一种无线传感器网络中的混沌信号重构算法

将无线传感器网络节点观测区域中的一个混沌信号发送到融合中心,进行信号重构.由于节点的通信带宽受限,信号传输之前需要进行量化,给信号带来量化噪声,使得信号重构工作变得更为棘手.本文提出用平方根容积卡尔曼滤波器对融合中心收集的信号进行重构.首先估计观测信号的概率密度函数,使用最优量化器量化观测信号,在有限的量化比特数下,取得最优的信号量化性能.平方根容积卡尔曼滤波器相对无先导卡尔曼算法具有较少的求容积分点,因此具有计算量小的优点,同时迭代过程采用传递误差矩阵的平方根矩阵,保证迭代过程的稳定性和提高数据估计精度.仿真结果表明,该算法能够有效和快速地重构观测信号,并且比基于无先导卡尔曼滤波的算法更快.     

混沌信号在无线传感器网络中的盲分离

混沌信号在本质上属于非线性非高斯信号,它在无线传感器网络下的应用还涉及到信号量化问题,这使得混沌信号在此应用环境下的信号盲分离更为棘手.针对此问题,本文在容积卡尔曼粒子滤波的框架下提出一种解决方法.文中首先推导出观测信号的概率密度函数,在量化比特有限的情况下,采用最优量化器,获得最优的量化结果.在此基础上,使用容积卡尔曼滤波器产生粒子滤波中的重要性概率密度函数,融入最新的观测值,提高粒子对系统状态后验概率的逼近,提高信号盲分离的精度.仿真结果表明算法能够有效地分离混合混沌信号,参数估计的精度及其运算量均优于已有的无先导卡尔曼粒子滤波算法,其运行时间为无先导卡尔曼粒子滤波算法的88.77%.     

基于FBG反射谱特征的修补结构裂纹扩展监测

为了提高飞行器壁板裂纹修补结构的安全性,对基于光纤布拉格光栅(FBG)反射谱特征的航空铝合金修补结构疲劳裂纹扩展长度及角度监测方法进行了研究。修补结构在疲劳载荷的作用下,裂纹发生扩展,其尖端附近会产生不均匀应变场,在其作用下FBG传感器反射谱发生变形,通过检测反射谱变形达到监测裂纹扩展的目的。建立了实验样件的模型,使用有限元方法计算得到不同角度下裂纹扩展到不同长度时的应变分布,使用传输矩阵数值计算方法得到相应的FBG反射谱。提取反射谱的主峰偏移、反射谱面积、次峰峰值和三峰峰值等变形特征,建立并训练人工神经网络(ANN),通过ANN建立反射谱变形特征同裂纹扩展情况的关系,实现了对修补结构裂纹扩展的精确监测,监测裂纹长度误差在0.5 mm之内,角度误差在5°之内。解决了修补结构的裂纹扩展精确监测问题,对提高飞行器安全以及节约维护成本有着重要意义。     

四旋翼无人机速度控制系统设计

微小型多旋翼无人机在气象监测、低空侦查、灾区救援等领域中具有广泛的应用。在无人机姿态控制的基础上设计速度控制系统,该速度控制系统采用加速度计、角速率陀螺仪和GPS测量数据,并设计卡尔曼滤波器来抑制传感器噪声,同时估计无法测得的状态变量。为了减小无人机的建模误差并提高控制系统鲁棒性,采用了模型参考滑模控制理论(Model Reference Sliding Mode Control,MRSMC)设计速度控制器。     

磁强计辅助MEMS惯性器件的新型数据融合算法

为实现载体姿态精确测量,设计了一种新型数据融合算法,用以替代传统的卡尔曼滤波器;首先,研究了陀螺仪、加速度、磁强计的姿态测量方法,通过试验分析测量误差分量,然后根据误差频域的差异性提出一种互补滤波器,并在二阶低通滤波器模型下推导出新型数据融合算法模型,最后,以FPGA为处理单元、MEMS惯性元件和磁罗盘为传感器单元开发一套小型姿态检测系统,进行可行性分析和精度估算;从载体的三维转动试验结果可以看出,新型融合算法测量值和卡尔曼滤波器输出值之差保持在±0.07°以内,并且不需要对传感器噪声特性精确标定;在运算时间方面,互补滤波器仅需360 μs,卡尔曼滤波器是它的3倍多,因此新型数据融合算法效率更高。     

