孔径控制范文

孔径控制范文（精选10篇）

孔径控制 第1篇

国外在钢波纹管涵洞领域的应用与研究开展的较早, 但其主要侧重在防腐跟踪分析。我国在解放前也曾在公路工程中使用过波纹管涵洞, 但由于钢材短缺, 建国之后很长一段时期内未能广泛的推广和应用。近年来, 钢波纹钢管涵在公路领域又重新得到重视和应用, 并且其应用前景将愈来愈宽广, 但是关于其受力特征、防腐性能及设计方法和施工控制技术方面的系统研究尚未开展。我国在关于小孔径公路钢波纹管涵洞应用方面已开展了部分研究工作, 并初步研究小孔径波纹管涵洞的受力特征。但是, 在大直径 (3~6m) 钢波管涵洞和通道的稳定性、受力特性方面以及钢波纹管设计、施工控制技术方面的研究尚少。

1 大孔径钢波纹管涵洞的施工技术

1.1 施工方法

钢波纹管涵洞施工方法一般包括路堤法 (直接填筑法) 和反开槽回填法, 由于后者不影响路基施工整体进度且多应用于路基施工结束后 (新建公路) 和改建涵洞 (养护工程) 中, 较为多见。尽管在施工工艺上二者存在差异, 但相差不大, 具体的施工工艺参照文献[2]。

1.2 管涵拼装方法

对大孔径钢波纹管涵洞必须采用拼装式连接技术, 根据钢波纹管的生产、运输、现场适用性和施工操作的难易程度的不同分为整体式拼装和片状拼装, 对不同的拼装方式应设计不同的施工工序和控制关键技术。

1.2.1 整体拼装

整体式拼装主要分为轴向整圆和上下 (或左右) 半圆对接拼装两种 (如图1和图2所示) , 连接处一般采用焊接的法兰对接, 其施工工艺和流程相似。在进行管涵拼接时, 注意以下关键点进行监测控制:

1) 孔径、孔位准确, 孔径不宜太大或太小, 应与所使用的螺栓配套、合适, 上下 (左右) 连接孔应对准, 连接时做到拧紧、无遗漏, 孔数应满足要求;

2) 螺栓强度应满足使用要求, 尤其是螺栓的剪应力, 在进行上下半圆拼装和轴向整圆拼装时, 分别由管涵的最大切向应力和不均匀沉降导致的应力集中控制其剪应力的大小;

3) 密封防水尤其是连接处的防渗处理应特殊对待, 由于水引起的腐蚀问题是造成钢波纹管涵破坏的重要因素之一。

1.2.2 片状拼装

采用片状钢波纹板拼装时, 应专门进行施工工序设计, 合理组织工序, 板件之间应采用搭接, 并用高强度螺栓连接, 不得采用焊接, 板件环向搭接的重叠部分边缘至最外缘螺栓孔距离应大于50mm。另外, 在施工过程中应注意板与板连接处接缝的处理, 必须采用符合规定的密封材料进行防水处理, 以防渗水。

1.3 基础两侧及顶部回填

对涵管基础、两侧及顶部进行土体回填时, 除各项要求要符合文献[7]的规定外, 还要注意:

1) 对管涵地基进行处理时, 应根据不同的地基形式及地形条件预留预拱度 (如图3所示) , 尤其是在天然软土地基及山区高填方路段, 由于预拱度设置不足造成涵管中部的沉陷问题尤为严重;

2) 涵管两侧楔形部位的回填压实很重要, 当对该部位进行振捣密实施工难度大 (如高原高寒地带) 或采用连续多孔波纹管涵洞时, 可考虑采用混凝土浇筑进行加固;

3) 回填至涵管顶部时, 应注意施工过程中最小覆土厚度范围内的压实方法, 严禁强夯及重压;

4) 涵洞端部存在挡墙构造时, 宜从管涵两端向中心进行回填;涵洞端部不存在挡墙构造时, 宜从管涵中心向两端进行回填。

1.4 截面变形测量

钢波纹管涵在拼装以及回填过程中均会造成管涵的截面变形, 截面变形量要符合两点要求:

1) 组装完毕后截面变形大小不超过设计的±1%;

