HPIV及其初步应用研究

全息粒子图像测速技术（HPIV）为一种对流体容积（三维空间）进行瞬时三维 (u,v,w) 速度场测量的技术.本项研究采用了双YAG脉冲激光器二次曝光、漫射照明、参考光对称布置全息术记录三维空间的粒子三维位移场,再现粒子空间场又采用了体视粒子图像测速技术分别截取各切面上的粒子三维位移场,其中由于采用了不同方向的参考光分别再现不同曝光时刻的粒子图像,可以用互相关技术,实行位移方向的自动判别.本项技术用 于立方体对角水流中的三维旋涡流动的瞬态三维速度场的初步测量.本文给出了瞬时复杂的三维旋涡部分空间结构和速度场分布图.     

基于连续性条件的体PIV后处理技术

对粒子图像测速技术(PIV,Particle Image Velocimetry)体空间内三维速度场的后处理技术进行研究,引入不可压缩连续性方程的约束对实验测得流场进行修正,使得修正后流场严格满足差分形式的连续性方程.通过流场修正的后处理技术实现拉格朗日乘数法求解全流场修正速度场二范数的极小值.理论推导严格证明了修正后的速度场在数学上更接近满足连续性方程的真实流场.对解析流场引入高斯噪音来进行人工模拟的测试,其结果进一步验证了修正后流场能更趋近于真实流场,对流场中出现的PIV常见的高斯分布噪音有一定的消弱作用.该技术被成功应用于实验数据的后处理,结果表明其能改善测量速度场的平滑度.     

基于连续性条件的体PIV后处理技术

对粒子图像测速技术(PIV,Particle Image Velocimetry)体空间内三维速度场的后处理技术进行研究,引入不可压缩连续性方程的约束对实验测得流场进行修正,使得修正后流场严格满足差分形式的连续性方程.通过流场修正的后处理技术实现拉格朗日乘数法求解全流场修正速度场二范数的极小值.理论推导严格证明了修正后的速度场在数学上更接近满足连续性方程的真实流场.对解析流场引入高斯噪音来进行人工模拟的测试,其结果进一步验证了修正后流场能更趋近于真实流场,对流场中出现的PIV常见的高斯分布噪音有一定的消弱作用.该技术被成功应用于实验数据的后处理,结果表明其能改善测量速度场的平滑度.     

共轴式双旋翼尾迹流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验.将激光片光定位于旋翼的纵向截面,桨叶的方位角和图像的获取是同步的.测量得到了旋翼流场的瞬时涡量和速度分布、桨尖涡的结构和脱落轨迹、悬停时的尾迹边界收缩和前飞时的尾迹边界倾斜角等.研究了不同状态下共轴式双旋翼流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行了同样的测量.实验得到了有价值的结果,对共轴式直升机的气动计算和合理设计具有重要意义.      

蜻蜓翼三维流动结构的演变

为了与蜻蜓前后翼流动干扰的流动结构作比较,首先研究了悬停飞行状态下单个蜻蜓翼周围的三维流动结构,利用一套机电拍动翼运动模拟机构模拟了一个蜻蜓翼的拍动,使用数字体视粒子图像测速技术(DSPIV,Digital Stereo Particle Image Velocimetry)和多切面锁相技术分别测量了两个下拍拍动相位时刻(t=0.25T,0.375T)和两个上拍拍动相位时刻(t=0.75T,0.875T)蜻蜓翼周围的瞬时空间三维流场,运用局部涡识别准则中的λci准则来识别和显示了流场中的三维涡结构,还展示了蜻蜓翼各个展向测量截面中的|ωz|等值线、蜻蜓翼前缘涡的涡核线相对于蜻蜓翼上翼面的空间位置以及前缘涡在各个展向测量截面中的截面环量等.实验结果揭示了蜻蜓翼周围的三维流动结构在蜻蜓翼拍动时的演变历程.     

利用七孔探针对降落伞流场的试验测量研究

采用风洞设备,利用七孔探针对无伞顶孔的平面圆形伞的绕流场进行了试验测量。采用Labview和Matlab engine混合编程技术进行七孔探针的压力数据采集和实时数据处理,获得了伞衣周围的速度及压力分布情况;并对其进行了流场分析,得到无伞顶孔平面圆形伞充满状态下的流场拓扑结构,和沿伞衣径向的压差分布情况。该方法解决了降落伞流场无法定量测量的难题,为降落伞气动性能的分析提供了很好的技术方案。     

