关键词： 探地雷达   天线   超宽带   复合加载   gprMax   数据处理   管线探测  

摘要： 随着我国城市化进程的加快,地上空间资源日益紧张,合理的开发地下空间有利于城市的进一步建设。在市政基础设施建设过程中,由于地下结构的复杂性和隐蔽性,开发施工过程中事故频发,尤其因位置信息不准确导致地下浅层管线断裂、管道泄露等危险情况。因此,利用物探技术提前进行探测,了解地下管线分布具有重要意义。探地雷达具有探测分辨率高、探测效率高、无损探测等优势,在交通设施质量检测、地质灾害预防、浅层地下管线探测等方面应用广泛。天线作为整个雷达系统的关键部分,其工作性能直接影响雷达系统的探测结果。传统商用雷达天线存在工作带宽窄、分辨率差等问题,在探测过程中需要频繁更换天线,影响探测效率。本文面向城市地下浅层管线的探测需求,对实现天线超宽带和高增益的关键技术展开研究,设计了一种改进型折叠式探地雷达超宽带天线,通过测试实验验证了天线的工作性能以及搭建系统的可行性。论文主要内容如下:(1)首先对探地雷达探测方法进行了介绍,阐释了探地雷达系统的工作原理、关键性能指标及探测方式。分析了天线中心频率以及天线间距等因素对雷达探测效果产生的影响。基于探地雷达天线基本理论,总结了影响天线性能的各项参数,为天线的设计方案提供了依据。(2)基于蝶形天线的设计理论,通过结构加载和电阻加载相结合的复合加载技术对蝶形天线进行改进设计。通过截臂、开槽、折叠等结构加载方式有效提高了天线低频段工作带宽并实现天线的小型化,对天线末端进行电阻加载减小了信号的拖尾程度,设计并装置V型反射背腔提高天线方向性增益和抗干扰能力。改进后的天线阻抗带宽为75MHz～720MHz,相对带宽达到162%,频带内辐射主瓣突出,辐射特性优越。天线尺寸为480mm×225mm×170mm,能够满足面向地下浅层管线探测的探地雷达系统需求。(3)对地下浅层管线进行了数值模拟仿真,将所设计天线的基本参数带入正演模拟中,通过gpr Max3.0对地下浅层管线模型分别进行了单目标介质和多目标介质的二维正演数值模拟,仿真结果验证了天线在实际探测场景中的可行性。对二维正演模拟数据进行了直达波去除和弱信号增益调节处理,并利用希尔伯特变换实现了探地雷达信号瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率的提取,进而对异常信号进行多角度分析,准确判断管线埋深和管径等信息。最后,对改进型折叠式超宽带蝶形天线进行了加工制作,使用本文搭建的探地雷达系统进行了室内对空实验和模拟地下管线分布的沙槽实验。实验结果表明,该系统能够对城市地下空间浅层管线进行探测,验证了探地雷达系统的有效性和天线的优越性能。

关键词： 激光告警   光栅衍射   图像数据处理   DSP  

摘要： 随着科技和激光技术迅猛发展,激光武器由于其强大破坏力和威力被广泛应用于战场,目前军事领域中主要应用波段为可见光和近红外波长激光。激光告警系统按原理大致可分为光谱识别型、相干识别型、散射探测型和全息探测型等。不同工作原理的激光告警系统有各自特点,光栅衍射型激光告警系统功能上可以测量波长、方位角、俯仰角数据,并具有分辨率较高,工艺较为简单,成本较低的特点,因此,光栅衍射型激光告警系统是一种较为有效的激光告警系统。本文基于高精度、宽波段等要求搭建光栅衍射型激光告警系统进行图像采集及数据处理研究。首先,通过对光栅衍射型激光告警系统构造及工作原理研究,和激光光斑中心定位算法的研究,研究一款高精度、宽波段光栅衍射型激光告警系统,其可探测波段为500nm～1600nm、视场范围水平95°、垂直72°;其次,研究图像实时采集及传输系统设计,采用的方法是现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片控制探测器以及模拟数字转换器(analog to digital converter,ADC)实时采集图像,由外部存储器接口(External Memory Interface,EMIF)将图像数据传输至DSP芯片(Digital Signal Process,DSP)进行图像处理,再设计数据通信程序,能够实现图像数据实时传输;然后,根据成像光斑特点对传输的图像数据进行预处理,有效抑制背景干扰信号,校正畸变现象并提取目标光斑;最后,因采集光斑图像较为规整,采用时效较快、对接近圆形的光斑中心计算较为精准的灰度重心法提取目标光斑中心数值进而计算入射激光信息,分析误差产生原因并进行算法优化,达到方位角误差0.25°、俯仰角误差0.35°。本文结合光栅衍射特点和国内工艺加工水平,在使用一套系统、一个探测器下,设计并搭建高精度宽波段激光告警系统,根据目标光斑成像特点对采集图像数据进行预处理并提取目标光斑、计算光斑中心,满足高精度宽波段激光告警功能,对探测未知激光设备并准确定位具有重大意义。