2) 填土结束后的结构变形与填土开始时相比最大不超过±2%。

在施工过程中, 如截面变形量过大或超过上述变形范围时, 应立即停止施工并查明变形原因, 采取有效补救措施将变形量控制在标准范围内。

1.5 防腐控制及处理

我国钢波纹管在出厂时一般已经过热镀锌处理, 在钢波纹管或板在运输、装卸过程中, 应采取一定的防碰撞保护措施, 例如, 加固绑扎、设置缓冲物等, 防止发生损坏和擦碰, 装卸时应采用机械与人工配合操作, 待现场管涵安装施工完毕后应在管内外再涂刷两遍防腐沥青, 厚度一般达到0.3~0.5mm, 以加强防腐处理。在现场施工过程中发现防腐处理不达标或存在缺陷应采取有效的补救措施。

1.6 质量检验

钢波纹涵出厂时, 必须附有产品质量合格证书, 拼装波纹板涵洞在出厂前应进行必要的预拼装, 钢波纹涵洞成品允许偏差见表1, 钢波纹管涵洞施工实测项目见表2。

2 结束语

通过对多项应用实例的综合考察分析, 钢波纹涵洞还具有造价经济合理、结构适应性强、施工便利的优势, 具有较强的推广应用价值。

摘要：钢波纹管涵洞是采用波纹状圆管或波纹状弧形板通过连接或拼装形成的一种新型涵洞形式。由于轴向波纹的存在使其具有更加优良的受力特征, 可以适应基础变形导致的涵洞破坏问题。文中结合工程项目的施工实践, 总结大孔径钢波纹管涵洞的施工控制技术, 包括整体拼装、片状拼装以及基础、两侧材料的回填和压实, 施工过程中的防腐处理等, 可供工程设计和施工参考。

关键词：大孔径,钢波纹涵洞,施工控制技术

参考文献

[1]陈昌伟.波形钢板结构及其在公路工程中的应用[J].公路, 2000 (7) :48-54.

[2]李祝龙.公路钢波纹管涵洞设计与施工技术研究[D].西安:长安大学, 2006.

[3]李祝龙, 刘百来, 李自武.钢波纹管涵洞力学性能现场试验研究[J].公路交通科技, 2006, 23 (3) :79-82.

[4]李祝龙.公路钢波纹管涵洞设计与施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[5]李祝龙, 章金钊.高原多年冻土地区波纹管涵应用技术研究[J].公路, 2000 (2) :28-31.

[6]赵卫国, 李祝龙, 李创军.公路钢波纹管涵洞的研究与应用展望[J].公路交通科技:应用技术版, 2007 (8) :46-50.

[7]JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社, 2011.

环形稀疏孔径结构的研究 第2篇

关键词：环形稀疏孔径； 调制传递函数； 模拟成像； 图像增强

中图分类号： O 438.2 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.010

Abstract：The sparse aperture structure of annulus is introduced， and its fill factor is analyzed. The modulation transfer function （MTF） is derived， and the three-dimensional modulation transfer function is simulated by MATLAB software. An example of annulus sparse aperture is designed by Zemax software， from which the MTF is obtained， the result agrees well with the theoretical analysis. The MTF simulated by Zemax software is consistent with that of the theoretical results. A resolution plate is used as the target object to simulate imaging of the annulus sparse aperture system under different fill factors. The fractional differential operator is used to enhance the images to improve the contrast decline of annulus sparse aperture， and the result is shown that the image quality is improved obviously.

Keywords：annulus sparse aperture； modulation transfer function（MTF）； simulated imaging； image enhancement

引 言

光学系统的空间分辨率随着口径的增大而提高，然而伴随而来的是光学系统重量与成本的增加，稀疏孔径的提出有效解决了这一系列难题。稀疏孔径光学系统是用空间分布的、互相干的多个孔径合成一个大孔径光学系统，可以通过各个子孔径独立加工、分批运输、重新组合以及整体调试，最终合成大口径的光学系统，达到与通光口径相当的大口径系统的衍射极限的分辨率[1-3]。稀疏孔径有环面、三臂以及Golay等结构[4]。本文介绍环形稀疏孔径结构，推导其调制传递函数，利用MATLAB软件以及Zemax软件分别模拟其三维调制传递函数。以分辨率板为目标物进行模拟成像，在稀疏孔径光学系统成像过程中有一部分频率信息丢失，使得图像质量下降，针对这种情况，利用分数阶微分算子进行图像增强[5-6]。

