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关键词： 随钻测量   降噪算法   TS-VMD   硬件设计   轨迹绘制  

摘要： 我国煤矿地质条件复杂,开采过程各种灾害事故频发,其中瓦斯事故造成损失位居各类事故之首,钻孔抽采煤层瓦斯降低煤层中的瓦斯含量和压力有助于降低瓦斯事故风险,是防治瓦斯事故发生的重要手段。钻孔实际轨迹与钻孔设计方案是否保持一致直接决定瓦斯抽采和事故防治效果,测定钻头钻进的实际轨迹对瓦斯抽采效果评价具有重要意义,因此必须提高随钻轨迹测量系统精度。传统随钻测斜仪在钻机停钻安装钻杆时测量姿态以减小钻头破岩过程产生的振动干扰,但无法获取钻具的实时姿态信息。因此在煤炭安全生产过程中迫切需要一套井眼轨迹随钻测量系统以实现瓦斯抽采钻孔轨迹的精确测量以及实时显示。针对上述问题,本文设计了一套井眼轨迹测量系统,在完成系统研究中做的工作和取得的相应成果如下:(1)研究井眼轨迹随钻测量系统的基本组成,以及测量原理。并且结合煤矿钻孔作业的特点,将轨迹导航系统中常用的坐标系转换为适用于钻井作业的井眼坐标系。在分析了MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)惯性传感器(三轴加速度计,三轴陀螺仪)的测量原理的基础上,给出了井下钻孔轨迹相关参数的计算方式以及轨迹的表述方法。(2)分析在动态测量过程中传感器受到的噪声干扰,以及传感器信号的特点提出一种禁忌搜索算法和变分模态分解(TS-VMD,Tabu Search-Variational Modal Decomposition)结合互相关分析的算法和改进的限幅递推平均算法对传感器信号进行降噪。解决了加速度计易受振动和使用磁力计易受外部磁场干扰的问题。通过模拟实验证明了改进的降噪算法的优越性,为后续轨迹测量系统的精确性奠定了基础。(3)根据井眼轨迹随钻测量系统的需求,设计了系统整体框架,并在此基础上完成了基于STM32和HDA436T动态倾角传感器的硬件电路设计,主要包括STM32主控芯片以及其外围电路、串口通信模块、存储模块、电源模块、采集数据的传感器模块。以及完成了随钻测量系统地下测量单元、传输单元、上位机软件的设计,实现了井眼轨迹参数的采集、传输、存储以及轨迹的三维实时显示等功能。图[71]表[7]参[95]

关键词： 人体抗视觉眩晕能力评测系统   硬件设计   软件开发   场景完成度   特征提取  

摘要： 在中国每年大约有5700万人患有眩晕，眩晕的发生大部分情况是由视觉刺激引起的。视觉性眩晕作为前庭系统的功能障碍，常伴有头晕、不稳定、空间定位困难等症状。在抗视觉眩晕能力训练过程中，常有场景单一，受试者沉浸感不强等问题存在。目前临床上对人体抗视觉眩晕能力评估主要依赖医师的经验判断，没有具体的量化指标，带有强烈的主观性，对于表征人体抗视觉眩晕能力的特征提取和评估量化方法还需要进一步深入研究。　　首先，本文根据人体抗视觉眩晕能力特点，设计一套系统化人体抗视觉眩晕能力评测系统，系统分为硬件层、软件层和应用层三层架构。硬件层方面，采用压力传感器等硬件设备，搭建可获取人体压力重心信号的测力平台;软件层方面，利用Java编程语言设计人体抗视觉眩晕能力管理系统，主要包括受试者信息管理、数据分析等功能;应用层方面，根据医学视觉眩晕模拟量表并结合虚拟现实技术，设计易诱发视觉眩晕的模拟场景。　　其次，通过实验采集到的人体重心压力轨迹信号为非线性的时间序列数据,采用多元多尺度熵与最大Lyapunov指数的方法，对人体抗视觉眩晕评测实验数据进行特征提取，研究结果表明上述方法可有效分析人体抗视觉眩晕的能力。本文提出场景完成度概念，并将场景完成度与上述两种方法进行相关性对比分析。实验结果分析表明，场景完成度与两种特征提取方法的皮尔逊相关性均在90％以上，表明场景完成度能够有效评测人体抗视觉眩晕能力。本文根据场景完成度设定人体抗视觉眩晕能力量化表，将人体抗视觉眩晕能力分为优秀、正常和差三个分级，初步给出人体抗视觉眩晕能力评测实验范式。　　最后，本文基于虚拟现实及人机交互技术制定场景复杂度更高的训练实验方案，训练结果表明受试者在经过此训练实验后其抗视觉眩晕能力得到了显著提高。为了进一步表明场景完成度能够有效评估人体抗视觉眩晕能力，本文将首次评测数据与训练后受试者评测数据进行对比分析，结果表明训练后的受试者评测数据与场景完成度的相关程度依然均在90％以上，证明场景完成度能够对人体抗视觉眩晕能力进行有效性评估。