一种分布式小卫星SAR单视复图像信号仿真方法

总结了分布式小卫星合成孔径雷达(DSS-SAR,Distributed Small Satellite Synthetic Aperture Radar)回波信号仿真所需具备的基本功能.给出了DSS-SAR的空间几何模型和信号模型.空间几何模型由描述小卫星编队构形的Hill方程给出,信号模型由单视复图像信号模型、信号相关性模型和干涉相位的统计特性共同描述.结合空间几何模型和单视复图像信号模型,提出了一种简洁的DSS-SAR单视复图像信号的仿真方法.该仿真方法中,小卫星的空间位置是根据虚拟中心空间位置和小卫星的编队构形计算得到,因此仿真时能够任意设置小卫星群的编队构形.通过对圆锥三维地形和平地两种地面场景的进行回波信号仿真,结果表明该仿真方法不但能够实现DSS-SAR信号仿真必须具备的功能,而且还具有实现简洁、误差加入方便等优点.      

基于光场成像的燃烧颗粒粒径与速度测量方法

为实现固体推进剂中金属燃料动态燃烧的精细化表征,提出一种基于光场成像的固体推进剂中燃烧颗粒粒径与速度三维动态同步测量方法。构建固体推进剂燃烧光场成像测量系统,获得金属颗粒动态燃烧过程的光场图像,通过重聚焦算法得到燃烧颗粒场的重聚焦图像;进一步开展光场相机标定实验,获取深度与最佳重聚焦参数的关系曲线;利用图像分割算法对重聚焦图像中的颗粒进行识别和定位,获取燃烧颗粒的粒径大小,并结合三维粒子跟踪技术对颗粒的轨迹和速度进行重构;开展推进剂药条燃烧实验验证研究。结果表明：光场成像技术能够获得不同深度的颗粒信息,跟踪颗粒的动态燃烧过程,并实现对燃烧金属颗粒粒径与三维速度的同步测量。     

DPIV在水洞流场均匀度校测中的应用

用数字式粒子图像测速技术(DPIV)及特定预偏置技术校测水洞流场,并将测量结果与用传统流场校测方法测得的结果相比较,发现特定预偏置技术显著提高了流场测量精度,适用于流场校测.     

基于多波长同轴数字全息的相位恢复算法

同轴数字全息中固有的共轭像问题会严重影响再现像质量,已有的相位恢复算法需要大量计算才能祛除共轭像,且无法获得连续分布的解包裹相位像。提出一种基于多波长的相位恢复算法,该算法利用4个波长下记录的数字全息图,并在迭代过程中借助光学解包裹原理扩展了测量范围,实现了再现成像面中共轭像祛除的同时获得解包裹的相位分布。同时,由于在物面及记录面添加了约束条件,该方法中所用波长数少于其他已提出的基于多波长原理的相位恢复算法,而且具有更快的迭代收敛速度和更好的共轭像祛除效果。数值仿真和实验结果皆证明了该方法的有效性。      

相控阵天线快速校准方法

相控阵天线的快速测量和校准一直是相控阵天线研究的热门问题。传统校准方法的测量速度较慢,不能满足大量工程需求的测量校准要求。针对实际工程应用需求,在对幅相求解算法研究的基础上,提出了一种基于幅度测量的快速校准方法--四相幅度校准法（FPC）。经理论分析,该方法的校准时间仅相当于采用6位数字移相器的旋转矢量法所花费校准时间的1/16。对四相幅度校准法、采用4位数字移相器的旋转矢量法和采用6位数字移相器的旋转矢量法的校准速度和校准精度做了对比试验,试验结果验证了四相幅度校准法的正确性和高效性。      

基于三维光场的静态场景前景分割

为解决复杂场景中的前景提取问题提出一种基于三维光场分析的静态场景前景分割方法.首先,通过在一条直线等间距的不同视点上拍摄场景的序列图像构建密集采样的三维光场.其次,用线段检测(LSD)直线检测算法从对极平面图(EPI)中分析提取出场景边缘及其深度信息.借助分段三次Hermite多项式(PCHIP)快速插值算法恢复整个场景的深度信息.最终,通过阈值法实现对不同深度的前景物体的分割.初步实验结果表明,本方法能够较准确地恢复场景中多个物体之间的空间关系,前景分割结果较好地克服了现有基于区域聚类和数学形态学等方法在复杂场景应用中存在的过分割问题.      

基于局部径向二值模式的三维人脸识别

针对人脸识别中局部特征的提取,提出了局部径向二值模式(LRBP,Local Radial Binary Pattern),并将其用于三维人脸识别.首先,对经过预处理的人脸深度图像进行区域划分;然后用局部径向二值模式提取子区域的特征序列,并将其链接在一起构成三维人脸的特征向量;最后,利用Fisherface方法对三维人脸特征向量进行训练和识别.在中国科学院自动化研究所三维人脸数据库中选取样本,利用LRBP对其进行识别,结果表明该方法在基本不损失识别率的前提下,可以有效提高识别的效率.      