1 环形稀疏孔径

1.1 环形稀疏孔径结构

环形稀疏孔径的通光孔径是由一系列排布在圆周上的圆形子孔径即子镜构成，通过改变子孔径大小、数量以及包围口径，可以得到不同的调制传递函数，本文研究不同子镜口径的环形稀疏孔径系统。根据子孔径排列方式不同，环形稀疏孔径有两种结构形式，分别为非相切式结构和相切式结构，如图1所示。

1.2 环形稀疏孔径填充因子

稀疏孔径填充因子是指稀疏孔径结构中子孔径的总面积占整个光瞳面积的百分比，是表征稀疏孔径子孔径阵列稀疏程度的指标[7]。两种环形稀疏孔径由于排列方式不同，其填充因子的表达方式也不同。非相切结构的填充因子表示为

由式（7）可知，环形稀疏孔径光学系统的调制传递函数由子孔径调制传递函数组成，而子调制传递函数在频域内的径向位置由子孔径之间的相对位置决定，且子调制传递函数在频域内放置的方向由子孔径之间的相对方位决定，因而环形调制传递函数分布具有方向性。图2是调制传递函数与填充因子的关系图，横坐标是填充因子F，纵坐标是调制传递函数最大值。结果显示了随着填充因子的增大，MTF的最大值也随之增大，本文选择F分别为16.7% 、42.67%以及66.7%的情况对MTF作详细研究。

2 环形稀疏孔径成像研究

2.1 环形稀疏孔径MTF

本文所用的系统参数如表1所示。

系统取不同的填充因子时，得到的调制传递函数如图3所示。根据图像可以看出，填充因子为66.7%时中央零频处的调制传递函数与子调制传递函数重叠，随着填充因子F减小，子调制传递函数与中央零频处的调制传递函数越来越分离，说明随着填充因子的下降存在着中高频频率信息的丢失，使得成像质量下降。

利用Zemax光学设计软件设计环形稀疏孔径实例，取工作波长550 nm，包围口径的直径为30 mm，则理论截止频率[11]为45.45 lp/mm，三维MTF图以及MTF曲线函数图，如图4和图5所示。

分析比较图3和图4，在填充因子相同下，环形稀疏孔径三维MTF变化趋势几乎是一致的，说明实例与理论结果相符合。理论公式算出截止频率为45.45 lp/mm，从图5可以清晰地看出随着填充因子的改变，环形稀疏孔径的空间截止频率均接近45.45 lp/m。

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2.2 模拟成像

以标准分辨率板为目标物，改变填充因子的大小，得到分辨率板的像如图6所示。

2.3 图像增强

针对环形稀疏孔径成像对比度下降的情况，采用如图7分数阶微分算子[12]对模拟图像进行图像增强，其中v为可调阶数，当v=0.2时，得到的结果如图8所示。

图像经过增强后，水平方向可分辨到56 lp/mm、45 lp/mm、25 lp/mm，比增强前分别提高了40.0%、40.6%、38.9%。说明分数阶微分算子能够提高稀疏孔径所成像的清晰度。

式中，fij和f′ij分别表示原始图像和被测图像，M×N表示图像的矩阵大小。Std值越小，说明被测图像越接近原始图像。通过计算，得到在不同填充因子下的Std，如表2所示。

由表2可以看出，填充因子值越小，成像图像的Std越大，即成像质量越差。在相同填充因子下，图像增强后的Std减小，说明成像质量得到提高。根据标准差提高比例可以得出结论，填充因子越大，图像增强效果越明显。

3 结 论

分析了环形稀疏孔径的结构并推导其调制传递函数，运用MATLAB软件模拟其调制传递函数。运用Zemax软件设计环形稀疏孔径光学系统，给出相应的三维MTF，并与MATLAB软件模拟结果进行对比。结果表明两者的调制传递函数MTF相吻合。在不同填充因子下分析调制传递函数分布，得出结论：环形稀疏孔径系统调制传递函数由子调制传递函数决定；随着填充因子的下降，环形稀疏孔径中央零频处MTF与子孔径MTF重叠程度减小，包含的有效信息下降，使得成像质量变差；针对图像对比度下降的情况，利用分数阶微分算子对图像进行增强，模拟图像经图像增强后成像质量有所提高。

研究环形稀疏孔径对于研究Y臂、Golay等结构有指导作用，加深对不同结构稀疏孔径的理解与认识，有利于在环面等基本结构的基础上提出新型稀疏孔径结构，为研制高分辨率的光学遥感器提供参考。

参考文献：

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[2] MEINEL A B，MEINEL M P.Large sparse-aperture space optical systems[J].Optical Engineering，2002，41（8）：1983-1994.

