关系,研究了采用实测航磁矢量数据估算磁源总磁化方向的方法及关键技术。针对磁源中心位置的确定以及相邻磁异常对估算结果的影响等问题,通过分析估算的总磁化倾角、总磁化偏角与实际磁源中心位置的关系,采用限定估算区域的方法,实现了相邻磁异常干扰情况下的总磁化方向估算。 (4)完成了基于航磁矢量数据的2.5D磁化强度矢量反演方法研究。研究了基于数据空间反演方法、共轭梯度算法、聚焦约束技术的航磁矢量数据2.5D磁化强度矢量反演方法。本方法不需要地磁场方向的参与以及特定的先验约束信息。通过模型数据及实测数据验证了反演方法的有效性及适用性。

关键词： 半航空瞬变电磁法   岩溶洼地   数据处理   自适应正则化约束反演   全卷积神经网络  

摘要： 随着国家经济的发展,人类对各类工程勘察任务的需求越来越大,这也给我国地球物理探测技术带来了严峻的挑战。喀斯特岩溶地区广泛分布在我国西南地区,其特殊的水文地质条件是水利水电工程建设中常遇的难题,往往由于对岩溶区域的勘测计算不够精确,造成了防护工程的巨大浪费,或引起巨大的经济损失,甚至是极大的安全隐患。所以选用一个有效、高效的地球物理探测方法应对岩溶地区具有着重要的意义。本文利用瞬变电磁法对低阻异常体灵敏的特点同时结合无人机具有高效和便捷的优势,采用半航空瞬变电磁法(SATEM)对岩溶洼地开展研究。 SATEM是一种通过地面发射、空中接收的电磁勘探方法。相对于地面瞬变电磁法和航空瞬变电磁法,该方法具有便捷、高效、探测范围广等优势。在面对地质结构复杂、物探人员难以涉足的地区时,具有显著的优势。但是在野外实际数据采集中,采集线圈在空中接收信号,容易受到外界各种噪声干扰,进而影响采集数据质量。从以往的研究中表明,瞬变电磁法对低阻异常体敏感,但当探测区域浅部存在低阻覆盖层时,会因为低阻屏蔽效应对目标层探测精度造成严重影响。而岩溶地貌中存在分布广、数量多的洼地区域,表层低阻异常会对SATEM探测结果造成偏差。因此,本文从数据处理和反演成像两个方面对岩溶地貌下半航空瞬变电磁法展开研究。 首先,介绍了半航空瞬变电磁法系统理论,通过麦克斯韦方程组推导半航空瞬变电磁法在频域率和时间域中各分量的理论表达式,总结了实际工作流程。并且结合SATEM的数据以及常见噪声的特点,利用CEEMDAN算法对电磁信号进行数据处理,根据信号特性的不同,分别应用于运动噪声去除、电磁数据消噪和剖面曲线平滑等不同场景,从而为后期反演成像提供可靠数据。 研究SATEM多分量响应规律,然后讨论不同地电模型下的电磁响应,通过改变目标层和覆盖层的地电参数对半航空瞬变电磁响应特征展开研究。详细推导了自适应正则化反演,通过加入参考模型和可行性约束对反演方法进行了优化。并且结合岩溶地貌特征,建立了以洼地为浅层的填充式空洞模型和溶蚀溶洞模型,验证半航空瞬变电磁法对岩溶地质结构勘察的有效性。并且引入全卷积神经网络(FCN)概念,将多个时域的电磁响应平面数据转换为多通道融合图片,让训练学习的图片同时包含时间域与空间域信息。利用其强大的特征学习能力,在图像处理上实现半航空全卷积神经网络的反演成像,减少低阻屏蔽效应影响的同时为SATEM反演成像带来新的思路。 最后,本文将半航空瞬变电磁法应用于贵州的喀斯特地区,验证该方法对一定规模的异常体具有分辨能力以及可以快速查明洼地范围内的岩溶及不良地质体大致分布情况。

