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圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

应用声学 2023年

作者：孔惠元王鉴李仰军韩焱中北大学山西省信息探测与处理重点实验室中北大学山西省现代无损检测工程技术研究中心

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时，受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响，扫描声束的波阵面产生弯曲，在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低，无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题，建立了一种基于... 详细信息

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时，受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响，扫描声束的波阵面产生弯曲，在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低，无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题，建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律，建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间，对各阵元发射时间进行控制，从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例，对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验，结果表明该文方法计算效率显著提升，同时声束可以在预设位置实现聚焦，验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。

关键词：相控阵超声检测圆柱类构件聚焦模型

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基于频谱位移模块的环境声音识别方法

电子测量技术 2022年第5期45卷 62-67页

作者：李传坤郭锦铭李剑孙袖山中北大学信息与通信工程学院太原030051 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室太原030051 中北大学无损检测技术中心太原030051

针对卷积操作只能提取局部频谱信息,不能有效地挖掘频谱之间相关信息的问题,提出了一种基于频谱位移模块的神经网络。该网络采用密集卷积神经网络的架构,并在支路上使用频谱位移模块实现频谱信息之间的交互。利用这种频谱移位取代了频... 详细信息

针对卷积操作只能提取局部频谱信息,不能有效地挖掘频谱之间相关信息的问题,提出了一种基于频谱位移模块的神经网络。该网络采用密集卷积神经网络的架构,并在支路上使用频谱位移模块实现频谱信息之间的交互。利用这种频谱移位取代了频谱间的下采样操作,实现了频谱的全局化特征提取,同时避免了下采样过程中信息的丢失,进一步地提高了频谱特征图质量。并在公开的数据集ESC10和ESC50上验证频谱位移密集模块,在两种数据集的分类准确度分别达到了96.00%和88.75%,与原有的网络相比准确度分别提升了2.1%和2.25%。实验结果表明,和现有的其他卷积神经网络方法相比,所提出的网络能够更好有效地挖掘全局时频信息,具有更高的识别准确率。

关键词：环境声音识别卷积神经网络频谱位移密集神经网络深度学习

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圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

应用声学 2024年第1期43卷 213-222页

作者：孔惠元王鉴李仰军韩焱中北大学山西省信息探测与处理重点实验室太原030051 中北大学山西省现代无损检测工程技术研究中心太原030051

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱... 详细信息

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。

关键词：相控阵超声检测圆柱类构件聚焦模型

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一种复杂背景下的目标分割算法

弹箭与制导学报 2010年第4期30卷 197-200页

作者：李建萍付丽琴韩焱中北大学现代无损检测工程技术研究中心

自动目标检测是图像精确制导技术的重要研究内容。针对地面复杂背景条件下目标难以检测的问题，提出一种结合灰度形态学滤波与直方图独立蜂搜索的目标分割方法。首先，对复杂背景下的图像进行形态学滤波和增强，增强目标和背景的灰度对... 详细信息

自动目标检测是图像精确制导技术的重要研究内容。针对地面复杂背景条件下目标难以检测的问题，提出一种结合灰度形态学滤波与直方图独立蜂搜索的目标分割方法。首先，对复杂背景下的图像进行形态学滤波和增强，增强目标和背景的灰度对比度；然后利用文中提出的图像直方图独立峰搜索方法确定图像阈值．对图像进行分割。实验表明：文中方法是有效的．对复杂背景下的目标图像可取得较好的分割效果。

关键词：数学形态学阈值分割自适应阈值

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基于声卡的数据采集系统设计

伺服控制 2011年第7期 87-89页

作者：刘妍中北大学无损检测中心

随着计算机技术的不断发展和DSP(数字信号处理)技术不断走向成熟,声卡作为PC机和便携式计算机中基本配置设备,已经成为一种高性价比的音频信号采集输出系统,它同时具有A/D和D/A转换功能,不仅价格低廉,而且兼容性好、性能稳定、灵活通用... 详细信息

随着计算机技术的不断发展和DSP(数字信号处理)技术不断走向成熟,声卡作为PC机和便携式计算机中基本配置设备,已经成为一种高性价比的音频信号采集输出系统,它同时具有A/D和D/A转换功能,不仅价格低廉,而且兼容性好、性能稳定、灵活通用,非常适合作为虚拟仿真实验系统的首选采集设备。本文利用声卡DSP技术和LabVIEW编程软件,提出了一种基于声卡的数据采集与分析的设计方案,用声卡代替一般的数据采集卡,在LabVIEW环境中实现了数据采集、信号分析(时域分析和频域分析)及信号存储回放等多种功能。利用本系统的各功能模块对实际采集到的信号数据进行分析,得到了试验分析结果,获得较满意的效果。