关键词： HEVC   FPGA   环路滤波器   去块滤波器   样本自适应补偿滤波器  

摘要： 近年来,多媒体娱乐对高清视频、超高清视频需求增长十分迅速,这对视频编码技术提出了更高要求。由于高效视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC)需要经过预测、变换及量化等过程,视频压缩后会产生块效应、振铃效应等。为了提高图像质量,以往研究通常使用环路滤波器(去块滤波器和样本自适应补偿滤波器)对失真效应进行滤波还原。但在基于HEVC的算法中,环路滤波器占用了大量计算时间,因此环路滤波算法的硬件设计和优化成为研究热点。针对视频编码中出现的块效应和振铃效应,本文提出基于改进的边界判定与边界强度合并算法的去块滤波器,并在FPGA上进行了环路滤波器的硬件设计与实现。本文的主要研究内容如下:首先,对去块滤波算法的边界判定算法进行改进。去块滤波将图像块边界附近的像素进行平滑滤波处理,减弱块边界的不连续性。针对标准滤波边界判断算法通常采用递归方式判定,不利于硬件实现的问题,本文提出了改进的边界判定算法,该算法根据编码树单元(Coding Tree Unit,CTU)对应的参数信息划分标记出需要滤波的边界,并且只对块边缘的一个像素进行标记。改进的算法易于硬件实现,节省了存储空间并且减少了边界标记时间。其次,对边界强度计算算法进行改进。针对标准HEVC算法在边界强度计算时造成的存储浪费问题,本文提出的边界强度合并算法将64×64大小的CTU的边界强度分成64个边界强度,后续的滤波模块不需要传输边界位置标记,而直接传输整个CTU的边界强度值,降低了存储空间要求。然后,在上述基础上,本文对基于改进的边界判定算法与边界强度合并算法的去块滤波器和样本自适应补偿滤波器进行了硬件架构设计,在FPGA中使用硬件语言进行实现,本论文研究的滤波算法能应用到现有的解码器结构中,且充分利用了 FPGA平台灵活可编程特性。最后,本文针对所设计的包含了去块滤波器和样本自适应补偿滤波的环路滤波架构,搭建了验证平台,对所设计的环路滤波器进行了仿真验证,利用标准编码软件进行对比分析,验证了所设计的环路滤波算法硬件设计的功能正确性。

