关键词： 多重集值信息系统   缺失数据   不确定性度量   特征选择   异常点检测  

摘要： 缺失数据的处理是机器学习和数据挖掘中的一个重要问题.数据的缺失带来了不确定性,使数据挖掘过程陷入混乱并导致不可靠的输出.粒计算是模拟人类思维和处理复杂问题的方法论,已成功应用于诸多领域.集值信息系统是处理缺失数据的一种经典模型.它的不足之处在于未考虑缺失数据出现的频率.为了克服这种不足,本文使用多重集值信息系统处理缺失数据并研究其具体应用,主要工作包括:(1)建立了多重集值信息系统处理缺失数据的粒计算模型.研究了多重集和概率分布集之间的关系,多重集可以看做有理概率分布集,从而可以基于概率分布集计算样本间距离,完成了多重集值信息系统中信息的粒化.(2)缺失数据增大了数据的不确定性.本文参考集值信息系统中的四种经典不确定性度量,提出了多重集值信息系统中的四种不确定性度量,研究了这四种度量的性质,并进行数值实验和统计检验评估提出的度量的性能.此外,基于提出的不确定性度量给出了多重集值信息系统中的特征选择算法.(3)异常点检测是与缺失数据密切相关的问题.多数研究将缺失数据和异常点检测视为两个独立的数据预处理过程,而忽视了在带有缺失数据的数据集上进行异常点检测的问题.本文使用多重集值信息系统处理缺失数据,设计了多重集值信息系统中的异常点检测模型,并进行数值实验和统计分析评估该模型的性能.

ISBN: (纸本)9787040613810

关键词： 冰雷达   数据处理   深度学习   冰底过程   自动图像识别  

摘要： 近几十年来,格陵兰岛和南极洲冰盖加速融化导致海平面上升,这已成为科学、环境和政治领域的一个重要问题。研究冰下目标的特性对于可靠分析冰盖的未来演变趋势尤为重要,冰底特征结构是存在于冰盖-基底界面上方的明显不同于正常冰层的结构,其可以提供冰下过程和冰盖演变的丰富信息,同时也会对周围冰的流动产生显著的影响,因而成为极地研究人员关注的重点特征之一。本文研究基于深度学习的冰底特征结构自动识别的方法,相较于传统的基于人工提取特征的机器学习的方法,该算法可以实现雷达图中冰底特征结构的全自动检测和识别。论文基于哥伦比亚大学地球研究所极地地球物理研究团队采集的南极洲雷达数据自制了冰底特征结构数据集,分别针对冰底特征结构的精准识别及在移动端设备上实时识别两种不同的场景设计了不同的深度学习算法。论文选择ResNet和ASPP模块组成的神经网络结构进行冰底特征结构的精准识别,ResNet网络可以通过增加网络层数来提取更深层次特征,同时实现网络快速收敛;ASPP模块可以通过调整扩张率来改变特征图的感受野,实现不同大小图片不同尺寸特征的识别。实验结果证明该算法在小批量数据集上同样具有较高的识别准确度,适用于在雷达数据中检索冰盖内部的罕见特征;同时使用RealESRGAN超分技术对数据集进行了预处理,以达到提高识别准确度的目的。适应国内雷达数据采集设备的小体积、轻负荷和快移动速度的特点,本文提出了一种更加高效的深度学习方法,该方法采用轻量级网络MoblieNet V3代替ResNet网络作为网络结构的backbone。MobileNet网络在准确率小幅度降低的前提下可大大减少模型参数与运算量,实现时间消耗与性能的平衡,适用于移动端设备实时检测的场景。与基于ResNet网络的识别算法相比,该算法可节省81.9%的内存占用空间和92.2%的推理时间,同时具有较高的识别准确度,为移动设备实时识别雷达图片特征提供了一种可能。

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： 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： 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： 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。