阻抗障碍物声散射的反问题

研究了从声散射场的远场分布的信息来再现声阻抗障碍物形状的反问题,建立了求解这类反问题的一种非线性最优化模型,并提出了数值实现该非线性最优化模型的一种两步调整迭代算法.两步过程的应用使在确定未知障碍物形状的非线性最优化步中未知函数的个数达到了最少,而在调整迭代过程中,通过利用前一迭代步所得重构信息,使重构精度得到了相当大的改进.所建立的反演算法的一个特别吸引人的性质是,只需要远场分布的一个Fourier系数即可对未知声阻抗障碍物作几何物形的设别.对大量具有各种几何形状的二维障碍物的数值算例保证了本算法是实用和有效的.     

红外无损探测中多宗量多热源反演问题的研究

为研究红外无损探测稳态多热源反演逆问题, 建立不同形状的均质与非均质稳态热传导模型, 其中内热源个数、位置、强度、面积均为未知项. 基于数值算法中有限元算法对模型进行离散分析, 化简有限元矩阵方程, 最终转化为对Ax = b高度欠定方程的求解. 首次利用分段多项式谱截断奇异值分解法处理内热源逆问题, 并对算法进行改进, 有效改善了该算法在处理多热源反演时存在的严重的热源叠加效应. 根据反演出的内热源信息, 利用有限元算法计算重构出整个模型内所有节点的温度分布. 运用数值仿真Comsol软件和具体实物实验对算法进行有效性评估, 并验证算法在不同热传导模型中的表现. 结果表明, 算法能够准确反演出多热源各参量信息, 在非均质材料模型中仍能准确地反演出热源项, 并有效重构出模型内温度场. 该算法可应用于材料无损检测及人体红外医学成像等领域.     

三维障碍物形状反演问题的一种简单算法

研究了从声散射场的远场分布的信息，再现三维物体形状的反问题．基于将在有限个测量方向上的远场数据作加权合成的思想，提出了求解这类反问题的一种简单快速算法．在这个算法中，既不需预先知道散射体的边界类型，也不需预先知道散射体个数的信息．对有限孔径远场数据的数值算例表明了这一方法是实用和有效的．     

迭代正则化方法求解电介质中空间电荷分布

首先介绍了迭代正则化方法的理论基础,建立了含有空间电荷密度分布的Fredholm第一类积分方程的反卷积算法,利用数值实验研究了加性高斯白噪声对迭代反卷积算法的影响,以及迭代停止标准对非适定问题的数值解的影响,最后使用该方法求解电介质样品中的空间电荷分布.结果表明,在无噪或者低噪环境下,反卷积算法能够非常好地计算出非适定问题的解.当噪声影响增大,信噪比降低时,反卷积的计算结果受到明显的影响.迭代停止标准对数值解的计算精度起着明显的作用.对实际测量数据进行处理表明,迭代正则化反卷积算法能够计算出固体电介质中的空间电荷分布.     

基于变形镜面形的多帧相位反演算法研究

为了准确利用远场得到近场相位分布,提出了多帧相位反演算法.这是一种利用多个远场以实现传统Gerchberg-Saxton(G-S)算法的相位反演方法,其中的新远场是通过叠加已知像差到待测像差后产生的.在此算法的基础上,提出以变形镜面形来实现反演的方法,并通过数值仿真和实验验证了这种基于变形镜面形的多帧G-S相位反演方法的可行性.仿真结果同时还表明,采用4个变形镜面形产生相应的远场,平均仪需50次的迭代便可反演出不同D/r0数值的大气像差,这些反演的像差与其对应待测像差之间的差别的均方根值平均小于0.005 λ.     

改进的基于主成分分析的三维人脸形状建模

针对基于主成分分析(PCA)的三维(3D)人脸形状重构不精确的缺点,对位移向量、缩放因子、旋转矩阵、重构系数等参数进行了精确的定义和计算,并对重构模型进行了有效的调整。根据CVL Face Database建立了113个3D人脸形状模型,经迭代运算后重构出了由特征点组成的稀疏3D人脸形状模型。利用径向基函数(RBF)得到了密集3D人脸形状模型。试验结果表明,算法可以得到精确的重构模型,对深度旋转的人脸图像和特征点定位误差也有很好的鲁棒性。     

半空间三维目标的快速声学成像

研究了从声散射场的远场分布的信息来再现半空间三维目标几何特征信息的反问题,提出了求解这种非线性不适定问题的一种简单快速算法。该方法的一个特别的性质是只需要通过一个不适定的线性方程组求解,即可简单快速地得到半空间中三维目标几何特征信息的一个清晰的像,而且目标的个数和边界条件的类型等几何与物理的先验信息在本算法中都是不需要的。数值算例保证了本算法的有效性。     

基于汽相/液相界面跟踪方法的弯管内空化流动的数值预测

采用发展的基于Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程和液相/气相界面跟踪方法的单相空化模型和数值迭代算法,数值预测了二维弯管内空化卒泡的形状和相应的压力系数分布.将发展的二维空化模型和算法推广到i维空化流动的数值模拟,预测了三维非对称弯管内的三维空泡形状和流动特性.数值预测三维非对称弯管内空化流动时的卒泡位置和相应压力系数分布符合理论分析结论.研究结果证明了所发展的空化模型和算法能够应用于三维空化流动时的数值预测.     