关键词： 机翼抖动   传感器检测   信号调理   模数转换   现场可编程门阵列   傅里叶变换  

摘要： 航空飞机是人类工作生活出行不可或缺的一部分,随着世界新技术的发展和不断应用,航空技术必将取得更大的飞跃。但是对航空飞机机翼抖动的研究却微乎其微,基本没有这方面的研究,其实飞机机翼对航空飞机安全飞行也很有重要的意义。譬如,机翼抖动最大幅度是飞机安全飞行的极限值,机翼抖动的最大应力,机翼抖动是否造成机翼部分的损坏,机翼抖动引起的失速也能造成飞行重大事故等等。所以如何准确的监测机翼抖动及机翼的健康状态可以为后续学者们对航空飞机安全飞行提供参考。 本文搭建的机翼抖动监测系统,能够对机翼抖动作出反应,并准确地监测到机翼抖动幅度,并对机翼抖动数据进行分析处理,运用傅里叶变换针对机翼抖动的高斯脉冲信号进行算法运算,得到其从时域的波形图到频域的波形图,然后计算得到其功率谱,机翼抖动幅度作预警提示,机翼抖动功率频率作报警提示,实时监控机翼的健康状态。 论文首先概述了机翼抖动监测系统的研究背景与意义,介绍了机翼抖动监测系统的研究现状及主要实现功能,在此基础上,提出了机翼抖动监测系统总体的设计方案,并给出相应设计要求、测量原理及方法。其次,以广东高云半导体FPGA芯片GW2A R-LV18EQ144PC8/I7为核心控制器,外加振动传感器、信号调理模块、A/D模数转换模块、电源电路、USB传输模块等电路完成了设计。再次,基于软件开发环境,分模块设计程序,并给出了各个模块的程序设计流程,并对采集到的机翼抖动数据进行傅里叶算法处理,机翼抖动幅度作预警算法,机翼抖动功率频率作报警算法。最后,对机翼抖动监测系统进行了硬件、软件调试和算法测试,系统能够实时监测机翼的抖动变化,并能够对机翼抖动的异常作出预警及报警提示,检修人员根据提示报警信息也能够对机翼异常部位进行检修,保障机翼的健康状态,达到了设计预期的效果。

关键词： 矿用自救器   模拟操作系统   硬件设计   软件开发   传感器   人脸识别   数据库  

摘要： 煤矿安全一直是重中之重，矿用自救器是下井工人在灾害发生时唯一的逃生工具。针对自救器使用培训上面存在的诸多问题,本文基于GD32F103CBT6芯片设计了一套集传感器技术、人脸识别技术、数据库技术于一体的自救器模拟操作系统，用于供下井人员在井上进行自救器操作的日常练习，保证每名人员在下井前都能熟练掌握自救器的正确操作方法。本文的研究工作如下:　　(1)通过文献研究并结合市场调研情况，综述了煤矿自救器培训设备研究进展，分析了煤矿企业在自救器培训方法上存在的不足，提出了研发自救器模拟培训系统的技术方案。　　(2)分析目前煤炭企业主要使用的自救器类型，分析其内部的原理构造，对自救器的操作动作步骤进行拆解。仿真设计出自救器模拟结构件，并选择合适的传感器以及传感器的安装位置，通过传感器的触发状态来判断对自救器的操作动作是否完成。　　(3)对硬件电路进行设计，以GD32F103CBT6芯片为核心，实现传感器的触发状态信息采集，并通过串口转网口模块将信息发送到上位机软件，并分析收集到的不同传感器触发状态信息所对应的自救器操作动作。　　(4)对立式一体机进行设计，并将其作为上位机软件的载体以及自救器模拟操作的平台。对PCA算法进行优化，提出了一种融合了图像预处理技术、PCA和LDA的人脸识别算法，实现人脸识别，确认操作人员身份。设计上位机软件，接受硬件电路发送的传感器触发状态数据，通过分析数据的变化来实现自救器操作动作的实时显示以及操作结果的显示，并将结果信息发送到后台服务器。　　(5)基于MySQL数据库搭建后台服务器，用于储存工人的身份信息和操作结果信息,供企业领导随时查看、导出。分析了自救器、一体机、后台服务器三者之间的数据传递方式，实现了三机联动。　　(6)经过在煤矿企业实地测试，结果表明自救器模拟操作系统在提高工人的自救器操作熟练度方面效果显著。