基于EKF和LKF级联的频偏和相位估计联合方案

提出基于级联扩展卡尔曼滤波与块状处理线性卡尔曼滤波的频偏和相位噪声协同处理方案。利用扩展卡尔曼滤波器对系统频偏进行初始估计,利用块状线性卡尔曼滤波器实现频偏和相位噪声的精准估计。对最优数据块长度和调优参数Q的关系,算法的线宽容忍性能、频偏估计范围以及频偏漂移追踪速度进行了详细的讨论和分析。结果表明,该方案具有快速的载波估计收敛能力、较高的频偏和相位估计精度,并且其频偏漂移追踪可高达320 MHz/μs。相比传统盲相位搜索方法,该方案具备较高的频偏容忍度和较低的实现复杂度。最后实验研究正交相移键控(QPSK)光通信系统下的载波恢复性能,同时给出不同光信噪比、块状数据长度下的载波频偏估计性能。     

基于概率假设密度的无线传感器网络多目标跟踪算法

针对无线传感器网络多目标跟踪过程中杂波难以去除以及由数据关联复杂带来的计算复杂度高的问题,将概率假设密度滤波器应用于无线传感器网络,以更好地对多目标状态信息进行融合估计;首先,建立簇-树型无线传感器网络模型,并运用随机有限集理论对目标状态模型和传感器观测模型进行描述;然后,根据目标与节点之间的距离设置观测阈值,当传感器节点测量值小于观测阈值时,概率假设密度滤波器将实时对该组测量数据进行处理,从而实现传感器网络对目标状态的联合检测与跟踪;仿真结果表明,在无线传感器网络的多目标跟踪应用中,该算法比粒子滤波算法具有更高的跟踪效率和精度。     

基于强跟踪平方根容积卡尔曼滤波的纯方位目标运动分析方法

针对纯方位目标跟踪系统中模型状态简化、系统噪声统计特性未知、目标初始距离信息不准确导致的滤波收敛时间长和滤波精度不高的问题,以自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)跟踪水下动态目标为例,提出了一种基于强跟踪平方根容积卡尔曼滤波器(Strong Tracking Square Root Cubature Kalman Filter, STFSRCKF)的纯方位目标运动分析算法。该算法在滤波过程中,利用平方根容积卡尔曼滤波器(Square Root Cubature Kalman Filter, SRCKF)完成预测更新,对于SRCKF中的每个容积点采用强跟踪滤波器(Strong Tracking Filter, STF)进行更新,设计滤波增益以抑制噪声对系统状态估计的影响,有效提高了滤波的数值稳定性,减小了状态估计误差。通过仿真分析,比较了扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter, EKF)、无迹卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter, UKF)、平方根容积卡尔曼滤波器(Square-Root Cubature Kalman Filter, SRCKF)、STFSRCKF的算法性能,实验表明所提算法具有跟踪速度快,精度高等优点。     

矩阵空域预滤波目标方位估计

提出了基于矩阵空域预滤波处理的目标方位估计新方法。通过设计一个空域的矩阵滤波器对传感器阵列数据进行矩阵处理,抑制阻带扇面的干扰与噪声,且尽量保证让通带扇面的信号无失真通过。由于该空域滤波器的输出仍为阵元域数据,因此可以很方便地在很多阵列信号处理算法之前通过增加空域预滤波处理来达到抑制空间干扰、提高系统处理能力的目的。文章通过目标方位估计的具体实例来说明矩阵空域预滤波处理对系统性能的改善作用。计算机仿真和实测数据处理结果表明,矩阵空域预滤波处理有效地抑制了空间干扰与噪声,提高了方位估计算法对感兴趣扇面目标的方位分辨与估计性能。此外,仿真结果表明采用分扇面空域预滤波处理方法,使基阵具有了分辨多于阵元数目信号源的能力。     