基于激光和单目相机信息融合的智能轮椅避障策略研究

针对智能轮椅使用环境复杂多变,障碍物形状各异,单一传感器无法获得完整的环境信息的问题,提出一种基于激光传感器和单目视觉传感器信息融合的障碍物检测方法。通过单目相机和激光雷达传感器感知智能轮椅周围环境,得到障碍物的形状、距离分布状况等信息;在此基础上提出两种传感器信息的融合策略,建立局部障碍物地图,进一步采用模糊神经网络完成整体避障算法,实现智能轮椅安全、快速避障等功能。实验结果验证了文中所提避障算法的可行性及有效性。     

基于改进布谷鸟算法识别瞬态热传导问题的导热系数

基于改进布谷鸟算法反演瞬态热传导问题随温度变化的导热系数.采用Kirchhoff变换将非线性热传导问题转换为线性热传导问题,使用边界元法求解瞬态热传导正问题.将导热系数的反演转化为函数表达式中未知参数的反演,使用改进布谷鸟算法求解未知参数.与共轭梯度法相比,改进布谷鸟算法对迭代初值不敏感;与布谷鸟算法相比,改进布谷鸟算法迭代次数大大减少.数值算例表明对改进布谷鸟算法,增加测点数量迭代次数增加;增加鸟巢数量迭代次数减少;减小测量误差计算结果更精确,同时迭代次数更少.数值算例验证了改进布谷鸟算法反演导热系数的准确性和有效性.     

求解声点源散射物形重构问题的一个新方法

研究了从声点源散射的近场信息再现散射体物形的一类逆问题。提出了数值求解这类问题的基于求解一个不适定的线性积分方程及一个适定的非线性最优化问题的分离式两步算法。数值结果表明了本算法对任意形状的二维散射体均能得到很理想的效果．     

基于逆散射理论的地震波速度正则化反演

本文基于逆散射理论利用正则化有限差分对比源反演算法对地震波传播速度进行反演, 该方法是基于波动方程的频率域波形反演算法, 利用非线性共轭梯度法, 通过最小化目标优化函数不断迭代更新速度模型. 由于地球物理反演问题的病态性和不稳定性, 通过基于反演参数总变差的正则化处理, 使反演问题变为良性问题且算法具有较强的抗噪声干扰能力. 反演过程中使用了频率-空间域9点差分正演算子以及PML吸收边界条件. 与其他反演算法相比, 由于背景模型在反演迭代过程中保持不变, 可以避免在每次迭代过程中重新构造正演算子及矩阵分解等相关计算过程, 使得该算法非常适合于大规模三维反演计算. 此外, 本文采用基于MPI的并行计算, 进一步提高了反演计算的效率. 二维CSEG模型反演结果表明该方法可以反演得到高分辨率的地震波速度重建结果, 为地震勘探数据处理及解释提供准确的速度信息.     

用近场声学测量信息可视化多个三维障碍物的一种快速算法

提出了用点声源散射场的近场信息来可视化多个三维障碍物的一种简单快速算法,它是通过利用一个线性方程组的解的三维等值线图来实现这种可视化的.这个算法的一个特别吸引人的性质是,它避开了迭代技术的应用,而且不需要关于障碍物的任何几何和物理的先验信息.此外,它只需要散射场在测量表面的某个有限范围中若干个观测点处的近场测量信息,就能得到障碍物的一个很理想的可视化.数值算例保证了这个可视化算法是有效和实用的 关键词： 声散射 反问题 物形反演     

非线性体效应的逆问题

非线性体效应在计算机断层扫描重构的理论与应用中,仍然是一个悬而未决的问题。本文利用优化重构算法来解决非线性体效应,建立了离散非线性X射线投影变换模型,将X射线投影变换的逆问题变为一个非凸的优化问题,通过裁剪原用于求解凸优化问题的一阶原对偶算法,提出非线性迭代重构算法来解决非凸问题。通过构建成像系统模型对算法的收敛性和重构精度进行了模拟验证,模拟中重建的图像首先通过检验在极窄的显示窗口中显示小于1%的对比度,然后使用相对于真实图像的差异的l2范数进行定量分析。模拟结果表明,在计算精度范围内,非线性重构算法可以收敛到真实图像,而且对于图像衬度小于1%的细节,重构图像也可以显示出来。该研究结果可为设计有效补偿非线性体效应伪影的计算机断层扫描成像应用算法提供参考。     

一种保持二阶精度的反距离加权空间插值算法

针对传统反距离加权（IDW）插值精度较低的缺陷，发展一种高精度插值算法.该插值算法采用迭代亏量校正技术（IDeC）对一次反距离加权插值结果进行修正，通过有限次迭代，理论上将计算精度提高至二阶.在基于结构化网格、非结构化网格的数值验证中，该插值算法的计算精度均保持在二阶左右.应用该算法针对二维圆形和三维球形界面重构时，算法提高了重构界面的光滑度，且计算精度保持为二阶.双层网格插值实验中，算法将速度和压力的绝对误差降低45%以上，得到的压力等值线更接近于初始场.     