关键词： 矢量网络分析仪   射频微波   S参数   误差校准   TRL算法   信号分离  

摘要： 矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)作为一款电子设备仪器可以测量频率范围从几千赫兹到几十吉赫兹的信号参数,如电路中信号的相位和幅度。此外,VNA还可以对复杂的网络如阶梯网络或混合网络进行测量。目前市面上的VNA存在一些缺点,例如尺寸笨重、易损坏、成本和价格高昂,尤其是对于大型仪器而言。此外它的使用过程也相对复杂,且需要一定的专业知识,否则会对测量结果的精确性产生影响。后期VNA的维护和保养费用较高,用户需要定期进行保养,以确保仪器的正常使用。针对上述设备的缺点,本论文旨在设计和开发一款便携式VNA,以解决传统VNA存在的问题。该设备可以测量频率范围从100k Hz到6GHz内待测器件的S参数,其价格合适、质量较轻、测量精度较佳、应用范围较广。本论文的主要研究工作内容及成果如下:首先,从理论层面上介绍了微波射频电路的基本概念与原理,介绍了VNA的基本结构,梳理了VNA的各个组成模块以及内部存在的各种类型误差,介绍了误差校准原理其中重点介绍了TRL算法校准。基于这些基本知识引出了本论文研究设计的出发点,从总体层面上研究了便携式VNA的内部结构以及各个组成部分目前存在的组成方案,其中重点介绍了射频源电路、信号分离电路和接收机电路。其次,根据便携式VNA的基本结构,从硬件层面上采用模块化的方式设计了便携式VNA硬件设计,选取合适的芯片构造电路模块具体包括系统电源模块、射频源模块、本振模块、衰减增益模块、信号分离模块、接收变频模块、ADC信号采样模块。其中射频源模块采用锁相频率合成扫频的方式生成,接收机采用两次差分变频的方式保证后续ADC模块更精确的对中频信号采样。然后,根据电路模块采用Cadence软件具体绘制了各个模块的硬件原理图,并且分析了每个模块的工作细节,其中基于各个电路的芯片参数,采用不同的仿真软件对部分电路进行了仿真设计,以便使其符合我们预期要求的结果。最后,根据电路原理图制作PCB板将其做成实物,通过在相同情况下对实物系统进行多方面的测试对比,测试结果验证本项目设计的测试系统可以较为精确的测量S参数,测得参数指标满足本论文所设计的参数指标,和市面上的其他仪器在测量上相差无几,测量精度效果较佳,具备工程实用性,并且本项目所设计的系统小巧轻便,具备便携性的特点。综合本论文的研究目标和研究成果,本项目所设计硬件测试系统满足设计要求,因此本项目所设计的产品可以具备一定的实用价值。

关键词： 同态加密   FPGA   模算术   数论变换  

摘要： 在云计算场景中,数据拥有者希望尽量降低敏感数据计算时的泄露风险,但传统加密算法对计算缺乏支持,使得执行方只能处理明文数据。为应对此困境,支持密文计算的同态加密算法被提出。然而,相比明文计算,当前的同态加密计算面临着计算效率的挑战。这成为了进一步部署此类算法的主要障碍。问题在于,面对高开销的同态加密计算,主流架构,如CPU或GPU,未能很好地适应同态加密计算的基本算术和数据流特点,没有很好匹配的硬件算术单元、并行计算及访存机制。为解决上述问题,本文研究了同态加密的算法及其硬件实现,结合同态加密算法仍处不断演进阶段的现状综合考虑了计算效率、算法适应性与部署成本的需求,明确了FPGA相对于CPU,GPU和ASIC等硬件平台的优势。在此基础上,提出了基于FPGA的同态加密计算硬件设计。主要工作如下:(1)针对同态加密进行了理论和算法层面的分析研究,为硬件设计作准备。首先分析了基本算术,即模算术的原理。然后,找到同态加密计算的瓶颈所在密文乘法,并分析了其以多项式为操作数的特殊算术的原理及算法复杂度,继而引入并分析了结合负循环卷积和快速傅里叶变换的基于数论变换(Number Theoretic Transform,NTT)的理论方法,对复杂度进行了优化。(2)针对模算术的计算,设计了基于条件减、加法的模加、减单元及基于Barrett模约的模乘单元。同时通过逻辑复用优化了资源消耗,并通过硬件字长的优化分析确保了硬件乘法器的高效利用。在此基础上设计了模算术蝶形单元,并利用旋转因子可预先计算的特点对蝶形单元的数据通路进行了针对性优化。(3)针对多项式乘法的优化计算,基于前述模算术单元设计了NTT和INTT模块。设计中,通过对NTT复杂数据流的重整挖掘了其跨级不变性,再据此提出了一种并行计算数据映射机制及对应的全流水硬件设计,使数据冒险、流水线气泡及空域数据重排等不利因素全部排除,保证了模块功能正确、计算高效,同时还可节省资源。最后,基于Vivado开发环境对Verilog编写的RTL设计进行了仿真与综合,并与他人研究工作进行了对比,本文所设计的NTT/INTT模块达成了80%～93.9%的fabric资源节省,体现了本文硬件设计的正确性,以及提出的并行计算数据映射机制在节省硬件资源方面的有效性。

