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。

关键词： 数据处理能力   数据处理与统计   教学内容   软件应用   考核体系  

摘要： 数据处理与统计课程是高职环境监测技术专业基础课程。该课程目前在教学过程中存在教学内容理论性强、教学方法形式单一、软件运用不够充分、考核体系不够完善等教学“痛点”问题。针对这些问题，根据学生的实际需求和水平，设计更多样化、更有趣味性、更有针对性的教学活动，充分利用软件的功能和优势，建立更科学、更合理、更有效的课程教学体系。本次课程改革将从丰富教学方法、融入课程思政、应用统计软件、完善评价体系等方面改革。通过对教学方法、软件应用、考核体系的改革有效提高学生的数据处理能力，本课程教学取得良好效果，为相关专业基础课程建设提供借鉴。

关键词： 风电叶片   全尺寸结构疲劳测试   双轴加载   数据处理   损伤计算  

摘要： 叶片是风电机组的重要组成部件,为保证20年的使用寿命,需要对其进行可靠性验证,判断是否满足使用要求。目前,全尺寸结构疲劳测试是模拟叶片损伤演变的最准确方法。随着风电技术不断发展,叶片尺寸不断增大,单轴疲劳测试技术已经无法满足叶片质量和可靠性的测试需求,而双轴疲劳测试在保证精度的同时又能够提高检测效率,正逐步取代单轴测试成为行业内主要的研究方向。因此,本文以风电叶片双轴疲劳测试为背景,针对测试过程中数据处理困难以及损伤无法计算等问题展开相应的研究,主要研究内容如下:(1)提出基于形态学滤波的风电叶片应变数据处理方法。首先建立不同结构元素的形态学滤波器与三点平滑算法对原始信号进行滤波和平滑处理,其次设计峰值检测算法以准确检测信号的峰值和谷值完成数据处理。最后利用双轴共振式全尺寸结构疲劳测试原理样机进行试验对该方法进行验证,发现该方法能够在保证原始信号特征值的前提下准确地输出信号峰、谷值,有效地完成了数据处理。(2)风电叶片疲劳测试异常应变数据修补方法。提取双轴疲劳测试过程中产生的异常应变数据,得到基线漂移信号、零点漂移信号以及缺失信号三种主要异常类型。分别采用拟合趋势项、滑动平均法以及均值插补法的方式对异常数据进行修补。结果表明,修补后的数据能够反映疲劳加载过程,可以用该方法处理双轴测试过程中出现的异常应变数据。(3)提出风电叶片双轴疲劳测试损伤计算方法。根据风电叶片疲劳损伤机理,考虑双轴加载下结构应力的随机叠加效应,基于实时应变数据,建立叶片的S-N曲线和CLD模型,利用线性Miner累积损伤理论计算被测叶片的累积损伤。通过风电叶片疲劳试验台,对52.5米叶片进行疲劳试验并计算损伤,结果表明,该方法能够有效地计算出应力叠加下叶片的损伤情况。同时发现,双轴加载下挥舞方向的载荷对叶片前缘、后缘的应变响应影响较大,使其应变响应相对于单轴加载时降低,摆振方向的载荷对主梁方向的应变响应影响较小,使主梁上的应变响应相对于单轴加载时增大,从而导致叶片在单、双轴加载下的损伤规律不同。(4)设计风电叶片疲劳损伤在线实时评估系统。结合本文提出的应变数据处理方法以及双轴加载损伤计算方法,设计了风电叶片损伤在线实时评估系统。利用52.5米叶片双轴疲劳试验数据分别进行离线损伤计算和在线损伤计算,结果表明,实时在线损伤评估系统计算速度快、精度高、更有利于把控试验进程。

关键词： 多波束测深系统   底质分类   反向散射强度   角度响应现象   XGBoost  

摘要： 海底底质分类是海洋调查的重要工作,多波束测深系统反向散射强度数据以其高分辨率、全覆盖性的优势,为海底底质分类研究提供了一种新的技术手段。受限于多波束数据种类的复杂多样和数据处理方法的不完善,多波束反向散射强度影像存在噪声污染严重、角度响应误差和条带拼接误差大等问题,严重影响了底质分类的精度。基于此,文中借助多波束数据集实现了反向散射强度数据解码成像的一系列关键技术,改正了反向散射强度数据的角度响应现象,并依托改正后反向散射强度影像研究了一种基于CAE与XGBoost组合模型的多波束底质分类改进方法,实现了基于多波束反向散射强度影像的海底底质精细分类。主要工作如下: (1)阐述多波束海底底质分类的意义、多波束数据处理发展现状和海底底质分类研究现状。分析了多波束反向散射强度数据处理上的不足以及海底底质分类现有方法的缺陷,结合多波束测深系统机理和海底底质分类原理确定了论文整体思路。 (2)基于Kongsberg EM系列多波束数据集完成了从数据解码、脚印归算、声强数据补偿改正、地理编码到影像去噪全流程处理方法,最终生成的水深图和反向散射强度影像,为后续海底底质分类提供了数据基础。 (3)针对反向散射强度影像改正误差大、角度响应参数定位难、纹理效果差的问题,研究了一种基于双边滤波的自适应角度响应改正算法。首先通过双边滤波保边去噪的特性准确找出了实验区角度响应曲线近似值;其次拓展细化EM官方模型并定位角度响应曲线的三参数;而后以三参数和原始数据为基础计算修正值并实现全测线改正。实验结果表明,基于双边滤波的自适应角度响应改正算法比EM官方改正和其他改正方法精度更高,纹理效果更优,并在实际应用中合理可行。 (4)针对底质分类数据单一和采样标签稀缺,且现有分类器精度差、分类错误等问题,研究了一种基于CAE与XGBoost组合模型的多波束底质分类方法。文中以水深图和反向散射强度影像为基础提取多维特征影像,后通过改进的CAE实现二次学习和降维,最终利用XGBoost集成算法实现底质分类。实验表明,新模型底质分类结果连续性好、边界清晰、准确率高,达到90.45%,明显优于其他传统方法。