关键词： 无人机   非完备信息   数据处理   极限学习机   目标意图预测   模糊聚类算法   攻防博弈决策   量子粒子群优化   滚动时域控制  

摘要： 随着技术的快速发展,无人机在空战中的重要程度和参与度越来越高,这引起了各国科研人员的高度关注。攻防决策是无人机技术的重要组成部分,有助于提高无人机的智能化水平。本文主要针对非完备信息下无人机目标意图预测与攻防博弈决策技术开展研究,主要研究内容如下: 首先,构建无人机攻防博弈决策系统的总体框架,并详细介绍了总体框架的基本工作原理以及所设计的非完备信息数据处理、目标意图博弈预测、空战攻防博弈决策三个关键技术的有关概念和问题描述等。 其次,针对无人机空战信息具有非完备性的问题,提出了一种基于极限学习机的无人机非完备信息数据处理模型。对无人机空战中的异常值和缺失值进行定义,传感器采集大量空战信息,采用K-means聚类方法来甄别空战信息中的异常值,并将甄别出的异常值视作缺失值,获得空战非完备信息样本。在无人机空战完备信息样本集的基础上,采用极限学习机对空战信息各属性之间的映射关系进行挖掘。依据非完备信息样本中缺失值的属性选择相应的映射关系来对缺失值进行修补,并且通过一系列的仿真实验来验证该无人机非完备信息数据处理模型的准确性。 然后,针对无人机目标意图预测问题,提出了一种基于模糊聚类分析方法的无人机空战目标意图博弈预测方法。建立无人机空战的意图空间,确定多维的无人机空战特征,使用模糊聚类分析方法对空战信息进行聚类处理,获得空战意图的映射规则;采用区间数表示不确定空战信息,将无人机的状态信息和空战意图基准作为博弈双方,借助博弈论方法来预测目标的空战意图,并且通过仿真算例验证了该意图博弈预测模型的可靠性。 最后,针对无人机空战攻防决策问题,模拟二人零和博弈,提出了一种基于量子粒子群优化的无人机空战攻防博弈决策模型,并分别进行战术博弈决策和机动博弈决策。建立空战中无人机的质点运动方程和基本机动动作库,并依据超视距空战的特点,建立无人机空战的综合态势评估模型。根据态势评估结果和意图博弈预测结果,采用区间数表示不确定空战信息,建立战术博弈决策模型,使用量子粒子群优化算法求解无人机空战战术的纳什均衡解,确定无人机的火力攻击目标。根据战术博弈决策的结果,将空战机动过程离散化,使用滚动时域控制方法建立无人机机动博弈决策模型,再采用量子粒子群优化算法求解机动动作的纳什均衡解,确定无人机的机动动作,改变无人机的飞行状态,通过仿真验证了该攻防博弈决策模型的可行性和有效性。 综上所述,本文主要完成了基于极限学习机的无人机非完备信息数据处理、基于模糊聚类分析方法的无人机空战目标意图博弈预测以及基于量子粒子群优化的无人机空战攻防博弈决策三个关键技术的主要研究,并通过一系列的仿真实验进行可行性和有效性的验证,从而构建出无人机空战攻防博弈决策系统。

