磁偶极子阵列模型的适用性研究与优化分析

随着我国水下探测、通信技术的发展,传统的磁性测量模型已无法满足高精度、高效率建模的需要.本文从舰船磁场积分模型出发,综合分析模型离散化为磁偶极子阵列模型产生的复化中矩形,以及Gauss-Legendre积分余项分析过程引起的离散误差、算法误差,模型简化产生的拟合误差、模型误差等,对模型适用性条件进行分析;同时,以建模精度和计算复杂度为目标构造多目标优化函数,通过NSGA-Ⅱ算法对多目标函数进行求解,得到使精度、复杂度较为均衡的最优解集,提出了不同精度、复杂度需求下的选择规则.为了保证结果的有效性,在舰船磁场混合模型的基础上利用数值实验对模型进行验证,充分考虑模型拟合误差,通过对磁性均匀、磁性不均匀潜艇的仿真分析得到模型达到适用范围时距离与磁偶极子数目的相关关系;在保证模型适用的条件下,基于NSGA-Ⅱ算法的多目标优化过程所得结果运算效率、精度高,具有很好的工程应用价值.     

基于Levenberg-Marquardt算法的动态磁性检测站磁定位方法研究

针对舰船动态磁性检测站需要确定磁场测量点坐标以进行舰船磁性分析的情况,利用Levernberg-Marquardt算法及磁体模拟法提出了一种动态磁性检测站磁定位方法。该方法利用包含定位参数的舰船磁场模型设计了目标函数,通过Levernberg-Marquardt算法经由定位参数的初始估计收敛到使目标函数最优的定位参数解。船模实验证明,定位结果较准确,能用来描述动态测磁时舰船磁场测量面上测量点的位置,在此基础上能通过舰船磁场推算掌握舰船的磁场分布情况,进而快速制定舰船消磁决策。     

时域混合算法在一维海面与舰船目标复合电磁散射中的应用

采用时域积分方程(TDIE)与时域基尔霍夫近似(TDKA)的混合算法研究粗糙海面与舰船目标的复合瞬态电磁散射.该方法将舰船目标及其近邻海面划分为TDIE区域,用TDIE方法精确求解;将剩余电大尺寸的粗糙海面划分为TDKA区域,采用高效的TDKA电流近似求解.通过混合算法和传统TDIE算法结果的对比,表明TDIE-TDKA混合算法能保证计算的精度,同时具有较高的计算效率.最后,讨论了海面上方有无目标、海面上方风速、电磁脉冲入射角、舰船目标尺寸、吃水深度对后向散射磁场的影响.     

舰船磁场磁单极子阵列法建模技术

针对现有舰船磁场等效源反演建模方法存在的精度较低和适应性不强的问题,提出了一种舰船磁场磁单极子阵列反演建模新方法,按照舰船铁磁结构布置磁单极子阵列,采用正则化技术进行舰船磁场的反演建模.建立了三种典型的磁单极子阵列形式:舰船水线平面上的长方形阵列、包围船体的长方体阵列、按照舰船铁磁结构分布的三维船体阵列.理论分析表明,三维船体磁单极子阵列减少了等效磁源设置的盲目性,所得到的等效磁源与真实磁源一致性高,能够更大程度地复现舰船磁场完整信息.利用典型虚拟舰船的磁场进行了验证试验,结果表明所提出的三维船体磁单极子阵列比长方形或长方体阵列具有更高的精度和适应性,特别是能实现舰船远磁场与近磁场、舰船上方和下方磁场之间的相互精确转换.所提出的三维船体磁单极子阵列模型具有复杂度小,建模简单,布置灵活的独特优势,为舰船磁场高精度反演建模、磁场定位等的数据处理和解释提供了新的技术选择.     

基于混合场积分方程的半空间上方金属目标电磁散射特性高效分析

研究一种可以高效求解半空间金属目标电磁散射积分方程方法,电场积分方程适用于任意结构电磁问题分析,但是生成的矩阵条件数大,迭代求解收敛性差;而磁场积分方程生成的矩阵条件数小,迭代收敛性好,但是仅能分析闭合结构问题,本文采用了混合场积分方程方法,同时具备电场积分方程的普适性与磁场积分方程的收敛性.由于混合场积分方程中涉及格林函数的梯度项,为了进一步加快计算效率,本文引入了一种针对半空间格林函数的高效四维空间插值方法,对组成半空间格林函数的索末菲积分进行列表和Lagrange插值,以实现高效的迭代求解,效率在传统混合场积分方程的基础上提高12.6倍.数值结果表明,该方法在保证精度的同时,可以显著降低求解问题的时间.     

