虚拟二维激光雷达成像积分算法

虚拟二维激光雷达是激光雷达扩展应用的组成部分,可以结合3D场景点云特征进行二维激光雷达扫描障碍物模拟;提出根据光线传导特征建立积分方程得到了在多障碍物场景下的激光雷达图生成的解析解,利用AutoCAD与Visual C#联合编程的方法进行了虚拟激光雷达的实现;最后,实验结果与真实二维激光雷达比对,虚拟激光雷达能从3D场景中准确提取物体的位置和距离信息。     

基于点云多帧融合的相邻障碍物聚类分割方法

相邻障碍物的分割是无人驾驶领域的技术难点,低线激光雷达点云稀疏,无法聚类远距离物体,但激光雷达线束越多越昂贵。为了实现低成本聚类分割相邻障碍物,实验场景选取常用交通场景对象相邻的人/人、人/车,提出了一种基于多帧融合的相邻障碍物分割方法。基于惯性测量单元、激光雷达融合多帧点云,解决了低线激光雷达因分辨率低而无法聚类远距离相邻行人的问题。提出改进的欧式聚类,加入自适应阈值和向量角度约束两个新的分割标准,提高相邻障碍物的分割效果。实验结果表明,该方法具有成本低、聚类精准等特点,与单帧传统欧式聚类算法相比,该方法针对相邻障碍物分割的准确度提升约30.7%,对低线激光雷达在障碍物聚类以及后续的检测具有一定参考意义。     

基于射线坡度阈值的城市地面分割算法

针对城市环境激光雷达点云地面分割过程中坡度路面、障碍物和地面交界处存在欠分割与过分割的问题,提出一种应用于不同城市场景的地面分割算法。该算法首先利用激光雷达水平角分辨率将点云进行线序化排列,再利用射线前后点的距离比去除悬空异常噪点;随后借助射线点距离与坡度信息自适应调整高度阈值;最后利用调整后的全局与局部高度阈值进行地面分割。对3种不同类型的城市路面进行的实验验证了本文算法的有效性,该算法在不同城市场景下均可区分障碍物与地面交界处的点云与坡面,平均分割准确度达98%,平均耗时2 ms。     

基于unity和kinect的交警手势识别仿真系统的设计和实现

为研究计算机辅助驾驶系统中交警手势的识别,搭建了一个虚拟驾驶场景的实验室研究仿真系统。采用了微软公司的Kinect设备采集人体骨骼数据,经由经验模型提取特征并使用模式识别对交警手势信号进行信号分类,使用unity公司的unity3D软件实现虚拟驾驶场景的三维重建。系统测试表明,使用kinect进行手势识别响应快,准确率高,使用unity作为虚拟驾驶场景的开发平台方便快捷,两者组合非常适宜搭建基于视觉的辅助驾驶系统的仿真环境。     

基于激光雷达的多旋翼飞行器实时避障系统

针对多旋翼飞行器的障碍物规避问题,提出一种基于激光雷达的自主飞行多旋翼飞行器避障系统,实现多旋翼飞行器自主飞行的实时避障;该避障系统针对静态、低速运动障碍物,综合飞行器本体姿态、速度、加速度等状态信息,建立基于改进势场法的避障模型和算法;在机器人操作系统(ROS,Robot Operating System)平台进行该避障系统的软件实现,其通过串口与飞控进行通信,完成多旋翼飞行器的自主避障飞行;同时,为了使该系统能在强光环境正常工作,在不影响系统实时性的前提下,对激光雷达的干扰问题进行优化设计;大量实验表明:该避障算法计算量小,能够保证避障系统的实时性,在机体慢速以及低速运动(机体与障碍物之间的相对运动速度小于等于3 m/s)的场景中能够正确检测范围6 m内,并迅速规避障碍物。     

一个完全守恒的格子Boltzmann模型

利用六角形格子离散的方法,使得每个六角形Cell里含有 3种不同运动速度的粒子微团,宏观物理量用这些粒子微团的矩来定义.根据微观和宏观之间的质量、动量、能量守恒准则,建立了一个二维的D2Q19格子Boltzmann模型,从该D2Q19模型出发可推导出宏观的流体力学方程组.用该模型对冲击波在障碍物组表面上的折射现象进行数值模拟,并将计算结果与实验进行了比较.     