关键词： 激光强度分布参数   探测器阵列法   相机成像法   数据处理  

摘要： 激光强度时空分布参数的准确测量对分析激光大气传输特性和评估激光发射系统性能具有重要的意义。在实际测量中通常采用探测器阵列法和相机成像法获取激光强度时空分布参数,本文以探测器阵列法测量系统和相机成像法测量系统为研究对象,对探测器阵列法和相机成像法测量系统数据处理中的关键问题进行了深入的研究。一方面,通过对测量系统中影响测量精度的关键问题深入分析,为测量系统的设计奠定了理论基础。另一方法,对比优化各种数据处理方法,得到了激光强度分布测量系统的高精度数据处理方法,并以此为基础将这些数据方法应用到激光强度分布测量系统中去,设计开发了数据处理软件,实现了激光参数测量系统的高精度测量。本文的主要研究内容由以下几部分组成: 首先,以探测器阵列法测量系统为研究对象,对测量系统中探测器光谱响应度差异、系统采样分辨力、靶面失效点、光斑图像噪声等问题展开研究,得到了探测器阵列法在激光强度分布参数测量领域中高精度的数据处理算法,实现了探测器阵列法对激光参数的高精度测量,提升了通过探测器阵列法来评估激光发射系统性能的能力,以及通过探测器阵列法测量数据来研究激光大气传输特性的能力。1.由于测量系统中的探测器在不同激光波长下光谱响应度不同,导致其在测量光谱范围较宽的激光光束时系统会出现较大的测量误差。提出了一种利用单通道数据对大规模探测器阵列光谱响应度校正的解决方法2.通过理论分析与仿真试验得到系统采样间距以及失效点等问题与系统测量精度间的误差关系,为探测器阵列靶的研制提供了理论基础;3.针对靶面失效点问题,利用失效点检测算法对靶面失效点进行检测,特别是针对区域块状失效点提出了基于图像相关系数的失效点修复重建算法;4.对含有噪声的光斑图像进行分析,提出了基于TV降噪模型的局域降噪算法,有效提高了计算参数的精度。 其次,以相机成像法为研究对象,对相机成像法测量系统中影响测量精度的主要问题展开研究,如图像背景信息分割、光斑图像的畸变、图像散斑效应等,得到了相机成像法测量系统的高精度数据处理算法。通过相关的数据处理算法提升了相机成像法测量光斑强度分布参数的精度,提升了通过相机成像法来评估激光发射系统性能的能力,以及利用相机成像法研究激光大气传输特性的能力。1.提出了基于图像结构相似度的图像背景信息分割方法,极大的提高了数据处理的效率;2.为了解决测量系统各分系统之间受到角度限制导致系统采集光斑图像畸变以及测量系统不易集成的问题,提出了利用漫反射靶面上的信标灯作为特征点对测量系统进行实时校正的方法,有效地解决了相机成像法中系统采集图像畸变的问题;3.由于激光的相干性导致激光在表面粗糙物体照射时产生散斑,分析测量系统中散斑效应对测量精度的影响,通过理论分析与实验验证的方法提出了散斑抑制的方法。采用将漫反射屏旋转的方法有效地抑制了光斑图像中的散斑现象,提升了测量数据的精度和光斑图像的人眼视觉体验。 最后,在探测器阵列法和相机成像法测量激光强度分布参数的数据处理方法研究基础上研制开发了数据处理软件,将本文所研究的数据处理方法落实到具体的工程实践应用中。通过相关的项目验证,本文所提激光强度分布测量数据处理方法切实有效,在提升测量系统测量精度的同时,同时也为分析激光大气传输特性和评估激光发射系统性能提供了有力的保障。

