非金属管道的电磁波反射频率特性研究

探地雷达(ground penetrating radar,GPR)对非金属管道进行探测识别时,填埋在不同介质中的非金属管道雷达回波频率并不固定。为深入研究非金属管道的电磁波反射规律,文章建立了时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)正演模型,对不同埋深、不同填埋介质及不同入射波中心频率的情况进行正演计算,得出非金属管道在不同填埋介质中的探地雷达回波频率分布规律;进一步通过理论分析,得出回波频率中心变化的原因是由于管顶及管底电磁反射波相位发生了变化,并且不同中心频率的入射波会激发对应的回波频率。     

基于极限梯度提升和探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别

针对探地雷达（GPR）数据解译依赖于人工经验，存在费时费力和主观偏差的问题，提出了基于极限梯度提升（XGBoost）和GPR时频特征的水泥路面脱空识别方法。采用正演模拟、室内试验和现场试验获得了脱空病害数据源，建立含有标签的脱空GPR数据集；通过重采样方法统一GPR数据采样频率，并对预处理后的GPR数据进行时频域特征提取，建立了包含18个时域和12个频域特征的数据集。以时频域特征为输入，是否存在脱空病害为输出，采用XGBoost算法构建脱空识别模型，并与随机森林（RF）和人工神经网络（ANN）算法进行对比。结果表明，模型的识别准确率排序为XGBoost(98.10%)>ANN(95.10%)>RF(93.17%),XGBoost模型识别精度最高，并能在实际路面上准确定位脱空区域。     

基于三角形剖分的复杂GPR模型有限元法正演模拟

针对基于矩形网格剖分的时域有限差分法(FDTD)和有限单元法(FEM),对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的模型适应性差的问题,从雷达波所满足的Maxwell方程出发,推导探地雷达(GPR)有限元波动方程,通过采用三角形网格剖分和线性插值基函数,在满足时间步长与空间网格差分稳定性前提下,应用Galerkin有限单元法求解GPR波波动方程;同时为消除FEM进行GPR正演模拟时来自截断边界处的超强反射,采用透射边界条件把GPR波在截断边界处的反射波透射出去,进而压制来自截断边界处的反射波。然后,编制GPR有限元正演模拟的Matlab程序。应用该程序分别对起伏分界面、"V"字形2个复杂地电模型进行FEM正演模拟,得到基于三角形网格剖分的FEM正演模拟GPR剖面图,并把该正演模拟剖面图与常规的基于矩形剖分的FEM正演模拟剖面图进行对比,结果表明:基于三角形剖分的FEM对于复杂GPR模型的物性参数分界面拟合更好,其模拟所得的正演剖面与实际模型更相符,具有更高的模拟精度,更有利于指导雷达剖面的数据解译。     

深水立管涡激振动单模态响应时频联合预报模型

利用基于圆柱体的受迫振荡试验数据提出的流体力模型,依据VIVANA的频域方法识别主导响应频率并建立升力和阻力模型,推导立管涡激振动单模态响应时频联合预报模型,在时域内通过迭代求解出立管的单模态涡激振动响应.结果表明:所推导的时频联合预报模型可用来预测立管的主导响应频率,对于低流速下激励出的单模态响应预报结果与试验结果吻合较好;对于高流速激励出的多模态参与的响应,整体响应及振型预测较好,但不能很好地预测出某些局部峰值.     

排水管道堵塞试验及影响因素分析

随着智慧城市信息集成化的发展应用,对排水管道内水位、流量等主要运行参数的实时监控与自动采集需求越来越强,利用参数采集系统对排水管道堵塞进行定位监测,基于水力相似原理,建立变态相似模型,按照原型长度比例缩小20倍建立试验装置,并针对排水管道试验模型重力流、压力流不同工况进行堵塞试验及堵塞影响因素研究,结果表明:在重力流中,堵塞前水位和堵塞强度呈正相关分布,堰上水头最低点出现在堵塞高度为管径的50%时,且过流损失均随着坡度的增加而增加;堵塞强度在0.5时,过流损失减少值最小;在压力流中,堵塞程度越大,堵塞点前后管道水位高度变化越大;在同一堵塞强度条件下,过流损失随着堵塞长度的增加而增加;随着坡度增加,过流损失增加差额减少;堵塞长度越大,坡度对过流损失的影响越小。试验研究分析了排水管道堵塞状况的变化规律,为排水堵塞故障识别提供了基本依据。     