关键词：声卡 LabVIEW 数据采集信号分析

热成型结构修饰塑料光纤SPR折射率传感器研究

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热成型结构修饰塑料光纤SPR折射率传感器研究

作者：徐跃中北大学

学位级别：硕士

折射率是物质的一个重要物理属性,常被检测来鉴别物质组成成分、浓度、纯净程度及品质等。新型折射率传感器在这种产业环境下方兴未艾,光纤的出现也给这一领域在成本、安全性、微型化和智能化方面带来巨大创新优势,同时也促进了物理学... 详细信息

折射率是物质的一个重要物理属性,常被检测来鉴别物质组成成分、浓度、纯净程度及品质等。新型折射率传感器在这种产业环境下方兴未艾,光纤的出现也给这一领域在成本、安全性、微型化和智能化方面带来巨大创新优势,同时也促进了物理学、化学、生物学等学科的不断交叉融合。石英光纤传感器在日常生活中最为常见,但石英光纤对光纤耦合精度要求高,器件价格昂贵,这大大增加了石英光纤传感器的制备成本,限制了其在光纤传感领域的应用。而相对于石英光纤,塑料光纤因其在成本方面的巨大优势,成为目前光纤折射率传感器的理想选择,并且塑料光纤质地柔软、可塑性强,为塑料光纤折射率传感器的多种结构提供了可能。光纤表面等离子体共振(surface plasma resonance,SPR)技术是一种可实现外界微小折射率变化感知的高灵敏、体积小、抗电磁干扰和大动态测试范围的传感技术。相比石英光纤,塑料光纤优异的柔韧性性使其更易通过结构修饰增强SPR效应。为此,本文通过热成型结构修饰提出扁平形结构和螺旋形结构的塑料光纤SPR折射率传感器。从传感器的结构出发,研究了这两种传感器传感部分结构参数对总体性能的影响,得到的主要结果如下:采用机械热压技术将塑料光纤压制成扁平形,结合表面等离子体共振技术与磁控溅射镀膜技术,制备得到一种扁平形塑料光纤SPR折射率传感器,对其折射率传感特性的研究结果表明,由传感区厚度为500μm的扁平状塑料光纤所制备的SPR传感器具有更好的折射率传感特性。此外,通过更改传感区域长度、单/双侧镀膜以及更换镀膜种类来优化传感特性,结果表明,当扁平厚度为500μm,传感区域长度为20mm,而且在扁平区域两侧均镀有50nm厚的金属Ag膜时,在折射率从1.335到1.400的测量范围内,获得的最高灵敏度为2568.4nm/RIU,分辨率为2.73×10RIU。采用机械热压和扭曲的方法,将塑料光纤制备成螺旋形,同样结合表面等离子体共振技术与磁控溅射镀膜技术,制备得到一种螺旋形塑料光纤SPR折射率传感器,并研究了它的折射率传感特性。经过结构优化,当螺旋形塑料光纤的长度为10mm,螺纹数为4时,折射率测量灵敏度为2168.9nm/RIU。

关键词：塑料光纤表面等离子体共振磁控溅射镀膜扁平形塑料光纤SPR折射率传感器螺旋形塑料光纤SPR折射率传感器

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机载脉冲无源双基地雷达目标检测技术研究

机载脉冲无源双基地雷达目标检测技术研究

作者：王婷婷中北大学

学位级别：硕士

传统雷达进行目标检测时,需要自身辐射信号,而机载脉冲无源双基地雷达系统可以克服传统雷达的这种缺陷,利用非合作雷达发射信号,不易被发现和追踪,具有较强的抗干扰能力、简单的距离测量等优势,且由于机载接收机平台的高度优势也有更大... 详细信息