基于极大似然目标状态估计的传感器管理

依据贝叶斯概率知识,采用一种极大似然的最优化方法来估计目标运动的状态估计值。基于极大似然目标状态估计方法不仅可通过最优化策略求解目标状态估计值的显示解,还可处理各种关于观测变量和状态变量的约束条件。依据目标状态估计的误差协方差矩阵与其Fisher信息矩阵间的紧密联系,详细推导似然函数关于目标状态各个分量的偏导。采用随机离散时间系统的知识,推导出对角式Fisher信息矩阵的所有对角线上的各个元素。以Fisher信息矩阵的迹范数作为传感器管理中的最优代价函数,采用0-1整数规划算法来求解传感器的分配矩阵。最后利用某仿真算例来验证方法的有效性.     

基于一组卡尔曼滤波器信息融合的故障诊断

为了能及时准确地诊断发动机的传感器和执行机构故障,文章提出了基于一组卡尔曼滤波器信息融合的方法进行故障诊断;首先根据传感器特性设计了一组滤波器用于传感器故障诊断、隔离,每个滤波器针对一个传感器进行设计;其次根据执行机构故障特性设计了一组卡尔曼滤波器进行执行机构偏差估计,从而对执行机构进行故障诊断、隔离;接着给出了传感器、执行机构信息融合的诊断方案;最后分别给传感器、执行机构添加故障进行方案验证,仿真结果得出在传感器或者执行机构任意部件出故障的情况下,该融合方法可以有效地诊断并隔离出有故障的传感器或者执行机构。     

类GPS超声定位系统中自主导引小车动态定位算法

针对自主导引小车(AGV)常规超声波局部定位系统的缺陷,提出了类GPS超声定位系统并阐述了其工作原理。研究了小车动态情况下与定位基站的距离估计问题,在获得AGV与定位基站的观测距离后可通过Gauss-Newton迭代定位算法获得小车空间位置的粗估计值。仿真结果表明,将上述获得的粗估计值序列经过卡尔曼滤波器进一步处理后,可提高AGV动态定位精度和速度的估计精度。     

实时运动结构重建在自主导航系统中的应用

实时运动结构重建是自主车辆、机器人导航、空间探测器自主降落、智能监控等领域中的重要研究课题。目前实时运动结构重建主要存在着特征匹配困难、鲁棒性差、系统无法自动获取初始参数和需要大量人工干预等诸多问题。利用高速CMOS摄像机与惯性传感数据融合提高了运动结构重建算法的精度及其鲁棒性。该算法在扩展卡尔曼滤波框架下是通过融合惯性与视觉传感器的数据来进行运动估计的。对场景中的每一个待估计结构的特征点建立对应的卡尔曼滤波器,以估计其空间三维结构信息。运动估计模块与结构估计模块交替运行,减小了系统运算的复杂度,提高了实时性能。通过对真实场景图像序列的实验验证结果表明,惯性传感器的额外信息能够有效地提高运动结构估计的精度,能够增强算法的鲁棒性。     

正弦形构造的光纤光栅自致啁啾效应

结合均匀光栅在受到非均匀应变时会产生啁啾效应的原理,提出了一种利用正弦结构将均匀光栅调制成啁啾光栅的方法。设计了正弦结构的基底材料,将光纤光栅粘贴在基底材料的应变非均匀区,通过施加拉伸载荷将其产生的应变引入FBG栅区,使得FBG产生了啁啾效应,FBG被调制成具有多个反射峰和宽带宽的啁啾光栅;使用有限元软件对正弦结构拉伸载荷下的应变进行了仿真,得到了正弦结构不同位置的应变云图;实验结果在位移载荷最大为8 mm时,得到了带宽增加5倍,反射谱具有多个反射峰的啁啾光栅;结合传输矩阵法对啁啾光栅的反射谱进行光谱仿真重构,仿真光谱与实验光谱趋势基本吻合。     