关键词： 光谱共焦传感器   三维点云   三维测量   PCL   点云数据处理  

摘要： 在现代化生产的需求以及计算机、微电子等先进技术推动下,各种微型元器件得到广泛应用,对元器件表面质量检测可以判断产品合格与否,提高工业生产效率。光谱共焦传感器以其非接触、高精度、方便在线部署的特点近年来在三维检测领域备受关注。本文通过光谱共焦传感器和精密三轴移动平台搭建光谱共焦系统,扫描获取微型元器件的三维点云数据,针对点云数据在空间中的特征属性,在系统上研究开发了一套较为完善的点云数据处理方法,对实验室三维测量项目的发展起到推动作用。论文主要从以下几个方面展开研究:1.介绍点云数据的基本概念和在计算机上的存储格式,为解决点云数据在空间中离散分布带来的问题,必须构建点与点之间的索引,创建点集之间的空间拓扑关系,为此引出点云数据的空间索引结构及其最关键的特征法向量和曲率;对开发过程调用的相关算法库,包括PCL点云库、Qt和其他相关技术进行研究。2.对点云数据处理的关键技术作理论分析和验证,包括数据的滤波去噪、简化、拟合、分割和曲面重建等。通过光谱共焦系统采集电路板元件点云,对电路板上的电容、划痕、孔洞等进行检测并作数据处理,在测量电路板电容过程中,提出基于高斯权重的空间点云平面拟合方法,通过该方法对分割后的电容上下表面拟合,精确计算得到电路板电容的高度和翘起度,精度达到1.2μm,满足微型元件高精度测量要求,具有较强的意义。3.采用C++面向对象编程思想,结合Qt图形界面框架,调用PCL等相关算法库开发了一套基于光谱共焦的三维点云数据处理系统,完成点云数据处理的基本功能和操作。最后通过多组测试数据对系统各模块功能、操作流畅度、处理效率进行了测试和分析。

关键词： 数据处理能力   信息技术   项目式   教学设计  

摘要： 当前社会已逐步进入由移动互联网、大数据和人工智能技术为代表的数字化社会进程中,数据价值日趋显现,数据处理能力是数字化社会公民的必备技能之一。高中生阶段作为人才培养的重要时期,也是迈入数字化社会的重要力量,在高中信息技术课程教学中培养和提高其数据处理能力是一项有意义的工作,有很大的实践价值。本文首先结合现实应用需求和调查分析、确定了高中生数据处理能力的概念及构成要素(明确数据需求、数据采集、数据储存、数据加工、数据分析和数据表达)及其递进关系,以建构主义学习理论、发现学习理论及合作学习理论为基础,运用了文献研究法、问卷调查法等,分析了项目式学习活动特点,探索了其与数据处理能力培养之间的适切性,设计了面向高中生数据处理能力的项目式学习活动设计流程。其次,按所提出的项目式学习活动设计流程设计了学习活动案例,并在所实习学校开展了相关教学活动。最后为验证有效性设计了研究方案,对结果进行了测量与分析,并调查了学生对教学的满意度。实践表明,应用本文提出的面向数据处理能力的项目式学习活动设计流程在培养学生的数据处理能力方面有所提高,验证了该流程的有效性,为高中生数据处理能力培养的教学实践提供了有价值的参考。

关键词： 表面等离子体共振高光谱成像   双偏振信息   光谱矫正   数据处理  

摘要： 表面等离子体共振高光谱成像(surface plasmonresonancehyperspectral imaging,SPR-HSI)技术将波长提取型表面等离子体共振成像(surface plasmon resonance imaging，SPRi)技术与高光谱成像(hyperspectral imaging，HSI)技术相结合，可实现免标记、高灵敏度、高通量的原位探测。常规波长型SPRi传感器仅能反映检测区域内平均的光学性质，空间分辨率不足，而高光谱成像技术弥补了这一缺点，为波长型SPRi传感器提供了像素级的光谱分析能力。薄膜样品的表面形貌与厚度通常需要通过显微镜、椭偏仪等多种专用仪器配合检测才能获得，多种仪器的相继使用就难以做到原位检测。SPR-HSI可以同时给出薄膜样品的表面形貌图像以及薄膜厚度的空间二维分布信息，这种新颖的传感技术目前在国内外鲜有报道，其数据处理与分析方法也亟待研究。本论文针对这种包含了样品SPR共振信息的高光谱数据，采用了一种基于双偏振信息的光谱矫正与图像处理方法进行数据处理，从光谱与图像两个维度上优化了SPR高光谱数据。并对聚苯乙烯微球、氧化物多孔薄膜和生物介质薄膜样品进行了SPR高光谱成像，并基于处理后的高光谱数据进一步提取分析共振信息，从而计算出薄膜样品的折射率、厚度等信息。论文主要包括以下内容:　　1、介绍了SPR-HSI系统的结构以及成像特点，详细讲述了基于双偏振高光谱数据的光谱矫正与图像处理方法，具体实现步骤主要包括:选择感兴趣区域并进行数据去冗;从图像维度上进行光谱矫正，消除光源光谱本身特征对共振信息提取的影响，削弱图像固有污点的对比度;从光谱维度上进行图像平滑，消除光谱与图像噪声，进一步提高共振波长提取的准确性。　　2、对平均粒径为10μm的聚苯乙烯微球进行SPR高光谱成像，使用上述数据处理方法后图像质量明显提高，聚苯乙烯微球的位置与轮廓更加清晰。将聚苯乙烯微球的SPR图像与反射式明场显微图像进行对比，分析SPR成像的特点，由于表面消逝场穿透深度的限制，SPR图像与明场显微图像呈现出明显差别，SPRi无法对超出消逝场的物体进行尺寸量化。　　3、制备了二氧化钛多孔薄膜并对其进行等离子体波导共振(plasmon waveguide resonance，PWR)高光谱成像，获得了薄膜样品表面的形貌特征图像，结合菲涅尔公式与Bruggeman等效介质模型计算得到TiO2多孔薄膜孔隙率与厚度的空间二维分布。结果表明，制备的TiO2多孔薄膜平均厚度为298nm，平均孔隙率为61％，均方根(rootmean square，RMS)粗糙度为10.3nm，其厚度的计算结果与光谱型椭偏仪的测量结果近似，RMS粗糙度的计算结果与原子力显微镜的检测结果近似。　　4、制备了单层洋葱外表皮细胞壁的撕片样品并对其进行SPR高光谱成像，细胞样品与金膜SPR芯片贴合紧密的区域发生PWR，根据多级导模共振波长信息结合菲涅尔公式求解出洋葱细胞壁的等效折射率在400-900nm范围内约为1.521-1.545RIU，单层洋葱细胞壁的厚度约为2μm。