基于AutoCAD和3DSMAX的虚拟校园三维场景构建研究

当前的虚拟校园三维场景构建方法是利用osgEarth获取GoogleEarth数据,构建虚拟校园三维地图,然后依据本地地形信息与三维场景模型完成对虚拟校园的三维场景构建。该方法在三维场景构建过程中没有考虑到校园后续建设发展,只凭现在所需进行三维场景构建,导致虚拟校园三维场景杂乱,存在虚拟校园三维场景构建顾虑不周的问题。为此,提出一种基于AutoCAD和3DSMAX的虚拟校园三维场景构建方法。该方法首先利用Kinect的RGB深度摄像头获取校园平面数据、影像数据和贴图资料,采用相机阵列合成算法对所得校园图像进行特征提取,然后依据非局部均值滤波方法对获取的校园图像进行去噪操作,最后利用边缘方向和梯度表示中的结构方向与强度,对校园图像外轮廓的纹理特征进行收敛,依据外轮廓纹理特征收敛实现校园图像内轮廓的准确定位,将校园图像与虚拟校园三维场景构建所需图像进行匹配,由此完成对虚拟校园三维场景的构建。实验结果证明,所提方法是虚拟校园三维场景构建领域革命性的突破,提高了学校的招生率,增加了校园文化历史的展现机会,为该领域的研究发展提供了有效依据。     

合成孔径激光成像雷达(Ⅳ):统一工作模式和二维数据收集方程

提出了合成孔径激光成像雷达(SAIL)的一种统一的工作模式,即激光雷达运动的同时进行光束扫描.同时推导了点目标激光雷达方程,据此还定义了SAIL二维数据收集方程,二维数据收集方程组是合成孔径激光雷达的数据产生和收集过程中的完整数学表达,并给出了统一模式的二维数据收集方程.从统一工作模式可以分解出条带扫描模式、聚束模式、滑动聚束模式和光束扫描模式,及其相应的简化二维数据收集方程.上述的光束扫描模式是一种激光雷达和被观察面之间相对静止而只采用光束扫描实现孔径合成成像的新方法,具有特殊的应用范围.     

基于Unity 3D的船舶压缩空气系统的虚拟设计

针对目前船舶空气压缩仿真训练系统大多采用半物理仿真与二维软件界面仿真相结合方式训练效果不佳的问题,将虚拟现实技术引入到船舶压缩空气系统的仿真设计;设计一套基于Unity 3D的船舶压缩空气系统,实现虚拟仿真程序和三维虚拟场景的实时交互,生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉的感官世界,加强培训人员的沉浸感,从而获得一种置身于真实环境中的感受;系统可供学员无限制反复训练,节省系统的维护费用,规避实物操作设备中可能出现的各种风险,提高训练效果。     

360°连续扫描的便携式三维激光雷达设计与开发

针对三维激光雷达在国内有巨大的应用市场,而国外商业三维激光雷达十分昂贵的现状,开发了一种360°连续扫描的便携式三维激光雷达系统。采用一个二维激光扫描仪与高精度转台连接,通过步进电机控制形成三维激光扫描。在分析系统误差来源的基础上,提出了系统误差校正方法,给出了三维坐标精确计算公式。实验结果表明,系统测量精度高,数据质量好。系统作用距离80 m,测距精度可达6 mm,测量速度每秒7256点,可满足室内室外大规模场景三维数据快速获取的需求,而成本仅是国外同类商业三维激光雷达价格的四分之一左右,且重量轻体积小,携带方便。     

双水平井电磁测距径向距离计算方法的ANSYS仿真研究

基于旋转磁场测距(RMRS)的基本理论,借助ANSYS有限元分析软件,研究了金属套管条件下双水平井电磁测距径向距离计算方法。首先建立SAGD双水平井RMRS井下传播模型,通过设定单元属性、划分网格、加载边界条件等对模型进行求解;然后研究套管厚度、直径、相对磁导率等对双水平电磁测距系统中磁场轴向分量的影响;最后利用实验室现有的旋转磁场测距模拟装置对仿真结果进行了验证。研究结果表明：随着套管厚度、直径、相对磁导率的增加,探管接收到的磁感应强度会逐渐减小,但双水平井径向间距计算仍可采用均匀介质中的理论测距导向计算方法。此结论可为套管的选取、磁导向仪器的研究及测量资料解释提供理论参考。     