[3] CHUNG S J，MILLER D W，DE WECK O L.ARGOS testbed：study of multidisciplinary challenges of future spaceborne interferometric arrays[J].Optical Engineering，2004，43（9）：2156-2157.

[4] FIENUP J R.MTF and integration time versus fill factor for sparse-aperture imaging systems[J].SPIE，2000，4091：43-47.

[5] 沈婷婷，王福亮，吴泉英，等.Golay6结构复杂光瞳成像研究[J].光学与光电技术，2011，9（4）：81-82.

[6] 柳军，姜慧，王军，等.环面形稀疏孔径的研究[J].激光与光电子学进展，2012，49（11）：103-107.

[7] 吴泉英，钱霖，沈为民.稀疏孔径系统的成像和图像复原[J].激光杂志，2005，26（6）：40-42.

[8] 章慧贤.光学传递函数的发展及其应用[J].光学仪器，1996，18（4）：28-31.

[9] 王大勇，伏西洋，郭红锋，等.光学稀疏孔径系统的成像及其图像复原[J].光子学报，2005，34（10）：1557-1560.

[10] 钱霖，吴泉英，吴锋，等.复合三子镜的成像研究[J].光学学报，2005，25（8）：1030-1035.

[11] 苏显渝，李继陶.信息光学[M].北京：科学出版社，1999：57-78.

[12] 杨柱中，周激流，晏祥玉，等.基于分数阶微分的图像增强[J].计算机辅助设计与图形学学报，2008，20（3）：344-347.

[13] 王大勇，韩骥，刘汉承，等.光学稀疏孔径系统的成像及其评价方法[J].光子学报，2008，37（6）：1208-1212.

（编辑：程爱婕）

孔径控制 第3篇

通常河道上建造的防洪节制闸工程一般设计成多孔节制闸, 存在对船舶通航不利影响, 为解决京杭运河防洪与通航问题, 研制了新型大孔径浮箱钢闸门。该闸门平面尺寸为64米10米 (长宽) , 浮箱钢闸门总高度8.5米, 下部为浮箱高度4.2米, 上部为10孔卧倒式平面钢闸门。浮箱内共设有4个水舱, 通过充排水系统控制水舱水位, 从而达到控制浮箱钢闸门沉浮并安全运行的目的。

新型浮箱式钢闸门与以往的浮箱门相比有其不同的特点:首先结构形式上, 传统浮箱门均为箱形结构, 新型浮箱式钢闸门下部为浮箱, 浮箱上部的甲板上设置下卧式平板卧倒门;其次是运行条件, 新型浮箱式钢闸门突破了静水中使用的限制, 要在动水中进行沉浮。

2、系统功能

2.1 运行数据测量与处理

(1) 上下游水位测量。 (2) 4个水舱水位监测。 (3) 浮箱体平衡监测。 (4) 10孔钢闸门开度测量。 (5) 11点地基扬压力的监视。

2.2 浮箱式钢闸门下沉控制

充水设备采用直径300毫米的电动闸阀, 电动闸阀的控制只需全开或全关, 并为直接启动方式。由于工程具有水、陆分离的特点, 为减少水、陆连接的进出线路数量, 在中央控制室控制台内设置一套PLC控制器, 负责采集和处理电动闸阀的各种操作信号, 实现对电动闸阀的自动控制;在浮箱钢闸门的机舱内设置一套PLC控制器, 实现机舱内的现地控制。中心计算机通过光纤网络与可编程控制器联接, 自动完成冲水全过程。