关键词： 加速器   数字控制器   多控制核心单元   数字校正控制  

摘要： 强流重离子加速器HIAF(High Intensity heavy ion Accelerator Facility)中的电源不仅数量庞大、规格多样,而且拓扑结构复杂、技术难度大,不同类型电源对数字控制器也有着不同的控制需求。本文基于以FPGA为核心控制单元搭配不同功能板的硬件平台,完成了HIAF三种电源的数字控制器设计,并在对应电源样机上验证了方案的可行性和可靠性,达到了预期的目标,解决了HIAF工程需求。为了提高直流电源输出电流和负载端磁场稳定度,本文还提出了一种在电源前端实现的外反馈校正控制方案。在实现电源控制功能的基础上,本文提出了一种边缘计算模式的数据处理方案用于分析电源数据,为电源数据分析系统做出了有益尝试。多控制核心单元的数字控制器方案通过EMIF总线实现了板卡内FPGA与DSP的数据交互,通过主从模式的串口通信实现了FPGA与PLC的联合控制模式,并通过全光纤介质的高速串行收发器实现了板卡级的通信,使得该控制器成功应用于分布式主从控制器架构。多达15台采用该方案的数字控制器成功应用于HIAF增强器BRing(Booster Ring)全储能快循环脉冲电源样机中,并在长达2年的时间内稳定运行,验证了数字控制器方案的功能性和稳定性。外反馈校正控制方案采用了电流反馈值和磁场反馈值多闭环控制方式,通过带限制的滞环控制策略校正电流给定值,有效地提高了直流电源输出电流和负载端磁场的稳定度。该方案在电源端实现校正,避免了在中央控制层进行校正的长距离通信链路的高延迟。应用该方案的兰州重离子加速器实验环HIRFL-CSRe(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-Cooling Storage Ring experimental ring)二极铁电源,电流稳定度提高了三倍,磁场稳定度提高了两倍。边缘计算模式的数据处理是利用数字控制器中富余的运算资源进行数据的运算。根据不同电源的数据分析需求,实现了电源各种状态下的数据存储预筛选、电源输入端数据分析以及FFT运算器等功能。在电源端进行的数据处理,不仅使得电源数据处理更加及时,而且可以减少电源端和上层控制设备间的通信数据量,为数字电源实现智能化控制奠定了良好基础。

关键词： 超声测井仪   虚拟示波器   数据处理   换能器标定  

摘要： 大型基础工程的桩基钻孔中常采用钻井法凿井进行建井。该类工程工期长、投资大,一旦施工中出现井筒偏斜大或井径有误,轻则返工,重则报废,浪费极大。SKD-1超声测井仪是测量钻井法凿井井筒几何参数的仪器设备,它对于及时正确掌握井筒的钻进偏斜值大小,扩径或缩径的程度及其深度位置,以及整个井筒的立体形状,防止井筒偏斜、改进钻井技术、加快工程进度、保证工程质量具有重要意义。SKD-1超声测井仪能够测量井径3～12米、可测井深1000米的大口径矿井,但是随着时代发展,设备面临升级优化的问题,本文主要工作如下:(1)通过研究虚拟仪器技术,采用LabVIEW设计了一款配合数据采集卡实现四通道采集的虚拟示波器,虚拟示波器代替了现有设备中的数字示波器进行超声信号数据采集,直接通过计算机上位机程序配合读取超声回波的波形数据,提高了测井设备的集成度。(2)针对超声信号处理算法,本文首先对超声发射波和超声回波信号仿真,还原理想状态下的超声发射波与超声回波,在后续的超声信号算法对比测试过程中,通过各类算法对添加了高斯噪声的仿真信号的处理效果进行比较,为超声信号处理算法改进提供了理论基础。(3)针对超声信号处理算法进行改进,本文在小波去噪和Learning Management System(LMS)自适应滤波的基础上,构建了一种Wavelet-LMS滤波算法,通过使用平滑滤波、小波去噪、LMS自适应滤波和Normalized LMS(NLMS)滤波算法对含噪超声仿真信号和真实场景下虚拟示波器采集的信号处理效果与该算法的处理效果进行比较,计算信号处理后的信噪比与均方根误差,验证WaveletLMS滤波算在超声信号处理方面的可行性与优越性。(4)在进行超声信号处理的基础上,设计和提出了一种超声换能器标定装置和超声换能器标定方法,通过多次实验,采集实验数据,对超声换能器的固定误差进行标定,提高超声测井仪在测井作业中的准确度。综上所述,本文设计了一种四通道采集的虚拟示波器对超声信号数据进行采集,增加了测井设备的集成度,提出了Wavelet-LMS算法应用于超声信号处理方面,与传统算法相比信噪比更高,均方根误差更小,设计了一种超声换能器标定装置,提高了超声测井仪的测量准确性。