各向异性介质GPR非结构化网格有限元正演

为了更准确地认识电磁波在各向异性介质中的传播特征,从麦克斯韦方程组出发,推导电磁场在单斜各向异性介质中的波动方程。采用Delaunay非结构化网格有限元法进行空间域离散,采用中心差分公式进行时间域离散,导出单斜各向异性介质中GPR时空域有限元方程。在此基础上,建立各向异性介质GPR非结构化网格有限元正演算法。利用以上算法编制的程序对均匀各向异性介质模型进行正演计算,并与解析解对比,验证该算法的正确性和有效性;对均匀各向异性介质模型和圆形异常体模型进行计算,并与背景介质为各向同性介质的计算结果进行对比。研究结果表明:与FDTD计算结果对比,非结构化网格有限元法的拟合误差更小,精度更高;电磁波传播受介质各向异性的影响,波前面呈椭圆状向外扩散传播,其能量衰减较慢;与各向同性介质中圆形异常体反射波相比,各向异性介质的圆形异常体反射波的曲率、能量和双程走时,受不同方向上电磁波速度影响会发生显著变化。     

ZTEM三维正演响应特征分析

天然源频率域航空电磁法(ZTEM)对于地下异常体的探测有着显著的优势,其正演响应特征的分析对提高勘探精度有着重要的意义.简要地论述了ZTEM基本原理,基于交错网格有限差分法开展三维ZTEM正演模拟,首先正演模拟复杂模型的倾子响应,研究表明倾子数据对横向电性分界面反映准确;其次通过大量的模型试算,分析了影响ZTEM正演响应的主要因素.结果显示,不同地电条件下的倾子响应幅值不同,进一步加深了对ZTEM三维正演响应特征的认识,对ZTEM的实际应用和异常解释提供了依据.     

基于数据的MATLAB系统辨识工具箱模型识别

系统辨识是研究建立系统数学模型的理论与方法.从实测的系统输入输出数据或其他数据,用数值的手段重构系统数学模型的办法称为系统辨识.在实际应用中,可以采用许多方法从给定的系统响应数据,如时域响应中的输入和输出数据或频域响应的频率、幅值与相位数据等拟合出系统的传递函数模型,但由于这样的拟合有时解不唯一或效果较差,故一般不对连续系统数学模型进行直接辨识,而更多地对离散系统模型进行辨识.MATLAB的系统辨识工具箱中提出了各种各样的系统辨识函数.在介绍了系统辨识的基本理论和方法的基础上,利用Matlab仿真工具箱对给定实例进行仿真分析.通过仿真结果比较可见,两种方法都能够与实验对象有较好的拟合,而近似最优4阶辅助变量法所得模型拟合精度高于最小二乘法所得模型.     

基于经验模态分解的低信噪比探地雷达数据处理

阐述经验模态分解原理及复信号分析理论,着重讨论EMD分解应满足的条件及具体分解过程.应用EMD方法对单道GPR数据及GPR正演加噪剖面分别进行分解,得到从高至低不同频率范围的本征模态函数GPR图.然后,以湖南长沙黑麋峰抽水蓄能电站进厂交通隧洞实测GPR剖面为例,首先对该剖面进行EMD分解去除部分噪声,再利用Hilbert变换求取GPR剖面复信号,并提取瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率3个参数,绘制出相互独立的瞬时参数剖面图.研究结果表明:EMD分解对于低信噪比GPR数据具有较强的适应性,把EMD分解应用于含噪的雷达信号,并结合GPR复信号分析技术得到的“三瞬”信息,避免了使用单一时距剖面分析所造成的解释偏差,可以较好地实现对低信噪比GPR数据的噪声去除,突出雷达剖面中异常体特征,达到提高GPR信号分析效果及解释精度的目的.     