关键词： 电潜泵   健康状态   数据处理   机器学习   LSTM网络  

摘要： 电潜泵作为一种高效的,可靠的人工举升工具,在石油行业中有着广泛的应用。电潜泵是全球第二常见的人工举升方法。据估计,在全球范围内部署电潜泵的油井数量在15万至20万口之间,电潜泵井的原油产量占约占世界原油产量的10%。然而,电潜泵系统结构复杂,集成化程度高,一旦发生故障,将导致巨大的经济损失。因此,延长电潜泵运行周期、增加电潜泵井的经济效益以及提高电潜泵生产系统的安全性能,对电潜泵井的生产管理是十分必要的。目前,延长电潜泵使用周期的手段主要是通过专家经验,人工计算以及机器学习方法对电潜泵的故障进行诊断。这些手段大多都是在电潜泵发生故障后采取的,无法在电潜泵故障前对电潜泵生产系统的风险等级,健康程度给出准确的评价。如何在电潜泵失效前对电潜泵的健康状态做出评估,并在电泵健康状态处于危险区间时发出警报,是延长电潜泵使用周期的关键。本文首先依托海上油气田现场生产数据,对电潜泵异常数据与缺失数据进行了预处理,形成了电潜泵故障数据库;对电潜泵各项参数的故障趋势、以及各参数与健康状态的相关性做出分析,选择了一批能够表征电潜泵健康状态的参数。在这些参数的基础上,利用长短时记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的特征提取能力和时间依赖性,构建了电潜泵健康状态表征模型;又通过对数据的降维、模型结的构调整,以及模型超参数的优化,改善了模型的过拟合现象,提升了健康状态表征模型的性能,最终实现了电潜泵健康状态的表征,形成了一种基于机器学习方法的电潜泵健康状态评估方法。

关键词： 智慧停车   数据管理系统   大数据实时处理   大数据平台   可视化分析  

摘要： 随着私家车数量的增长,大中城市的停车压力越来越大,单纯地通过拓展停车空间来增加停车位不太现实,更高效的解决方式是智慧停车。作为城市智能停车服务平台(智慧停车项目)后台服务的子模块,本文主要设计了城市智能停车数据的处理模式,并设计和实现了数据处理在此模式下的具体解决方案。在业务维度上,停车服务平台的数据处理模块主要涉及日常数据的管理和大批量历史数据的处理两方面的需求。相对应可以通过数据管理系统和大数据处理技术来满足停车服务平台的数据处理需求。首先数据管理系统采用前后端分离的模式,后端部分底层通过使用Spring Boot、Mybatis-Plus、Shiro等Java生态后端技术,前端部分底层通过使用Vue、Ant-design-vue,Webpack等前端技术,主要实现了用户登录、权限管理、数据权限和系统管理等功能。其次,大数据处理又包括大数据平台的构建和大数据实时处理和可视化,其中大数据平台的构建主要通过分析和比较流行大数据生态框架,将多个组件进行整合,初步设计出了可以满足多数批量数据处理业务场景的方案。大数据实时处理和可视化模块包括订单数据、车位数据以及车流量数据的实时采集,实时计算以及实时可视化。通过“数据管理系统+大数据平台+流数据的实时处理和可视化”的模式,来满足城市智能停车数据处理的需求,支持智慧停车后台服务,提升信息共享,缓解停车压力。