2.3 浮箱式钢闸门上浮控制

排水设备采用的是口径200毫米的立式排污泵。水泵开机采用软启动方式, 软启动器经RS-485总线将信号送入中心计算机。PLC完成对对水泵运行的有关信号进行检测, 自动完成排水控制全过程。

2.4 卧倒门的启闭控制

完成对10孔卧倒式液压平面钢闸门的开启或关闭自动控制。

2.5 故障报警

运行中分析船体的平衡和电气运行是否缺相、过热等工况, 当出现故障时, 计算机自动保护动作并发出闪烁和声响报警。

2.6 日志报表及打印

采用SQL Server关系型数据库创建工程运行数据库 (存贮容量不少于12个月) , 建立电子文档、在线帮助, 供存档、查阅、统计、维护等, 并生成各种报表 (包括日报、月报、年报、实时报等) , 按需要选择打印报表。

2.7 视频监控

室外监视选用球形一体化彩色摄像机二套。室内彩色定焦摄像机四套, 二套监视舱体工情, 二套监视水舱水位。

3、系统设计原理

系统采用PLC、计算机、网络、传感器、数据库、多媒体等技术实现实时信息自动采集、传输、处理入库、动态监测监控、远程数据传输等功能, 并为上级防汛指挥系统提供实时信息。

3.1 设计原则要求

(1) 可靠性:系统应可靠性高、抗干扰能力强, 实时性好, 人机接口功能强, 维护使用方便;

(2) 先进性:系统应具有技术适当超前的先进性, 充分利用自动化领域的先进技术和设备配置;

(3) 冗余性:系统采用微机控制与现场手动控制方式相结合, 微机控制与现场控制相互闭锁, 以现场控制为主。

3.2 设计原理

本工程自动控制系统主要由控制中心、充排水控制系统二套 (机舱充排水PLC、控制室充排水PLC) 、液压控制系统二套 (机舱液压PLC、控制室液压PLC) 、电量测量系统一套、水位测量系统、超声物位仪、视频监控等组成。

4、主要设备选型及关键技术

4.1 控制中心

控制中心重要由控制主机、服务器、打印机、UPS、工业交换机、中心控制屏及防雷接地系统组成。UPS选用容量3KVA, 三级防雷设计, 中心接地电阻<4。

4.2 可编程控制器PLC

为减少控制中心与船体联接线数量, 控制中心和机舱各采用一套PLC。船体上的设备测量与控制由机舱内PLC完成, 陆地配套设施的测量与控制由控制中心PLC完成, 控制主机统一协调运行功能。

4.3 水舱水位计

浮箱体有四个封闭的水舱, 通过对四个水舱充排水控制浮箱船体平衡沉浮。采用投入式压力水位计, 量程10m、精度2‰。

4.4 物位仪选型

本系统采用超声物位仪实测浮箱钢闸门的平衡度。超声波物位仪以其非接触方式、抗腐蚀、无毒害、免维护等优点得到越来越广泛的应用, 本工程选用10米量程程物位仪。超声波换能器安装位置与船体之间不能有遮挡, 与岸壁留有足够距离 (>15°夹角) ;

4.5 闸门开度仪

系统采用与液压启闭系统配套使用磁致伸缩位移传感器测量闸门启闭高度。磁致伸缩传感器具有非接触式测量、精度高、重复性好、稳定可靠等特点。

5、沉浮稳定性控制与关键技术

5.1 浮箱体稳定性分析

浮箱体在沉浮过程中靠充、排浮箱内的水来控制其沉浮。当浮箱体的甲板位于水面以下时既不是单纯的浮体, 也不是单纯的潜体。另外当浮箱内有水且未装满时, 箱内水体的自由液面会影响浮体闸的稳定性, 因为当浮箱体倾斜时, 浮箱内的水体将流向一侧, 从而降低浮箱体的稳定性。浮箱体在动水中沉浮时, 随着吃水深度的变化, 水流运动由单一的闸底孔流, 转变为甲板上的堰流与底孔流的复合流动, 与静水沉浮过程相比, 浮箱体受到的浮力分为两部分:静浮力和动浮力F。其中静浮力与静水中的浮力一致, 动浮力是由于水流的运动对浮箱体产生的力。另外, 动水中沉浮的浮箱体还受上、下游水压力, 下游门槽作用力、摩阻力, 门底剪切力等外力的作用。