关键词： 金属打磨   表面缺陷检测系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 近年来，随着我国制造业的快速发展，金属产品作为制造业中最常见的零件之一，其需求急剧上升，对其质量的要求也日益提高。目前，金属表面缺陷检测主要依靠人工目测，精度低、效率低、劳动强度大，无法满足企业不断提高产品质量的需求。随着科技的发展，越来越多的先进技术被应用于缺陷检测，如计算机视觉、机器学习等，这些技术因其高精度、无接触等特点，开始广泛应用于工业检测。本文以打磨后的金属铝板为研究对象，提出了一种基于线结构光的金属表面缺陷检测方法，结合深度学习，实现了对金属打磨后的表面缺陷检测。本文的研究主要从以下几个方面展开：　　设计了金属打磨后的表面缺陷检测系统，包含硬件设计和软件设计两个部分。其中硬件设计包含相机、镜头、激光器和位移平台的选型和设计，以及系统标定。软件设计为金属表面光条中心提取和缺陷检测等算法的设计。搭建了缺陷检测系统实验平台。　　为了解决金属表面反光严重而导致的光条质量差的问题，提出了一种基于光条特征的改进Steger光条提取算法。该方法首先以图像灰度梯度和灰度值作为双重约束，从背景中大致分割出光条图像。然后利用面积约束和形状因子约束，消除干扰区域，进而精确分割出光条ROI区域。最后根据二维高斯卷积的可分离性和对称性改进Steger算法，提取光条亚像素中心。与灰度重心法和Steger算法对比实验表明，该方法具有良好的计算效率和鲁棒性。　　针对传统视觉金属表面缺陷检测准确性不高的问题，提出了改进的U-Net神经网络模型。首先将点云数据映射为二维深度图，再利用深度学习来进行缺陷检测。针对U-Net网络在应用中出现的类别不平衡等问题，通过采用深度网络中表现更好的ResNet-50特征提取网络替代原有U-Net中的普通特征提取网络、改进卷积操作方式以及选择更优秀的损失函数blobloss等对U-Net进行改进。相比于FCN和U-Net缺陷分割算法，本文提出的改进算法在缺陷分割上有较大的提升。　　实验表明，本文的缺陷检测算法对多种类型的缺陷分割准确率均超过90%，实现了金属打磨后的表面缺陷识别。