DIY三维激光扫描仪内参数的快速标定

提出了一种以优化点云数据中平面的平面度和平面面积为目标的内参数标定方法,针对不同情况选用区域生长算法或改进随机采样一致性(RANSAC)算法进行平面提取,并通过提出的单纯形和人工蜂群混合优化算法(NMS-ABC)进行参数解算,实现了DIY系统的内参数标定.利用内参数已知的仿真数据实验验证了NMS-ABC混合算法用于内参数快速求解的有效性,利用不同场景获取的多组实测点云数据进行了标定实验,结果表明:标定后的平面内点百分比和整体平面度均有所提高,并且当平面数不少于3时标定结果更稳定可靠;进行了点位精度测试,经内参数标定后DIY扫描仪的点位测量精度得到提高且在不同水平角度分辨率条件下优于3mm@4m;人为增大安置误差,通过对比标定前后的点云及平面提取结果,进一步直观验证了本文所提标定方法的正确性和有效性.     

基于量子遗传算法的认知无线电决策引擎研究

提出了基于量子遗传算法的认知无线电决策引擎，设计了待优化的多目标函数，利用量子遗传算法调整优化无线电参数，运用多载波系统对算法性能进行了仿真分析.实验结果表明该方法在收敛速度、收敛精度和算法稳定性上都明显优于经典遗传算法，在种群规模较小时仍然能获得很好性能，适合于实际实现.不同权重设置模式下仿真结果表明该方法能够在多个目标函数间进行权衡，参数调整结果与当前对目标函数的偏好一致.     

基于Pareto优化理论的多目标超椭梯度线圈设计

磁共振系统梯度线圈设计是一个多目标优化问题,在设计时需要综合考虑能耗、磁场能、线性度等设计要求.这些设计要求通常难以同时获得极小解,因此在设计梯度线圈时需要权衡线圈的各方面的设计需求.本文基于柱面可展性和流函数设计方法,结合Pareto优化方法实现了在超椭圆柱设计表面上梯度线圈的多目标设计.分别分析了磁场能、能耗目标对梯度线圈线性度、线圈构型的影响;并在Pareto解空间中分析各目标的相互变化关系,通过数值算例验证了该方法在超椭梯度线圈设计时的有效性与灵活性.优化结果显示,在满足线性度误差小于5%,能耗与磁场能分别小于用户设定值的设计约束下,梯度线圈的多目标设计存在多个局部优化解.该方法可以直观地比较相同目标函数值的情况下各单目标的具体表现,有利于实现不同的设计要求下梯度线圈的最终定型设计.     

超椭圆柱面梯度线圈设计

超椭圆柱设计表面能够减小线圈与目标的距离,提高空间利用率,扩大成像区域的有效范围.提出利用流函数法及柱面的可展性在超椭圆柱面上设计核磁共振成像系统中的梯度线圈.根据Biot-Savart定律建立磁场强度与流函数的表达式,采用最小二乘法和Tikhonov正则化方法构造了双目标设计函数.利用柱面的可展性提高了基于分片离散流函数计算电磁场的数值精度,通过L-曲线方法实现了正则参数的合理选取.通过引入适当的流函数边界约束条件,把梯度线圈的优化问题转化为适定线性方程组的直接求解问题.通过数值算例验证了超椭圆柱面展开求解方法的正确性.优化结果显示,在满足线性度误差小于5%的设计约束下,该方法在设计超椭圆柱面线圈驱动电流分布的同时有效控制了梯度线圈的能耗.     