传统雷达进行目标检测时,需要自身辐射信号,而机载脉冲无源双基地雷达系统可以克服传统雷达的这种缺陷,利用非合作雷达发射信号,不易被发现和追踪,具有较强的抗干扰能力、简单的距离测量等优势,且由于机载接收机平台的高度优势也有更大的探测范围、行动灵活等优点,故具有极大的研究价值。但是机载雷达进行海上目标检测时,处于下视状态,将受到较强的杂波以及直达波信号的干扰,会影响雷达的目标检测性能。所以,本文从杂波建模、直达波与杂波抑制、目标检测开展对机载脉冲无源双基地雷达系统目标检测的理论与仿真研究,旨在提高此雷达系统的目标检测性能。本文的主要工作为:(1)地-空构型下机载脉冲无源双基地雷达信号建模与仿真。首先,建立固定辐射源、机载接收机的无源双基地雷达的几何结构,研究了以线性调频信号作为辐射源发射信号的多接收机通道的信号模型。然后,对接收机照射范围进行散射单元划分并计算每个散射单元擦地角,建立接收机在不同天线阵面配置下的海杂波模型。最后,分析杂波在空间与多普勒频率上的分布特性,仿真得出杂波在正侧视阵下杂波空间与多普勒上存在线性关系,杂波具有非依赖性;在斜向阵和前向阵下杂波空间与多普勒上不是线性关系,并且杂波的距离依赖性与双基地距离呈负相关。(2)机载脉冲无源双基地雷达直达波与杂波抑制技术。为了获得感兴趣的目标回波信号,需要对接收系统中的直达波、杂波信号进行处理,提出了线性约束最小方差准则(LCMV)的自适应波束形成算法和空时自适应处理(STAP)算法。然后,通过引入降维处理多普勒三通道联合自适应处理(3DT-STAP)和局部联合自适应处理(JDL-STAP)减少空时自适应滤波的计算量。最后,分析了不同阵元数下的自适应波束形成,结果表明阵元数为8时可以准确在直达波方向形成凹陷;通过STAP处理的相关性能参数仿真对比,发现JDL的性能不如3DT且3DT处理与全STAP性能误差较小,并且经过3DT-STAP处理的不同天线阵面下形成的凹口与之前的杂波仿真相符合,进一步证明了3DT-STAP的有效性。直达波以及杂波信号的处理为之后的目标检测研究提供了基础。(3)机载脉冲无源双基地雷达OSSVI恒虚警检测算法。首先,对雷达系统下的三种杂波背景均匀杂波、杂波边缘、多目标干扰进行了介绍。然后,提出了一种基于可变指数恒虚警(VI-CFAR)、有序统计恒虚警(OS-CFAR)和交互式恒虚警(S-CFAR)的自适应策略OSSVI-CFAR检测器。该检测器在前/后窗存在目标干扰时,采用OS-CFAR代替单元平均恒虚警(CA-CFAR),在前后窗均具有干扰目标的情况下,用开关型恒虚警(S-CFAR)代替单元平均取小恒虚警(SO-CFAR)。最后,通过对比仿真分析得到:OSSVI-CFAR在均匀环境下检测效果仅次于CA-CFAR;在多目标环境下,单侧及双侧存在干扰目标时,OSSVI-CFAR的检测性能分别达到99.32%和99.25%;在杂波边缘虚警概率控制在0.005附近,具有一定的虚警控制能力;并且从经过OSSVI-CFAR处理的距离-多普勒图及角度-多普勒图中可以看出目标的角度、距离、多普勒信息,与提前注入目标信息一致,验证了方法可行性。

关键词：机载雷达海杂波空时自适应处理目标检测 CFAR OSSVI-CFAR

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分布式光伏微网监测和能量流控制技术研究

分布式光伏微网监测和能量流控制技术研究

作者：杨鑫鑫中北大学

学位级别：硕士

随着“碳达峰”“碳中和”的提出,电力市场的主要成分变为以去中心化为特征的新型能源主体。分布式光伏发电系统是极其重要的一部分,为使分布式光伏微网在正常运行下,有效解决光伏出力的随机性问题,对大电网能量协调配比,起到削峰填谷... 详细信息

随着“碳达峰”“碳中和”的提出,电力市场的主要成分变为以去中心化为特征的新型能源主体。分布式光伏发电系统是极其重要的一部分,为使分布式光伏微网在正常运行下,有效解决光伏出力的随机性问题,对大电网能量协调配比,起到削峰填谷的作用;异常运行下,能够及时预警,发出警报,减少损失,对分布式光伏的运维监测和能量流控制具有重大意义。本文的主要工作内容如下:在综述分布式光伏运维监测、无线传输和能量流控制技术研究现状的基础上,针对分布式光伏的无人化监测需求,设计了温度、光照强度、电压、电流等参数的硬件采集电路,开发了基于Lab VIEW的云平台上位机软件,利用NB-Io T和Zigbee无线通信技术构建了含有感知层、网络层、应用层和控制层的分布式光伏监测系统。测试实验验证了数据采集、传输、显示、分析及记录,实现了分布式光伏运行状态的无人化实时监测,解决了分布式光伏发电系统实时监测数据匮乏以及故障预警的问题。在监测的相关数据参数作为数据支撑的前提下,针对光伏最大出力问题,利用MATLAB建立了光伏微网的仿真模型,获取了光伏微网中光伏出力时间的特征,采用了改进粒子群算法,优化了光伏的出力情况。针对传统光伏微网功率分配不精确与电价成本高的问题,提出了计及实时电价的能量流控制策略,根据不同时间段分布式光伏微网各组件的出力情况以及实时电价确定了8种控制方式,通过仿真实验验证了能量流控制策略的可行性,对比分析了不同微网控制策略的经济性问题,有效地降低了用电成本。本文所提及的分布式光伏监测系统和能量流控制策略技术研究,实现了信息流和能量流的双向流动,相比于传统微网,具有更快的反应能力和低成本的优势,极大提高了光伏发电的利用率,对“虚拟电厂”的智能电网技术起到推进作用。

