以某建设项目路基控制爆破工程为研究背景，为消除路基爆破产生的爆破飞石、振动对邻近玻璃幕墙造成的安全隐患，结合工程特点，对爆破参数及安全防护措施作如下设计：采用多打孔、少装药的方式，钻设孔排距为2.5 m×2.2 m的密集炮孔，选择便于覆盖防护的矩形布孔方式，通过控制单孔装药量及填塞质量，确保爆破能量释放的均匀性；采用掏槽爆破方式，选取两孔一响的导爆管雷管毫秒延期起爆网路，合理设置各孔延期时间，避免段位叠爆现象，减少爆破振动产生的不利影响；在安全防护上，对全炮被覆盖与密目网加压炮被两种安全防护措施进行了优缺点对比，经综合考虑，选用了密目网加压炮被的安全防护措施。工程实践表明，玻璃幕墙安全无损，爆破效果良好。不仅有效地控制了爆破振动、爆破飞石等危害效应，而且与常规炮孔全覆盖防护方式相比，减少了防护工作量、节省了防护成本、降低了防护时破坏网路的概率，其爆破参数及安全技术措施的成功应用在一定程度上可为类似工程提供参考。
路基开挖 控制爆破 参数优化 安全技术 subgrade excavation controlled blasting parameter optimization security technology
1 安徽理工大学 化学工程学院，淮南 232000
2 安徽铜陵海螺水泥有限公司，铜陵 244000
3 核工业南京建设集团有限公司，南京 210000
为研究与炮孔平行的软弱夹层对岩石爆破裂纹扩展的影响，通过钢制模具浇筑长宽高为40 cm×40 cm×36 cm、含不同软弱夹层（泥土和石子、泥土、水）的水泥砂浆试块进行爆破模拟实验。试块浇筑过程中，沿软弱夹层中垂线方向、距炮孔8 cm、12 cm、18 cm处对称预埋6个深度为10cm的径向应变砖，用于超动态应变仪监测试块爆破过程中内部的应变变化；同时，采用高速摄影仪观测试块爆破裂纹扩展过程。对比分析同一试块炮孔两侧（软弱夹层侧和完整侧）和不同试块之间软弱夹层侧的裂纹扩展结果和应变差异，结果表明：同一试块，靠近软弱夹层侧的炮孔裂纹扩展速度比完整侧更快；不同试块之间，随着软弱夹层强度的降低，靠近软弱夹层侧的炮孔裂纹扩展速度越快、裂纹扩展越充分。软弱夹层具有阻止裂纹扩展的效果，软弱夹层强度越低止裂效果越明显；软弱夹层两端生成翼裂纹，且软弱夹层强度越低，翼裂纹扩展速度越快。试块各测点的峰值应变值在0.0178~0.0640之间，对应的峰值应力为49.9~179.2 MPa，且随着距离的增大，应力波衰减速度在一定范围内呈先大后小再由小到大的趋势；软弱夹层强度越低，爆炸应力波衰减越快。
软弱夹层 岩石破碎 裂纹扩展 应变 weak interlayer rock fragmentation crack propagation strain
北京信息科技大学 传感器重点实验室, 北京 100101
谐振式加速度计可以将加速度转换为频率信号, 在导航、姿态控制等加速度计的应用领域, 采集信号需要限定在较短时间内, 为了满足应用的要求, 基于一种单基片集成式石英谐振器, 通过现场可编程门阵列(FPGA)实现了一种针对集成式石英谐振加速度计的倍频电路设计方案, 包括时钟自适应模块和锁相环。时钟自适应模块根据当前输入信号产生锁相环基准时钟并将输入信号进行倍频。离心机加速度测试结果表明, 当测量时间由1 s缩短为0.125 s时, 传感器标度因数为3 173 Hz/g(g=9.8 m/s2), 线性相关系数R2=0.999 32, 与未倍频时相比, 标度因数与线性度基本保持不变, 所设计的倍频电路可应用于石英谐振加速度计的信号处理及数据采集系统中。
加速度计 集成式石英谐振器 倍频电路 现场可编程门阵列(FPGA) 实时性 accelerometer integrated quartz resonator frequency doubling circuit field programmable gate array(FPGA) real time
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐(气体)激光技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈工大(北京)军民融合创新研究院有限公司，北京 101300
3 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074
4 中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009
目标三维姿态信息在目标运动分析、目标识别和目标跟踪等领域的应用越来越广泛。现有的OPDVA算法采用基于距离的K-means算法对点法向量进行分类后确定目标坐标系MCS的正方向，求取目标三维姿态角。针对点法向量分类效果不理想的情况，提出了基于Mean Shift点法向量分类的目标三维姿态估计算法(PEMSPNC)。该算法利用不依赖初始参数设定、基于密度聚类的Mean Shift算法，对密度分布不同的不同平面点法向量分类，寻找密度最大处点法向量做为每类代表法向量确定MCS的正方向，然后计算目标姿态角，并根据目标姿态估计结果计算目标尺寸。采用矩形拟合法、OPDVA和PEMSPNC算法分别对仿真和实测目标距离像进行实验。实验结果表明：采用PEMSPNC算法得到的姿态估计结果误差最小，相比于OPDVA算法，平均误差降低了0.443 4°，且对实测数据有较好的处理结果。
激光雷达 Mean Shift算法 姿态估计 几何尺寸估计 Lidar Mean Shift algorithm pose estimation geometric size estimation 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200109
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074
Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构算法的目标检测率、目标还原度等受预处理影响较大，不适当的预处理会导致目标缺失，信噪比降低。预处理通常使用高斯函数或双高斯函数进行卷积，滤波函数中不合适的方差同样会导致目标复原度变低。针对此问题，分析双高斯函数预处理方差组合对探测概率的影响，同时通过Monte Carlo仿真，分析固定激光能量下，固定帧数、不同背景噪声的最佳方差组合变化。拟合得到不同背景噪声水平下的最佳方差模型。最后使用真实实验进行验证，方差模型求得的最佳方差组合可达到实际90%以上最佳目标还原度。该模型对于实际信号处理具有理论指导作用。