5.2 稳定性控制

浮箱体沉浮稳定性控制是在监测冲水舱水位、浮箱体平衡性、充水阀状态、上下游水位及电气工况的条件下, 使浮箱体闸稳定沉浮。浮箱体下沉自动控制系统框图如下:

其中:W、W2为目标值;C1、C2为实测反馈值;D为控制定值;G1、G2、G3为过程控制

5.3 浮箱体钢闸门关闭控制

(1) 完成通电、通讯、安全检查等一切必须的准备工作。

(2) 浮箱体钢闸门牵引到下沉位置

(3) 闸门充水下沉前上部卧倒门全部处于卧倒状态。

(4) 两侧同时对称开启充水闸阀 (每舱各开一台) 到设定的全开位置。门体下沉时实测水舱水位, 同时, 通过摄像监视水舱连通管水位尺监测舱内水位情况。

(5) 当闸门各水舱达到一定水深 (此时闸门甲板在水面以上约30厘米) 时, 关闭电动闸阀到全关位置。确认各水舱水位基本持平 (各水舱水位差小于5厘米) 。

(6) 继续充水下沉。继续下沉后应采用自动或手动方式控制充水阀或开启排水泵以使各水舱水位差不大于5厘米, 直至闸门下沉到位

(7) 在下沉过程中, 超声波物位仪应实时监测闸门下沉位置及平衡。当超声波物位仪监测到闸门同一端上下游甲板的高差达到3厘米、闸门南北端甲板的高差达到10厘米时, 应改为手动控制, 控制水舱的水位差不大于5厘米。

(8) 闸门下沉到位后, 进一步给各水舱补充水深, 以作平衡压舱, 最后关闭电动闸阀到全关位置。

(9) 卧倒门升起控制。

液压油泵启动, 检查过流的各个闸孔工作平面内滞留漂浮物。卧倒门升起) 过程中两油缸吊耳的不同步误差应小于5毫米, 卧倒门从两侧向中间两扇对称同时升起。

5.4 浮箱体钢闸门开启控制

(1) 卧倒门下卧控制。液压油泵启动, 检查过流的各个闸孔工作平面内滞留漂浮物。卧倒门下卧时两油缸吊耳的不同步误差应小于5毫米, 卧倒门由中间向两侧对称进行两扇同时下卧。

(2) 卧倒门全部卧到后才能进行浮箱上浮程序。

(3) 闸门上浮时南北两侧须同时对称开启排水泵 (每舱各开一台) 。门体上浮时实测水舱水位, 同时, 通过摄像监视水舱连通管水位尺监测舱内水位情况。

(4) 当闸门各水舱达到一定水深 (闸门甲板在水面以下约30厘米高) 时, 关闭排水泵。确认各水舱水位基本持平 (上下游水舱水位差小于5厘米) 后

(5) 继续充水上浮时采用自动或手动方式控制上下游水舱水位差小于10厘米。

(6) 当水舱内水深没有达到上浮稳定要求时, 水泵不宜中途停机;

(7) 当水舱内水深低于设计上浮水位时, 自动关闭水泵;

(8) 浮箱体钢闸门牵引归位。

6、基于i Fix控制系统开发

6.1 iFIX软件功能

iFIX软件是美国Intellution公司推出的完全集成组件对象的自动化软件, 是基于开放式、集成和组件化结构的技术, 提供对第三方应用程序的无缝集成, 可实现真正的分布式客户/服务器网络体系。

i FIX软件是以SCADA (supervisory control and data acquisition) 组件为核心。SCADA的基本功能是数据采集和数据管理, 。HMI (human/machine interface) 是iFIX软件的另一个重要组件, 它具有强大的图形编辑功能。利用SCADA和HMI组件, 可方便实现过程监控、报警、数据采集、报表等功能。

HMI (human/machine interface) 是iFIX软件的另一个重要组件, 它具有强大的图形编辑功能。它以直观的界面把所有的系统组件都集成在一个单独的开发环境 (IDE) 中, 具有Microsof Explorer界面风格。无论是开发程序、安全组态、数据库访问, 都可以在Intellution Workspace中完成, 甚至直接嵌入OLE应用程序。