基于IPMC分数阶系统的频域辨识研究

IPMC是一类具有很好应用前景的电活性智能材料,但响应机理复杂且具有非线性限制了其开发与应用。分数阶微积分理论和整数阶微积分理论几乎同时诞生,是对整数阶控制理论的概括和补充。为了精确的建立能够描述IPMC驱动器性能的模型,首先,设计频率变化的chirp电压信号激励IPMC驱动器,得到时域响应数据,并应用matlab的时域-频域转换函数把时域数据转换成频域数据,得到频域响应曲线伯德图。然后,应用系统辨识工具箱中的Levy、vinagre和sanko函数结合频域响应实验数据得到IPMC驱动器的辨识模型。最后,通过比较辨识效果和辨识精度指标,可见分数阶辨识模型要好于整数阶辨识模型,其中vinagre函数辨识得到的分数阶模型与实验数据的拟合效果最好,辨识精度最高。     

长跨度热力管道的裂纹识别

为了实现管道运行状态和表面裂纹的定期监测,确保长跨度热力管道设施的安全性能和使用性能,对长跨度热力管道的裂纹识别进行连续小波变换研究;推导大跨度热力管道的运动微分方程并建立有限元模型,计算系统位移响应和角度响应,通过连续小波变换分析系统的响应信息研究裂纹识别。结果表明:连续小波变换裂纹识别能力较强,可以精准定位裂纹位置和判断裂纹大小,利用角度响应识别裂纹比利用位移响应识别更有效;管道中流体流速越大,裂纹识别效果越好。     

基于全区视电阻率瞬变电磁一维正演中滤波系数的选取

为提高瞬变电磁正反演数值计算的效果和效率,选取合适的数值滤波系数是关键.通过建立参照模型,选用正演数值计算效果良好的3组汉克尔变换滤波系数和3组余弦变换滤波系数,对比分析了其不同组合正演的计算效率、精度和有效范围.利用瞬变响应的平移伸缩特性提出参数模型法,实现了针对实测数据的滤波系数选取的估算,经过反演测试,最终得出了基于全区视电阻率的最佳滤波系数组合.     

高烟囱的随机响应时域识别的探讨

本文对高烟囱的随机响应数据进行了模态参数的时域识别,并在此基础上进行了频率公式的拟合。该公式建立了前三阶振动频率与振动阶数的线性关系。与实测结果相比,其相对误差一般在16％以下,有一定的参考价值和实用意义。     

RBF与加权质心相结合的室内无线定位算法

针对传播路径损耗模型的参数,极易受室内障碍物等环境因素影响,导致定位精度低的问题.利用RBF(径向基函数)神经网络算法替代损耗模型,拟合RSSI(接收信号强度)值与距离的关系.采集室内RSSI值和其对应的距离值的实测数据,利用实测数据训练RBF神经网络,建立RSSI-距离拟合模型;利用拟合模型将经过处理的RSSI值转换为距离值,并将距离值按从小到大排序;取前3个离定位节点较近的固定节点的信息,进行加权质心定位计算.研究结果表明:RBF算法的定位精度比路径传播损耗模型算法提高了34.5%,且略高于BP算法的定位精度.在相同的室内环境下,RBF算法能更好地克服环境因素对距离计算的干扰,提高室内定位的精度和稳定性.     

机器激励下考虑填充墙影响的结构动力响应分析

为了研究在机器激励下填充墙对结构动力响应的影响,根据现场实测结果,从时域上利用Newmak法对该结构进行动力时程分析;基于实测数据的功率谱,拟合出Kanai-Tajimi模型的参数,利用SAP2000的PSD分析模块对结构进行随机振动分析,与未考虑填充墙影响时结构的动力响应进行分析比较.研究结果表明:考虑填充墙影响后,结构的自振频率增大,与实测结构频率及机器工作频率更接近;考虑填充墙影响后,结构的加速度、速度以及内力响应均增大,位移响应因结构的共振效应也增大.     