基于梯度响应面模型的优化设计

本文主要研究一种梯度响应面模型及其在气动优化设计中的应用. 目前应用广泛的多项式响应面模型是连续可导的, 采用梯度信息构造完全二阶多项式响应面模型, 所需样本数与设计参数个数呈线性关系. 首先通过改进实验设计方法, 快速生成满足精度要求的样本并确定梯度响应面模型. 随后通过函数实验验证梯度响应面模型的精度, 及该模型在多极值函数最值搜索中的有效性. 最后由伴随方法快速求解气动优化设计目标函数的梯度信息, 并开展基于梯度响应面模型和复合形法的叶片压力反设计和效率优化设计. 结果表明: 基于梯度响应面模型的优化方法在全局最优及提高优化效率两方面均有出色表现, 基于该优化方法的气动优化设计能够显著改善叶片的气动性能. 关键词： 气动优化设计 响应面模型 伴随方法 复合形法     

非均匀电磁介质中的等效源重构

本文提出了一种用于等效源重构的磁场极值信号法.并通过给定不同的电流偶极子作为信号源,仿真研究了多腔体心脏磁场模型及非均匀介质情况下等效源重构的精度.分析了体电导对心脏磁场的影响,以及磁场极值信号反映的体电导作用.文中将该方法与其他四种源估计方法:磁场梯度极值法、Nelder-Mead单纯形算法、信赖域反射算法和粒子群优化算法作了比较.分析了这些方法的源重构精度和计算所需时间.结果表明,这种针对非均匀介质情况提出的心脏磁场逆问题求解方法有一定的实用价值.     

基于特征融合的遥感图像舰船目标检测方法

针对常用的目标检测算法对遥感图像中的舰船目标进行检测时存在检测精度与实时性兼顾不佳的问题,提出了基于特征融合的遥感图像舰船目标检测算法来检测复杂场景下的多尺度舰船目标.该算法以多尺度单发射击检测框架为基础,增加反卷积特征融合模块和池化特征融合模块,增强网络特征提取的能力.同时设计聚焦分类损失函数来解决训练过程中正负样本失衡的问题.在高分遥感舰船目标数据集上的实验结果表明,所提方法能够有效地增强复杂场景下舰船目标的检测精度.此外,该算法对遥感图像中的模糊舰船目标的检测效果也优于多尺度单发射击检测框架.     

基于多核最小二乘支持向量机的永磁同步电机混沌建模及其实时在线预测

提出了多核最小二乘支持向量机的永磁同步电机混沌系统建模方法. 通过不同核函数的线性加权组合构造新的等价核,降低建模精度对核函数及其参数选择的依赖性. 理论上给出多核最小二乘支持向量机回归参数和模型输出值的求解方法. 采用关联积分计算方法对永磁同步电机混沌系统进行相空间重构,以窗式移动的在线学习方式对重构后的永磁同步电机混沌序列进行一步和多步实时在线预测,并讨论了不同测量噪声对该方法的影响. 仿真结果表明,该方法能有效提高永磁同步电机混沌系统的建模精度,具有良好的抗噪能力.     

基于人工神经网络在线学习方法优化磁屏蔽特性参数

磁屏蔽在磁场敏感的装置如原子钟、原子干涉仪等精密设备中发挥重要的作用,在变化外磁场下的某个磁屏蔽内部剩余磁场,可以通过Jiles-Atherton磁滞模型和磁屏蔽系数计算得出,根据计算结果可以进行主动补偿来抵消内部磁场的改变.然而实际应用中磁滞模型中五个与磁屏蔽相关的参数以及磁场衰减的两个参数的准确值的获得是比较困难的,通常根据实测磁滞回线人工匹配调节参数会花费大量时间且很难确保最终参数是全局最优值.基于人工神经网络的机器学习方法已经成为一种对复杂模型进行参数优化的有效手段,得益于现代计算机强大的运算能力,该过程通常远远快于人工参数调节,并有更大概率找到全局最优值,获得优于手工调节的参数值.本文利用人工神经网络在线机器学习的方法,对磁滞模型的五个参数与磁屏蔽的另外两个屏蔽相关参数进行优化测定,并对模拟卫星磁场环境下磁屏蔽内剩余磁场进行预测.通过实际测量屏蔽筒内剩余磁场与预测值比对,发现通过机器学习方法得到的磁屏蔽特性参数优于手动找到的参数,且所用时间大大缩短.该结果不仅有助于更好地进行磁场补偿,用于冷原子系统参数优化调整,更重要的是验证了神经网络在多参数物理系统中的应用,可以使其他多参数共同作用的物理实验进行最优参数的快速确定.     