利用SCADA和HMI组件, 可方便实现过程监控、报警、数据采集、报表等功能。

6.2 iFIX软件在本系统中的应用

在浮箱体钢闸门自动控制系统中, 分为二级。一级为上位机系统, 即控制中心计算机和服务器。一级为下位机系统, 即现场测控PLC和仪表, 用来完成系统数据采集、监控、计量等功能。现地测控PLC与中控室SCADA上位机系统采用网络联接, 实现数据及音视频信号传输, 利用iFIX应用组态软件实现对浮箱体钢闸门的监控。

软件组态开发过程:根据PLC选型配置所需要的I/O驱动程序;完成网络配置、数据库配置、SCADA配置、报警配置等;根据浮箱钢闸门控制流程生成监控画面;建立设备图形与过程数据库之间的动态连接, 实现实时监控和报警功能。

7、结语

新型浮箱钢闸门突破了在动水中使用的限制, 其在沉浮过程中安全稳定性控制最重要。浮箱钢闸门在沉浮过程中, 当甲板出入水面时稳定性最差, 浮箱内水体沉浮稳定性的影响较大, 因此, 自动控制系统的可靠性、准确性、安全性至关重要。要严格按照浮箱钢闸门模型试验稳定性分析要求, 结合计算机、网络通信和自动化等技术, 实现浮箱体钢闸门的自动化控制, 同时, 在工程运行过程中不断摸索和完善系统的安全控制参数, 进一步改进系统的稳定性和安全性。

摘要：本文针对新型浮箱钢闸门在动水中安全沉浮的自动控制系统的研究与应用, 提出了自动控制系统的主要功能和设计原理, 说明了主要设备组成和选型, 分析了浮箱钢闸门的稳定性控制, 提出来浮箱钢闸门的沉浮自动控制过程, 并对上位机iFix软件的组态应用进行了阐述,

关键词：浮箱钢闸门,自动控制,稳定性

参考文献

[1]傅宗甫, 严忠民.新型浮体闸的稳定性分析[J].水利学报, 2005.

孔径控制 第4篇

荷兰综合孔径射电望远镜（WSRT）

荷兰的射电天文学起步比较早，在第二次世界大战结束以后，利用德国人的军用雷达就建造了第一台射电望远镜。在赖尔发明综合孔径射电望远镜后不久，1966年就开始建造Westerbork综合孔径射电望远镜，简称WSRT。1970年7月建成启用。接收面积比剑桥综合孔径望远镜要大，灵敏度要高出6.5倍，成为当时灵敏度最高的综合孔径射电望远镜。后来美国的甚大阵（VLA）问世后，WSRT才退居次位。当然，1970年建成时的规模和功能都不如现在。在1975～1980年期间，进行了大规模的改进才变成今天的样子。

WSRT由14面直径为25米抛物面天线组成，东西向排列在2700千米的基线上。这些天线都可以在观测室进行操纵，令其指向天空中任一方向。 十面天线固定，4面天线可以在铁轨上移动。前置放大系统安置在每个天线的焦点处，采用液态氦制冷，温度为15K，即摄氏零下258 度。14面天线接收到的天体信号经前置放大后用同轴电缆输送到观测控制室。观测控制室有很好的视野，很容易监视天线的运转情况。

中频放大系统的频带宽度可达160MHz。观测频率范围从250MHz到8700MHz, 8个分离的馈源系统覆盖这个频率范围。可以在1分钟内很快地将14面天线的馈源进行更换。 可以用单一波段进行观测，也可以2或3个波段同时观测。根据综合孔径射电望远镜的原理，把10面天线放置在铁轨上，目的为了进行不同间距情况的多次观测。每观测12小时后，移动天线放到预先计算好的位置上再观测12小时，尔后再移动位置，直到获得所需要的各种不同的天线间距的测量。计算机处理资料后便得到一幅观测天区的射电图。

综合孔径射电望远镜的最大优点是成像观测，但是对有些射电点源，如直径才20千米的脉冲星，则不可能成像，只能对它们的信号进行周期分析。因此对脉冲星的观测只追求灵敏度和时间分辨率。荷兰WSRT的14面25米直径的天线总接收面积相当于一面直径93米的大天线，仅次于德国埃费尔斯贝格和美国格林班克的100米直径的射电望远镜天线。把14面天线接收到的天体信息采用同相相加的方法就可以把它们当作一面大天线来使用，成为观测脉冲星的强有力的观测设备。还可以对射电源进行偏振观测。利用互相关方法进行谱线观测。荷兰综合孔径射电望远镜还可以与欧洲的射电望远镜组合起来形成分辨率和灵敏度更高的射电望远镜。