基于匹配追踪理论的超宽带雷达目标散射特性分析及目标识别技术

为了改善基于超宽带雷达的目标识别性能，首先结合匹配追踪算法，提出了一种GTD模型参数提取新方法，并利用该思想对Altes模型参数提取的最小二乘拟合方法进行了相应的改进.然后，利用提出的算法，通过与Altes和扩展Altes模型的对比，分析了GTD模型在超宽带目标全响应散射机理建模中的可行性，并通过实验揭示了目标散射中心超宽带响应存在主散射机理这一物理现象.在此基础上，根据分析的结果，提出了一种基于GTD模型的频域匹配追踪目标识别新方法（简称MPLRT-GTD），并利用超宽带暗室实测目标模型的散射场数据对提出的目标识别新方法、Li的E脉冲法和最优似然比测试目标识别方法的性能进行了仿真.     

安徽铜陵舒家店铜矿三维音频大地电磁探测研究

利用音频大地电磁法,对安徽省铜陵矿集区舒家店斑岩型铜矿床进行三维探测研究。对经过预处理的实测AMT数据利用相位张量进行维性分析;通过挑选适当的测点和频域数据,设计合理的参数,利用WSINV3DMT程序进行实测AMT数据3D反演,得到舒家店铜矿床的3D电性模型;利用模型响应与实测AMT数据的拟合对比对反演结果进行评价;利用不同深度、不同方向的空间切片讨论3D反演模型的电性结构特征。研究结果表明:该区深部2D/3D构造特征明显;所选反演模型整体精度较高,仅部分局部精度低;深部与代表岩体的高阻体相间共存的低阻体异常极可能是蚀变岩体或直接是矿体的反映。     

混响室漫射场条件下树型线缆网络耦合规律

以典型线缆网络为分析对象,研究其在全向辐射的电磁环境下的响应信号。利用线缆网络BLT方程,结合蒙特卡洛统计方法构造全向辐射的电磁环境仿真模型,得到线缆网络各个节点在该漫射场环境下的时域、频域响应。其结果表明：蒙特卡洛方法建立的全向辐照模型与混响室内电磁环境具有很高的一致性;全向辐照情况下,由于各管道串扰,线缆网络频域响应频点与线缆管道长度无对应关系;线缆分流点的时域响应信号成震荡衰减曲线,接匹配阻抗节点的时域响应信号与入射波形相似。     

黏弹性结构精细化频域动力分析方法

为了解决具有强频率依赖性的黏弹性结构频域响应计算的精确性和效率较难协调的问题,提出一种改进计算方法。首先引入广义麦克斯韦模型表征黏弹性结构的频率依赖性,建立动力学方程;然后,基于实模态叠加法,并采用分步迭代法求解黏弹性结构的特征方程,获得各阶模态频率与模态损耗因子,采用多项式拟合表征各阶模态参数的频率依赖性函数;最后,将多自由度黏弹性结构频域响应的求解简化为多个进行频率依赖性函数修正的单自由度黏弹性结构频域响应的叠加。研究结果表明:本文方法计算效率较高,与传统基于应变能法相比,对强频率依赖性的黏弹性结构具有更高的精确度,与传统迭代法相比,其在非共振区间也具有较高的精确性。     

瞬变电磁勘探中IP效应影响规律研究

在瞬变电磁测量中,由于岩矿体的频散特性,会在结果中带入感应激发极化效应,使瞬变电磁晚期测道的数据发生倒转现象。笔者从Cole-Cole模型入手,深入分析了均匀半空间模型中各参数对瞬变电磁响应的影响,得出了充电率η和频率相关系数c对瞬变电磁响应的影响较大,而直流电阻率ρ0和时间常数τ对其影响较小的结论。对某矿区受激发极化(IP)效应影响的实测数据进行了分析,认为由于受IP效应的影响而造成了电阻率反演结果无法分辨出矿体位置,最终根据TEM数据发生的倒转现象,划定了矿体的位置;经过钻孔验证,吻合较好。在高极化地区应用该数据处理方法,可以有效地提高TEM的探测精度。