关键词： 阻抗谱   数据处理   等效电路   曲线拟合   Qt  

摘要： 交流阻抗谱在材料领域中有重要的研究意义,阻抗谱的研究主要包括两个方面的内容,首先是阻抗数据的可视化,即将数据绘制成曲线图表;其次是通过等效电路拟合的方法来研究阻抗特性,等效电路拟合通常需要使用复杂的数值分析算法。使用阻抗处理软件来集中处理这些需求能有效提高阻抗处理的效率。本文设计并实现了一个基于Qt的阻抗数据处理软件,具体内容如下:(1)软件总体方案设计,从阻抗数据处理软件的需求出发,选择Qt作为软件的开发平台,设计软件总体架构,将软件功能分为阻抗数据可视化和阻抗数据处理两个模块。(2)阻抗数据可视化界面设计,可视化界面用于显示阻抗数据和提供人机交互功能。该模块可以将阻抗数据绘制成曲线显示在程序窗口上,对图表参数可以精细化设置,功能包括对曲线的颜色、粗细等样式的设置,以及对图表的显示范围、标签等元素的设置。可以将阻抗转换为导纳、电模量和介电常数等参数并显示,便于在图表上观察阻抗在不同频率上的信息。(3)阻抗数据处理程序设计,首先设计阻抗数据文件格式以及数据读取程序,然后对得到的数据进行等效电路拟合。等效电路拟合的功能是对阻抗曲线进行等效电路建模,通过曲线拟合的方式计算等效电路中的元件参数和各元件参数的误差。最后使用实际测量的阻抗数据导入软件进行软件测试,分别使用电阻电容串联电路、电阻电容并联电路等进行测试,测试结果中各元件参数误差在1.3%以内,然后导入不同温度下测试的多组的阻抗数据进行测试,对各组阻抗数据同时进行拟合分析,展示同时分析多组阻抗数据的功能。

关键词： 数据监测   数据处理   交通安全监测  

摘要： 在中国城市化进程的不断增加中,基建在大力建设,特别是城市轨道交通的建设进程正在飞速提升。在城市轨道交通建设的过程中,施工事故也频繁发生,故城市轨道交通的安全监测工作必不可少。针对目前城市轨道交通安全监测中监测内容多、处理方式复杂、成果报告量大,同时极易产生偶然操作误差的问题。本文依托成都轨道交通18号线、19号线工程,参考了地铁施工安全监测的各项技术要求,通过对日常安全监测中沉降、水平位移、竖向位移、轴力、水位、测斜、地中位移等各种监测数据处理方式深入研究与集成,开发一套集自动处理各项仪器原始数据、分析生成数据、输入各类需求成果的软件系统,达到大幅减少人工差错、降低配套人员及办公设备成本、提升监测数据处理效率的目的。首先,针对目前所用监测仪器(全站仪、水准仪、水位计、测斜仪、频率仪等)需要频繁切换解析软件进行解析的问题,本文通过标准化的监测数据集成,对以上监测仪器数据进行解析,实现了对沉降、水平位移、竖向位移、测斜、水位、轴力、地中位移、净空收敛共8种不同类型监测数据的自动集成。每类监测仪器下又分为5部分:数据导入、文件生成、数据展示、数据处理以及数据存储。其次,监测数据处理分析是监测数据分析中的重要环节,也是对监测结果最为直观的体现,鉴于此,本文设计了监测数据处理分析模块,解决了数据去噪、趋势预测的问题,同时针对不同类型安全监测数据之间的联系,构建了多参数安全评价标准模型,降低人工分析的难度,提升数据分析效率及效果。在此基础上,监测成果自动生成主要包含对不同类型数据进行基本的数据再分析、图形化展示及进行了多类型台账自动化导出设计,同时根据项目管理要求,本文实现了监测报告中的日、周、月、年报的自动分析与生成。实际运用表明,该系统可以极大解决不同数据仪器需要操作不同软件的繁复性,集日常所用功能于一体,有自动化的报表生成方法,具有操作简单的特点,相对于传统导出报表耗时长的问题,可快速生成相应报表,具有重要的应用价值和市场前景。