电导率各向异性金属薄板感应式磁声图像的仿真

为了给金属薄板感应式磁声(MAT-MI)成像算法的研究提供数据源,提出一种电导率各向异性金属薄板表面MAT-MI图像的数值仿真方法。建立含缺陷的电导率各向异性金属薄板仿真模型,并将其置于静磁场中。将通入交变电流的折线线圈置于金属薄板上方,对金属薄板在静磁场和交变磁场共同作用下产生的感应涡流以及声源(即洛伦兹力)进行数值仿真,得到金属薄板表面波位移分布的灰度图像。仿真实验结果表明,根据表面波位移在缺陷处迅速衰减的特性,可从图像中准确地识别并定位金属薄板表面的缺陷。忽略金属材料的电导率各向异性会降低成像质量,进而导致对缺陷的误判。通过提高表面波位移信号的信噪比可改善成像质量。减小提高距离或增大激励电流频率,可提高系统对微小缺陷和不规则缺陷检测的分辨力。      

基于金刚石色心自旋磁共振效应的微位移测量方法

基于压电陶瓷精密微位移系统的扫描探测技术是目前精密测量仪器进行微纳区域/结构性能测试的核心系统,但压电陶瓷材料存在迟滞、非线性问题,限制了对微位移分辨能力的提升.本文以金刚石氮空位色心为敏感单元,利用电子自旋效应对磁场强度的高分辨敏感机理,结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系,提出了一种基于金刚石氮空位色心电子自旋敏感机理的微位移检测方法.通过建立电子自旋效应与微位移的关联模型,搭建了相应的微位移测量系统.经实验验证,该系统对微位移测试的灵敏度为16.67 V/mm,检测分辨率达到60 nm,实现了对微位移的高分辨率测量.并通过理论分析,该系统的微位移测量分辨率可进一步提升至亚纳米级水平,为新型微位移测量技术提供了发展方向和研究思路.     

基于磁通门和时域数字鉴频的磁场锁定系统

永磁型磁共振仪器的磁体易受温度和其他环境磁场干扰,造成主磁场波动,进而影响仪器测量的重复性和准确性.本文讨论了两种解决磁场波动的锁定方法：一方面,通过磁通门传感器对环境波动引起的瞬态磁场进行高灵敏探测,然后采用现场可编程门阵列进行实时处理并计算磁场补偿量;另一方面,针对环境温度变化引起的缓慢磁场偏移,则采用时域数字鉴频锁场方法,在对锁样品进行射频激发后,将磁共振信号通过混频变换到较低的频率范围,再转换为方波,然后直接送入现场可编程门阵列进行周期测量,并计算磁场补偿量.将两种方法获得的磁场补偿量叠加后,再转换为电流信号驱动安装在磁体上的B₀补偿线圈,并研制了一套磁场锁定系统,以实现对磁场的锁定. 在0.5 T食品快检磁共振分析仪上进行测试验证,结果显示当受到瞬态干扰时,可将磁场稳定在±4 Hz（对应磁场为±0.093 9 μT）范围内,同时也可以精准测量温度造成的磁场偏移,该结果验证了本文磁场锁定方法的可行性.     

亥姆霍兹线圈轴线磁场计算机测量实验研究

亥姆霍兹线圈产生的磁场具有广泛的物理应用。利用霍尔传感器件,研究制作了具有USB2．0数据通讯接口的高速磁场数据测量装置,编写了磁场数据采集处理程序,设计了中心距可调的亥姆霍兹线圈并用所研制的仪器进行了轴向磁场分布测量。结果表明：该实验装置测量精度高,实时性好,实验手段先进,可扩展为多个设计性物理实验。     

The magnetization model of multilayered composite thin films: Beyond the effective-medium theories

Multilayered composites consisting of many thin ferromagnetic films with in-plane magnetic anisotropy separated by non-magnetic dielectric layers of different sizes are experimentally and theoretically investigated. Thin samples as well samples with transverse sizes comparable with longitudinal ones are used. The measured static magnetic properties of the bulk sample are found to be different from the properties of constituent thin films. This is an evidence for strong interactions between the magnetic layers in the sample, which interact at distances exceeding greatly the distance between adjacent magnetic layers. A theoretic model is developed taking into account magneto-dipole interactions between iron films in a multi-layer system. The model explains the anomalously high demagnetization field of the sample observed in the measurements.     