激光成像雷达 双高斯预处理 Gm-APD Gm-APD lidar double Gaussian function preprocessing 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200388
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074
针对目前激光雷达三维距离像分辨率低的问题，使用成本低且有效的图像处理方法获得高分辨三维距离像。首先，利用多传感器系统的特点，将低分辨率Gm-APD激光雷达与高分辨率ICCD激光雷达相结合，获得配准后的低分辨距离像和高分辨强度像，然后，提出了一种改进的图像引导算法实现低分辨图像超分辨重构。该方法使用马尔科夫随机场模型，定义了全局能量函数，该函数将距离保真项和正则化项相结合，通过求解优化模型获得高分辨三维距离像。通过对仿真图像和激光雷达距离像的超分辨重构处理，以主观视觉效果和图像质量客观评价指标来验证此方法。实验结果表明，该方法提高了距离像的分辨率，且很好地保护了图像的边缘结构，在无参考图像质量评价指标上较双三次插值、引导滤波和TGV取得更优值。
超分辨重构 激光雷达 三维距离像 ICCD super-resolution reconstruction lidar three-dimensional range profile ICCD 红外与激光工程
2020, 49(8): 20190511
1 哈尔滨工业大学 可调谐(气体)激光技术重点实验室 光电子技术研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室, 北京 100074
3 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
激光成像雷达能够获取反映目标三维空间位置的点云数据, 可直接估计目标三维姿态角, 是完成特征提取、目标配准等工作的重要参数。实现场景的三维姿态估计, 借鉴基于点法向量的三维姿态估计算法(PDVA), 针对真实场景中表征场景坐标系(SCS)坐标轴的正方向向量偏差较大的问题, 提出了一种优化的三维姿态估计算法(OPDVA)。该方法利用场景点云存在大面积近似平面区域的特点, 通过随机抽样一致算法(RANdom SAmple Consensus, RANSAC)的平面模型对聚类中其他方向的点法向量进行滤除, 得到最优拟合平面对应的法向量即为修正后的SCS坐标轴。利用旋转变换和重采样等技术手段, 分别采用矩形包围盒法、PDVA和OPDVA对3组真实场景距离像进行实验。实验结果表明: OPDVA方法对场景的姿态估计明显优于其他两种方法, 姿态估计误差不超过4°, 对存在遮挡的场景也同样适用。
激光雷达 姿态估计 场景目标 随机抽样一致算法 lidar pose estimation scene target RANSAC 红外与激光工程
2020, 49(1): 0105004
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室, 北京 100074
3 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构常用的峰值法对于异常峰会提取到错误的目标位置, 阈值选取整数会造成重构三维像信噪比不高及目标缺失等。针对此问题, 提出了基于加权一阶类高斯匹配滤波算法, 通过对脉冲回波触发频数直方图的拟合归一化得到权重窗口平滑直方图再次选取峰值位置进行重构。应用基于Poisson分布的Gm-APD触发模型理论推导得到该算法的探测率及虚警率表达式并与峰值法对比, 理论结果为使用基于加权一阶类高斯匹配滤波算法提取到目标的概率更高, 通过Monte Carlo仿真验证了理论推导结果。最后使用两种算法对真实实验数据进行三维重构, 主观及客观对比其重构得到的三维距离像, 基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在复原效果上较峰值法有了明显提升。结果表明, 基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在处理低信噪比、实时三维重构等方面具有良好的实际应用前景。
激光成像雷达 三维重构 Gm-APD Gm-APD Lidar 3D reconstruction 红外与激光工程
2020, 49(2): 0205006
燕山大学机械工程学院, 河北 秦皇岛 066004
由于镁合金耐磨及硬度性能较差,应用激光重熔技术进行表面改性就显得尤为必要,其中激光功率因素所产生的影响十分显著。为了探究激光重熔中功率因素对稀土镁合金的微观组织结构,硬度以及摩擦磨损性能的影响。通过使用3 kW的DILAS半导体激光器对Mg-1.85Y-7.91Zn-0.75Zr(质量分数,%)合金进行不同功率下的激光重熔实验。采用光学显微镜(OM),电子扫描显微镜(SEM),X射线衍射仪(XRD)和能谱仪(EDS)观察所制得试样的组织,形貌,相成分及分布;使用显微硬度计测量维氏硬度;使用摩擦磨损试验机测试样品的摩擦磨损性能,从而得出不同激光功率对组织,性能的影响。研究表明,经过重熔处理的合金宏观凝固组织明显细化,且随着功率升高,晶粒变大,第二相分布愈加弥散。由于细晶强化,固溶强化以及弥散强化的影响导致了硬度和耐磨性提高,其中800,1000,1200,2000 W激光功率作用下重熔细晶区的维氏硬度平均值分别为90.97,93.47,94.20,95.53 HV,而粗晶基材区的维氏硬度平均值仅为63.90 HV,2000 W功率作用下的硬度照比基材提升了49.50%。随着功率的升高,耐磨性越高且逐渐从以黏着磨损为主过渡到以磨粒磨损为主。可见,激光重熔技术可以明显强化该稀土镁合金,激光功率的增大可以显著增加该合金的硬度以及抗摩擦磨损性能。
激光光学 Mg-Zn-Y-Zr合金 硬度 摩擦磨损 耐磨性