关键词： 相位敏感光时域传感技术   背向散射   硬件电路设计   性能测试   模分复用  

摘要： 分布式光纤传感技术在长距离安防、周界安防等领域具备广阔的应用市场。因其具备不受外界电磁干扰、监测范围大、对外界扰动灵敏等优点,适合于易燃易爆、周围环境复杂的特殊场合或者需要智能化管理的重点场合使用。本文基于相位敏感光时域反射原理(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR),研究并设计了能够预处理传感信号和进行系统控制并具备视频联动等功能拓展的高速信号处理板,搭建了Φ-OTDR传感系统。所设计的高速信号处理板以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片为控制核心,能够同时控制系统中光源、光信号接收板,与上位机通信。具体的工作内容如下:(1)对分布式光纤传输技术研究背景与意义进行了介绍,并对Φ-OTDR技术研究现状进行了阐述。从理论上分析了光纤中的散射效应以及Φ-OTDR传感系统工作原理。(2)针对实验室上一代Φ-OTDR传感系统中,信号处理板的FPGA型号较老、内部资源耗尽、缺乏高速信号接口、无法进行视频联动等功能拓展的问题。通过器件选型和原理图绘制等硬件电路设计,提出了一款高速信号处理板。不仅具备预处理传感信号、控制光源、控制光信号接收板的功能模块,能够满足Φ-OTDR传感系统的基本需求;新增数据缓存模块最高可缓存512 MB数据。新增以太网模块和光模块,为系统接收视频光信号实现视频联动或实现板间通信打下硬件基础;设计了电源电路和时钟电路,为高速信号处理板中各功能模块的正常运行提供稳定的电源电压和时钟信号。(3)针对高速信号处理板的电源模块和时钟模块进行功能验证,确保电源芯片输出的供电电压能够满足处理板的需求以及时钟芯片输出稳定的时钟信号。在此基础上实现程序烧录和FPGA工作状态信息读取以及内部波形抓取,确保满足系统联调的前提条件。(4)搭建Φ-OTDR传感系统,并实现系统联调。在实验室环境中,针对系统性能,进行传感距离、扰动数量、定位精度、响应时间、误报率等方面的实验。实验结果表明传感距离可达44 km,能够监测到5点同时扰动。单点以及两点、三点同时扰动情况下的定位精度可达±10 m,响应时间<1 s,误报率≤3%;四点和五点同时扰动情况下的定位精度可达±30 m,响应时间<2 s,误报率≤5%。然后介绍了耦合模理论以及模式选择耦合器。以实现视频联动技术和Φ-OTDR传感技术结合为目标,提出了一种基于模分复用视频联动的Φ-OTDR传感系统架构。

关键词： 凿岩台车   远程监控系统   数据通信   硬件设计   软件开发   数据加解密算法  

摘要： 随着国家各项基础建设工程的持续推进，隧道掘进已成为交通、能源、水电水利、国防建设等基础设施工程中不可或缺的重要环节。凿岩台车作为隧道掘进的先锋设备，取代了传统的人工凿岩施工方式，伴随着信息技术的飞速发展，智能凿岩台车已成为我国隧道掘进工程机械的重要发展趋势。为了实现台车故障预报警，便于远程排障，亟需设计一种可用于凿岩台车的远程监控数据通信系统。　　本文提出了基于嵌入式硬件系统和阿里云物联网平台的凿岩台车远程监控数据通信方案，主要包括硬件系统设计、软件平台设计和数据加解密算法研究三部分。硬件系统的设计包括电源电路、时钟电路、ARM主控电路、多路CAN通信和RS422电路、FRAM存储电路、Wi-Fi通讯电路等硬件电路，其中FRAM存储电路完成数据的缓存，ARM主控电路主要完成数据的加密，Wi-Fi通讯电路完成数据的上云;软件平台设计则由阿里云物联网平台和 PC 端软件平台两部分组成，其中阿里云物联网平台负责接收硬件系统传输的数据并按照相应的 Topic 转发给PC端软件平台，PC端软件平台则完成数据的接收解析并解密显示的功能;数据加解密算法研究则先是对 AES 算法进行了原理分析，针对其在本研究场景下存在的问题，通过优化轮函数结构和采用有限域GF(28)上具有最简形式的列混淆矩阵，并提出一种新的轻量化实现方法，达到了降低算法执行的复杂度并提高数据加解密速度和降低内存占用的目的，其中数据加解密功能的实现是通过C语言程序代码分别融入硬件系统的 ARM 主控模块和软件平台中的数据加密功能中来完成的。硬件系统、软件平台和数据加解密算法三部分共同完成凿岩台车远程监控数据通信功能的实现。　　实验表明：相较于已知的最优实现方法，本文所提出的 AES 改进算法及其轻量化实现方法的存储空间占用减少了 40%，加解密速度分别提高了 6.28%和6.61 %，具有较高的执行效率;数据通信硬件模块和软件平台能够较好地完成凿岩台车远程监控的数据通信，可满足工程的实际需要。