有限长号筒中非线性声传播的数值模拟研究

研究了大振幅活塞声源经有限长号筒向外辐射声波的非线性声学问题。采用具有频散保持特性的高精度计算格式求解了适用于变截面管道的一维非线性声场模型,并考虑到声波的非线性畸变及管口处的声反射,加入了宽频时域声阻抗边界条件。宽频阻抗模型的共轭复数系数采用优化拟合方法近似求解,并采用递推卷积算法快速求解出时域声阻抗。在弱非线性条件下模拟指数形号筒中的声传播取得了与已有实验相一致的结果,表明模型能够描述声波非线性畸变带来的宽频特性。进而采用本模型数值模拟了大振幅活塞声源在双曲形、锥形、指数形和正弦形号筒中的非线性声传播问题,结果表明号筒出口声压级受活塞振动速度、频率以及号筒形状的影响,并分析讨论了波形畸变与号筒几何形状之间的关系。     

有限长号筒中非线性声传播的数值模拟研究

研究了大振幅活塞声源经有限长号筒向外辐射声波的非线性声学问题。采用具有频散保持特性的高精度计算格式求解了适用于变截面管道的一维非线性声场模型,并考虑到声波的非线性畸变及管口处的声反射,加入了宽频时域声阻抗边界条件。宽频阻抗模型的共轭复数系数采用优化拟合方法近似求解,并采用递推卷积算法快速求解出时域声阻抗。在弱非线性条件下模拟指数形号筒中的声传播取得了与已有实验相一致的结果,表明模型能够描述声波非线性畸变带来的宽频特性。进而采用本模型数值模拟了大振幅活塞声源在双曲形、锥形、指数形和正弦形号筒中的非线性声传播问题,结果表明号筒出口声压级受活塞振动速度、频率以及号筒形状的影响,并分析讨论了波形畸变与号筒几何形状之间的关系。      

基于反射系数估算的半空间边界阻抗和声源直接辐射重构

半空间中声源直接辐射声场重构的实施需要构造以边界声阻抗为参量的半空间基函数,边界声阻抗的获取则通常需要借助原位测量方法.基于半空间球面波基函数叠加的声场重构方法,通过在声源近场布置全息测量面和一支参考传声器采集声压,并以参考传声器声压重构误差取得最小值为准则,估算各全息测点的声压反射系数,就能在边界阻抗未知条件下实现声源直接辐射声压的重构,从而摆脱了常规方法对声阻抗原位测量技术的依赖.本文的目的是对这一方法进行详细的参数讨论,并在估算声压反射系数的基础上,进一步对边界声阻抗加以重构,提出一种基于近场声全息的声阻抗测量方法.以球形声源为例,对声阻抗和声源直接辐射声压的重构进行了仿真,定量地分析参考传声器坐标、边界有效流阻率和边界孔隙度随深度的降低率等参数对重构精度的影响.     

基于曲率滤波和梯度变换的图像增强

针对基于梯度变换的图像增强算法抗噪声干扰能力差的问题,引入曲率滤波理论,提出了基于高斯曲率滤波和梯度变换的图像增强算法.该算法通过对图像梯度场进行非线性变换来增强图像对比度,通过构造能量泛函,采用梯度下降法从变换后的梯度场重构出增强后的图像,并利用高斯曲率滤波对梯度下降法迭代过程中的重构图像及其各阶偏微分进行平滑,有效解决了图像重构过程中的噪声非线性放大和扩散问题,同时保留了丰富的细节信息.采用多组边缘模糊图像进行仿真实验,实验结果表明该算法在增强图像边缘对比度的同时,能够有效抑制噪声.     

纯相位菲涅尔全息图的反馈迭代算法及其硅基液晶显示

研究了纯相位菲涅尔计算全息图的制作方法,给出了一种生成纯相位菲涅尔计算全息图的算法.首先研究了菲涅尔衍射的数值模拟算法,分析了两种数值模拟算法的计算速度.将计算速度较快的菲涅尔衍射数值模拟算法和迭代算法相结合,并引入比例反馈,得到纯相位菲涅尔计算全息图的反馈迭代算法.其次,对比例反馈系数的选取进行了实验研究,得到其最优经验值范围,然后进行了仿真实验.仿真结果表明,该算法降低了重构误差,提高了全息图重构质量.最后基于新型空间光调制器反射型硅基液晶,建立了全息显示光电实验系统,对该算法进行了验证.