关键词： 计算机视觉   超分辨率   昇腾AI处理器   数据处理  

摘要： 深度学习模型的研究给我国人工智能发展带来了新的机遇与挑战。硬件方面,没有完全掌握快速运算设备的核心技术,对此,华为针对深度学习研发出了专用处理器——昇腾AI处理器;软件方面,模型训练耗时长,且无法直接利用昇腾AI处理器提供的算力进行运算。针对以上情况,本文以CSNLA模型为例,旨在提升CSNLA模型在昇腾AI处理器上的精度和性能,进行以下工作: 首先,完善中间件CANN软件栈中的算子生态圈。一方面,使用DSL和TVM实现算子计算,针对DSL的已有接口,对norm＿except＿dim算子提出指数结合对数运算的方式替换幂运算的方式;另一方面,增加昇腾AI处理器对Py Torch框架中min算子的支持,在完成对其数据校验之后,映射到CANN软件栈中。 其次,在昇腾910处理器上提升CSNLA模型性能。利用混合精度、分布式计算、绑核与算子优化四种方式提升CSNLA模型在昇腾910处理器上的运算速度,使模型训练性能提升约17倍。 然后,在昇腾910处理器上提升CSNLA模型精度。在模型层面,通过数据“洗牌”、格式转换、CPU协同运算,提升模型训练精度。另外,规范化模型训练,提高该模型的可扩展性。 最后,在昇腾310处理器上实现CSNLA模型的离线推理。将已完成训练的CSNLA模型应用到已做好切分的Set5数据集上,并通过数据后处理计算推理精度和性能,拓展移动端的模型应用。

关键词： 悬索桥   主缆防腐   主缆通风   数据处理分析   黄埔大桥  

摘要： 传统桥梁运营过程中不可避免的会出现结构安全问题,通常采用外观专项检查获取一些结构特征来判断其产生的问题。然而通过单一检查结构来推断整体的状态是不充分的,有很大的局限性,也会造成突发桥梁病害不能够及时被发现,而且也会受到检测人员专业性影响。因此通过主缆通风试验的方式,研究主缆腐蚀特征,能够为后续同类旧桥梁的维养方面提供长效的防腐资料,是必须且具有重要意义的。目前主缆防腐方面取得了一定的进展,但由于除湿系统采集的数据隐含着大量有效信息没有得到及时挖掘和利用,因此对主缆除湿系统的数据进行准确、有效的处理是需要重点关注的。在确保悬索桥的安全运行下,对主缆除湿系统采集的数据进行分析、评估主缆的除湿状态,能够及时对主缆做出预警信息。为改进桥梁主缆送风方式的设计提供新思路,同时加快自身的信息获取与研判桥梁的健康发展走向,进一步促进桥梁技术的全面发展。本文依托黄埔大桥悬索桥缆索系统防护的预防性养护试验,开展如下研究:(1)收集总结国内外桥梁采集监测系统的发展、归纳最新时间内的数据处理分析方法。分析主缆腐蚀机理、主缆防腐发展体系、主缆除湿系统的构成、主缆通风试验的意义等在桥梁运营状态中的必要性。以黄埔大桥为研究对象展开主缆通风现场试验研究,包括整个试验概述、监测内容、试验目的、理论基础、试验段选取、监测点的布置、监测设备和技术参数等的选择。(2)使用软件MATLAB编写程序处理数据,包括对异常数据剔除、数据遗漏补全、重复多余数据平滑等,结合莱依达准则、格拉布斯准则、预估比较法等。结合现场试验对主缆温度异常数据、压力异常数据进行处理,在前期阶段对数据进行预处理,这样大幅提高了数据分析效率;使用异常数据值处理方法,拉格朗日插值法、牛顿插值法等对主缆压力缺失数据补全;滑动平均方法、加权滑动平均方法对主缆温度数据平滑处理得出温度的分布特征。黄埔大桥主缆除湿状态评估包括对温湿度、压力、流量等数据检测,探究了温湿度之间的关系。以及进一步研究送风流量、排风流量与压力之间的关联,得到了最佳范围是当进气压力为1000-1500Pa,进气夹的送风流量为25～35 m3/h,除湿距离控制在120-150m左右为宜。得出主缆在纵向、竖向上都有不同点的温度差,在进行温度分析时,不仅要考虑外部环境整体的温度升降特性外,同时需考虑主缆局部点的差异。