样品电流模式下外磁场引起的X射线吸收谱强度变化

在用样品电流模式的测量过程中发现，磁场强度、磁场与样品表面的夹角以及光斑在样品表面的位置都会对吸收谱强度产生影响；在光斑、磁场和样品的不同几何配置下,测量并分析了表面均匀氧化的铝箔中氧的K边吸收谱，指出外磁场下吸收谱强度随各种条件变化的趋势，并对实验结果给出了合理解释；结果表明所用的模型分析与实验数据符合得很好；所得到的信息对于XMCD实验的设计安排、相应数据的分析以及物理信息的提取具有重要意义.     

仪器分辨率对氧气A带被动测距的影响分析

透过率的计算是红外目标被动测距技术的核心,其精度直接影响到被测距离的精度,而仪器分辨率又直接影响到光谱信号的精度。为了研究光谱仪器分辨率对带平均透过率的影响,选用氧气A带为研究对象,采用基线拟合方式计算被测目标的带平均透过率,利用随机Malkmus模型计算被测目标距离,从而获得仪器分辨率对被动测距的影响。为此,搭建了被动测距实验系统,通过对卤素灯光源在不同距离的光谱测量,验证仪器分辨率对带平均模式被动测距的影响。首先,介绍氧气A带透过率的计算方法,计算理论值;以卤素灯为光源,利用光谱仪分别测量相同距离不同分辨率的光谱曲线,计算实测大气透过率,分析光谱分辨率对单谱线的影响;然后,在分析比较透过率模型和实测透过率谱线的基础上,对透过率计算模型进行拟合、校正,验证光谱分辨率对带模型的影响。对于单条谱线,仪器的不同分辨率可测得的谱线区别较大,而对带平均谱线,相同波数点的光谱信号取平均,获得平均效应,使得被测谱线几乎没有变化;分辨率的模型选择需根据不同的应用场合、不同的精度要求选择合适的分辨率。实验结果表明：分辨率对单谱线的透过率影响较大,随着分辨率的降低,被捕获的光谱信息点取值越少,被测目标距离相关系数越小;分辨率对带平均透过率的计算影响较小,不同分辨率下测得的目标距离,几乎重合;而仪器分辨率越高则测量时间越长,当使用带平均透过率计算被测目标距离,在精度要求范围内,可以适当降低仪器分辨率,从而极大地提高测量速度,并达到测量实时性,同时降低系统搭建的成本。该结论可为透过率测量的应用提供依据。     

多分量横波远探测成像测井仪研制及应用*

该文成功研制出一种新型的胜利多分量横波远探测成像测井仪。该仪器采用低频偶极声源设计,低频高效隔声体、高保真大数据快速传输技术,实现高信噪比多分量反射横波信号的采集,从而可以对井外远距离、不同走向的地质异常体进行探测;并结合专用成像处理软件,可以较好压制低频斯通利波反射,有效提取弱的反射横波信号,最终实现了远程偶极反射横波成像。该测井仪器理论上可以对井外320 m范围内地质异常体进行探测,在刻度井的测试中清晰探测到80 m内的地质异常体,实际测井中已成功获得井外100 m范围内的成像结果。     

Near-field mechanism of photoluminescence excitation in quantum well heterostructures

We report a study into the process of energy transfer between quantum wells divided by 30-nm-thick opaque barriers. It was experimentally observed that the intensity of a photoluminescence signal from a quantum well increased by 15% under resonant excitation of exciton transition in the adjacent quantum well. The quantum wells were 30 nm apart. A radiative mechanism of energy transfer in the near-field region of emitting exciton is proposed. Within this theoretical model, the efficiency of the energy transfer decreases by a power law with greater distance between the quantum wells. The theory is found to be in qualitative agreement with the experimental results.