数字科氏质量流量计闭环系统及信号解算

在科氏质量流量计测量系统设计中,提出一种数字式信号处理、解算的全新设计思路.采用高速并行模拟数字转换电路(A/D)将传感器输出的信号完整采样,借助数字信号处理芯片(DSP, Digital Signal Processor)强大运算能力对信号进行深入的分析与处理;利用信号处理方法对信号进行实时滤波处理并精确计算两路信号的相位差,进而解算出流体的质量流量和密度,辅以单片机和现场可编程器件(FPGA, Field Programmable Gate Array)实现系统的控制、显示与通讯;提出谐振电路的数字式闭环设计新思想,利用数字电路及其信号处理方法实现传统的闭环增益控制(AGC, Auto Gain Control).实验结果表明:该系统有效提高了测量系统的零点稳定性和测量精度.     

基于扩展卡尔曼滤波的舰机相对位姿估测

通过将基于扩展卡尔曼滤波的长序列图像分析方法与单目视觉技术相结合,把无人机自主着舰视觉导引中舰机间相对位姿的估测,转化为机载摄像机对着舰靶标平面3D位姿的实时估测问题.首先根据透视投影理论,建立了以摄像机的透镜中心为原点且Z轴与光轴重合的摄像机坐标系和世界坐标系,然后利用机载摄像机连续拍摄的靶标图像序列,选择描述相对运动的3个欧拉角、平移向量及它们的速度作为状态变量;由靶标角点的提取和帧间匹配,建立了反映着舰靶标上特征点的图像坐标和状态变量之间关系的观测方程,带入扩展卡尔曼滤波器,估测出舰机的相对运动参数.计算机数据仿真和基于DSP平台的半实物仿真试验验证了算法的有效性和鲁棒性.      

聚焦光场成像三维粒子场重建方法

层析重建是层析粒子图像测速(Tomo-PIV)技术实现三维粒子位置和强度信息(三维粒子场)重构的核心步骤。相比于多相机的Tomo-PIV技术,单聚焦光场相机通过一次成像能够同时采集示踪粒子的散射光的方向和位置信息。因此,提出一种单聚焦光场相机的层析重建技术用于重构流场中的三维粒子场信息。为了验证本文方法的可行性及准确性,利用几何光学建立了示踪粒子的光场成像模型,利用光线追迹技术计算了粒子在聚焦光场相机中的成像,对比了被测流场中位于不同深度位置的粒子在聚焦光场相机中的成像差异;建立了基于单聚焦光场相机的层析重建数学模型,利用乘法代数重构技术(MART)对模拟所得的光场图像进行反演计算,实现了三维粒子场的重构,并利用归一化互相关系数来表征粒子的重建质量。结果表明,单个粒子在Z轴方向上的位置精度为±0.35 mm,初步证明了基于聚焦光场成像理论的三维粒子场重建方法的可行性。     

气膜孔轴线方向的视觉测量技术研究

针对高压涡轮叶片气膜孔的轴线方向测量难题,将非接触式的视觉测量技术与常规的多轴坐标测量技术相结合,搭建了气膜孔五轴视觉坐标测量系统,以在气膜孔的测量方法和设备方面开展探索与研究。为了获取被测气膜孔的轴线矢量参数,提出了采用景深合成技术来实现气膜孔形貌的三维重建,并将工业相机获取到的图像序列转化为三维物理数据的测量方法,而后通过空间直线拟合获取到了被测气膜孔的轴线矢量,以表征气膜孔的轴线方向。为了验证该方法的有效性和可行性,选取某型高压涡轮导向叶片作为被测物体,应用该测量系统对其前缘部位上的目标气膜孔进行了轴线矢量参数的10次等精度重复测量试验,轴线角度的重复性测量误差不大于0.30°,从而提供了一种气膜孔轴线方向的测量技术解决方案。     

基于多源图像弱监督学习的3D人体姿态估计

3D人体姿态估计是计算机视觉领域一大研究热点,针对深度图像缺乏深度标签,以及因姿态单一造成的模型泛化能力不高的问题,创新性地提出了基于多源图像弱监督学习的3D人体姿态估计方法。首先,利用多源图像融合训练的方法,提高模型的泛化能力;然后,提出弱监督学习方法解决标签不足的问题;最后,为了提高姿态估计的效果,改进了残差模块的设计。实验结果表明:改善的网络结构在训练时间下降约28%的情况下,准确率提高0.2%,并且所提方法不管是在深度图像还是彩色图像上,均达到了较好的估计结果。