基于Zernike系数优化模型的光学反射镜支撑结构拓扑优化设计方法

使用Zernike多项式表征镜面的变形,应用伴随变量法推导Zernike系数对拓扑优化设计变量的敏度,克服了差分法求解敏度时计算量大的问题,实现了基于Zernike系数直接建构具有成千上万设计变量的优化模型的目标函数以及设计约束.同时,在有限元数值离散的理论框架下,采用有限单元基函数以及单元数值积分的程序实现了结构变形以及Zernike系数的求解,简化了计算流程的同时还能保证计算精度.本文算法可以对目标函数或约束为线性组合的Zernike系数的一般结构拓扑优化模型进行优化,具有一定的泛用性.     

面向工业摄影测量的一种混合式相对定向算法

针对工业摄影测量中多基线、大倾角交向摄影时相对定向困难的问题,提出一种混合式相对定向算法。算法先利用本质矩阵分解确立相对定向参数初值,再利用非线性优化计算精确解。从共面条件获得的行列式出发,推导本质矩阵与相对定向参数的内在联系,给出求解本质矩阵的两种方法。然后讨论本质矩阵奇异值分解计算旋转矩阵和平移矢量,同时给出剔除伪解的依据。基于共面条件方程,建立相对定向参数非线性优化的目标函数。定向精度对比试验验证了所提出的混合算法的稳定性和高精度,对卫星天线曲面的测量试验也进一步说明该算法在工程实践中的适用性和可靠性。     

在轨空间目标光学特性宏观表征模型的反演重构

为了在天基远距离条件下反演三轴稳定空间目标表面的光学特性参数,提出了基于可见光时序光度信号分析的光学特性宏观表征模型的反演重构方法.首先,综合考虑空间目标的结构特性、表面材料特性、帆板的对日指向运动特性、光照观测几何以及光学系统特性,完善了面向在轨观测的空间目标可见光时序光度建模方法;其次,将光度模型等效为双面模型,并利用双向反射分布函数(BRDF)的多级融合模型表征复杂材料表面的光学反射特性,将BRDF对应的面积反射率乘积作为待反演参数;最后,以时序光度信号的测量值与模型值之间的差异最小为优化目标,建立线性优化方法,实现模型参数的反演.仿真实验表明,提出的模型在轨重构方法对于近轨观测条件下的本体、帆板信号的重构精度达到97%以上,验证了方法的正确性.     

基于多目标极值优化法的多光谱真温反演

为了求解多波长高温计多光谱通道的欠定方程组,引入了优化的思想,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化(MMO)问题,无需假设光谱发射率与其他物理量之间的函数关系模型即可求解真温。所提方法的反演精度与二次测量(SMM)法的大体相同,但反演速度大幅增大。借助火箭尾焰的真实测量数据,利用MMO法实现了火箭尾焰真温和光谱发射率的反演。     

叶轮机械叶栅多目标多学科设计优化算法

提出了基于多目标寻优的叶轮机械叶栅多学科设计优化算法,方法包括:采用并行多目标差分进化算法作为优化求解器来搜寻叶栅多学科设计优化问题的Paxeto解集,采用非均匀B样条方法对叶片型面进行参数化处理,通过求解Reynolds-Avergaed Navier-Stokes方程评估叶片的气动性能,耦合气动计算得到的叶片表面压力,应用有限元分析方法预测叶片的强度性能.为证明本文方法的实用性,选择叶片的等熵效率和叶片应力为目标函数,完成了NASA Rotor 37转子叶栅的多学科设计优化,结果表明本文提出的多学科设计优化算法具有良好的优化性能.     

光伏电池组件隐式、显式单二极管模型准确性对比研究

光伏电池组件非线性输出特性的物理建模及其优化参数的准确提取是光伏发电系统设计计算、性能评估及优化控制的重要前提.相对于传统的隐式单二极管模型,该文在光伏电池显式单二极管模型的基础上利用Lambert W函数推导了光伏组件的显式单二极管模型,提出一种基于重启边界约束Nelder-Mead单纯形算法的参数提取方法rbcNM,并利用两种典型光伏电池组件的实测数据对隐式、显式单二极管模型的准确性进行了对比测试和验证.结果表明:rbcNM算法可以快速准确的提取隐式、显式单二极管模型的优化参数,计算结果与实测数据具有很好的一致性,相对于已有文献在准确度上取得了大幅度的提升;显式单二极管模型的准确性显著高于隐式单二极管模型,对光伏电池组件的电流-电压和功率-电压特性曲线具有更高的拟合精度.