基于FBG非均匀反射谱特性的波纹型复合材料蒙皮渐进损伤监测

提出利用布拉格光纤光栅(FBG)非均匀反射谱监测复合材料结构渐进损伤的方法。对波纹型复合材料蒙皮样件进行有限元分析,预测蒙皮在拉伸载荷下失效过程和对应临界失效载荷大小,据此重构FBG传感器的非均匀反射谱,获得铺层失效与传感器反射谱的对应关系,并为实验光谱记录提供参考。构建一种基于FBG非均匀反射谱监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的监测系统,进行拉伸实验,实验结果表明系统实测光谱与重构的反射谱趋势相同,对应失效载荷与预测值最大误差为8.6%,证明了采用FBG传感器监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的可行性。该方法通过实时监测预测失效范围内FBG非均匀反射谱的变化,简单易行,测量及传导光路实现全光纤化,无需破坏试件结构,即可实现对波纹型复合材料蒙皮渐进损伤程度及铺层失效次序精确、迅速的在线监测,研究结果为智能蒙皮动态监测领域提供新的思路和实验参考。     

基于纤芯失配和光纤布拉格光栅实现温度和应变同时测量

基于纤芯失配理论,提出了一种多模单模多模（MSM）结构与光纤布拉格光栅（FBG）级联实现温度和应变同时测量的光纤传感器。利用MSM结构的干涉谱和FBG对温度和应变的不同响应灵敏度,实现了对温度、应变的同时测量。实验结果表明,在20 ℃~80 ℃的温度范围内,MSM结构的干涉谱和FBG的温度灵敏度分别为0.091 nm/℃和0.0102 nm/℃;在0～650 με的应变范围内,应变灵敏度分别为 -0.0013 nm/με和0.0012 nm/με。因此利用敏感矩阵,即可实现对温度和应变的同时测量,且温度和应变的最大测量误差分别为±0.2 ℃和±8.25 με。该结构灵敏度高,结构简单,且不易受电磁等干扰,实验结果具有良好的线性度,在工程领域应用前景良好。     

基于偏斜度、陡峭度特征的光纤布拉格光栅冲击载荷定位

针对复合材料结构上低速冲击载荷位置识别问题,通过构建分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感网络,分析了光纤布拉格光栅传感器感知的冲击响应信号时间序列的偏斜度、陡峭度与到传感器之间距离的关系。通过不同位置传感器感知的冲击响应信号的偏斜度和陡峭度对冲击载荷所在的区域和到各个传感器之间的距离进行了辨识,采用加权质心定位算法实现了冲击载荷位置的坐标定位。实验结果表明:在碳纤维复合材料板上240mm×240mm的监测区域内随机选取16个测试样本点进行低速冲击定位识别,实现了所有冲击实验点的区域辨识,坐标定位的平均误差为20.7mm。研究结果为碳纤维复合材料板的低速冲击定位提供了一种可靠的方法。     

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。     

基于线型卡尔曼滤波器的双偏振并行载波相位恢复算法

针对偏振复用16阶正交幅度调制(16QAM)传输系统(PDM-16QAM),基于线型卡尔曼滤波器,提出了一种计算复杂度更低、线宽容忍度更高的双偏振并行载波相位恢复算法,使用两个偏振态内环和外环的符号信息对两个偏振态同时进行相位噪声估计。仿真结果表明,在传输速率为224Gb/s传输速率下,本文算法相比于单偏振卡尔曼滤波器算法的线宽容忍度提高了7倍,由原来的400kHz提高至2800kHz。此外,相比于单偏振卡尔曼滤波器载波相位恢复算法,本文算法并行处理符号个数提升了4倍左右,有效提高了算法的实时性,但是复杂度有所降低。最后,在传输速率为224Gb/s的PDM-16QAM传输实验中对本文算法进行了验证。     

金属基底光纤光栅应变传感器的传感特性研究

为了满足桥梁和大坝等民用建筑和航空航天飞行器等结构的健康监测与管理需要,设计并制作了两种分别用钛合金和不锈钢材料封装的光纤布拉格光栅应变传感器,并利用悬臂梁校准装置对两种传感器的应变特性进行测试。试验结果表明,钛合金封装的线性度及应变灵敏系数优于不锈钢材料封装的传感器。因此,在对结构的应变监测时,使用钛合金封装的传感器更能真实反映结构的应变变化,从而达到健康监测的目的。