关键词：分布式光伏微网物联网监测能量流控制

面向急性缺血性脑卒中CT到MRI的跨模态图像生成算法

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面向急性缺血性脑卒中CT到MRI的跨模态图像生成算法

作者：冯二燕中北大学

学位级别：硕士

急性缺血性脑卒中发病急,致死率高,严重威胁着病患的生命安全。能否进行有效的溶栓治疗,关键在于早发现、早治疗。CT是急性缺血性脑卒中患者首选的影像检查技术,可以及时排除是否有颅内出血,但CT对急性缺血性脑卒中病灶不敏感,通常在CT... 详细信息

急性缺血性脑卒中发病急,致死率高,严重威胁着病患的生命安全。能否进行有效的溶栓治疗,关键在于早发现、早治疗。CT是急性缺血性脑卒中患者首选的影像检查技术,可以及时排除是否有颅内出血,但CT对急性缺血性脑卒中病灶不敏感,通常在CT上难以发现病灶,需要做进一步的MRI检查。MRI对病灶极其敏感,但MRI成像速度慢、价格昂贵、受限较多,如有金属植入物的患者不能进行MRI检查。近年来,利用生成对抗网络由CT生成MRI可解决MRI受限的问题,但目前的生成算法都是应用在CT上已能较明显的发现病灶而在生成的MRI上不明显的情况下,但急性缺血性脑卒中病灶在CT上不明显,在MRI上清晰可见,CT和MRI的信息量不对等,这导致生成对抗网络会生成错误的MRI,无法应用在临床诊断中。为此,本文的思想是利用影像组学在CT上获取病灶先验知识,再利用生成对抗网络实现CT到MRI的跨模态图像生成,具体如下:(1)针对由信息量少的CT生成信息量多的MRI,会导致生成的MRI上没有病灶或出现错误病灶的问题,本文提出了融合影像组学特征的生成对抗网络。尽管在CT上无法发现缺血性脑卒中的病灶,但在CT上病灶组织和正常组织的影像组学差异明显。利用这一特性,本文通过多尺度锚框确定病灶位置及范围,提取CT病灶区域的影像组学特征,并与真实的CT一起输入生成对抗网络,生成对抗网络在pix2pix的生成器U-net下采样后加入残差块,加深网络提取深层特征,又不引起网络退化问题。(2)针对CT和MRI空间一致性问题,即生成的MRI与真实的CT在同一位置所对应的解剖结构和病理信息不一致问题,本文提出基于自注意力机制的生成对抗网络,在生成器U-Net的跳层连接中加入自注意力机制,不仅可以有效提取到重要特征,更关注到图像块之间的全局联系,提高生成图像的质量。(3)针对生成器U-Net网络在训练中网络层数不好把握,且网络参数量大,计算复杂,训练难度大的问题,本文提出了基于残差块的轻量级生成网络,将生成器改为由残差块组成的“编码-解码”网络,在保证生成图像质量的前提下,大大降低了网络训练的参数量,有效地加快了网络训练的速度。(4)引入病灶特征相似性损失函数。在损失函数中加入生成的MRI与真实的MRI的病灶影像组学特征的差值,作为网络整体损失函数的一部分,更加约束病灶区域的生成效果。本文实验使用ISLES2018挑战赛数据集,实验结果表明,加入影像组学特征与病灶特征相似性损失函数对生成图像有显著提高,所提算法生成的MRI与真实MRI相似性极高,且病灶位置正确,形状相似,具有一定的临床意义。

关键词：跨模态医学图像生成影像组学生成对抗网络计算机断层扫描(CT) 磁共振成像(MRI)