WSRT能进行的观测研究课题非常丰富，涉及射电天文学的各个方面，包括巡天发现新射电源，对已发现的遥远的星系、致密天体脉冲星、中性氢和电离氢云等进行详细的观测研究。

澳大利亚综合孔径射电望远镜（ATCA）

早期的澳大利亚射电天文学处于国际先锋的角色，但是到了20世纪80年代，综合孔径和VLBI（甚长基线干涉测量技术）蓬勃发展，单天线已经不能独霸天下了。澳大利亚的射电天文观测设备开始落后了。再次崛起要靠研制更先进的射电望远镜。1983年联邦政府拨款研制澳大利亚望远镜，即澳综合孔径射电望远镜，作为庆祝澳大利亚建国200周年献礼项目之一。1984年开始兴建，1988年如期完成并投入使用。全名为Australia Telescope Compact Array，简称ATCA。总共耗资5千万澳元。

Narrabri射电天文台的ATCA，由6面直径22米的天线组成，东西向一字排开，基线全长6千米。相当于一面直径为6千米天线的射电望远镜的分辨率。6面天线中，一面天线固定，其它5面放置在铁轨上，可以按照要求移动到预定的位置上，以取得不同的天线间距情况下的观测数据。要获得一张优质的射电源图像需要观测3～4次，每次12小时。

天线获得的天体信息由光纤送到主控制室的接收系统，由特殊的计算机构成的相关器来处理这些数据。每个天线配备4根光纤，共24根光纤，总长160千米。光纤所传输的天体信息就像暴风雨般，以每秒2.5百亿比特的速度传输数据。光纤还兼有发出控制天线和接收机信息、以及进行实时观测的功能。

22米直径的单天线具有比较大的视场，有利于获得或拼接大天区范围的射电源分布图。工作频率在1.4～10GHz之间的4个频段上。天线表面的中间部分加工精度最高，可以工作到115GHz上，也就是短毫米波段，可以获得世界上最好的射电源短毫米波上的图像。

现今的大型综合孔径射电望远镜都在北半球，ATCA是南半球灵敏度和分辨率最高的综合孔径射电望远镜。虽然它的功能不及美国的VLA，但是它能观测VLA观测不到的高南纬的射电源，成为国际上最重要的综合孔径射电望远镜之一。大小麦哲伦云是离银河系最近的两个星系。天文学家期望能详尽的研究它们。由于这两个星系处在南天，成为澳大利亚望远镜观测最好的目标之一。

合成孔径聚焦成像算法研究 第5篇

合成孔径聚焦技术 (SAFT) 是20世纪70年代发展起来的一种技术, 与传统的超声成像方法相比, 合成孔径聚焦成像可以通过低的工作频率和较小的换能器孔径获得较好的分辨率[1]。合成孔径成像之所以能在超声成像领域获得广泛应用在于其两大优势[2]:第一, 合成孔径大大提高了聚焦区域的横向分辨率;第二, 能够在聚焦区域产生动态聚焦效果。本文首先介绍了合成孔径聚焦技术的基本原理, 随后就几种常用的聚焦算法展开了分析。

1SAFT原理

换能器沿确定轨迹运动, 在其运动轨迹上若干位置向成像区域发射超声脉冲, 合成孔径成像就是把换能器阵列分为若干发射单元或接收单元。在发射信号期间, 各发射单元以此作为点元发射, 发射声束照射目标;在接收信号期间, 各接收单元依次接收来自物体各点的信号并加以存储, 根据成像点的空间位置, 对接收信号加以适当延时, 得到目标的逐点聚焦声像[3]。

超声换能器发射波束往往具有一定的扩散角, 其半功率波束扩散角为[4]:

$\beta \approx 0.84\lambda /D(1)$

式中:D为换能器的直径;λ为超声波工作波长。

由式 (1) 知, 要提高横向分辨力, 即减小扩散角β, 可选用大孔径换能器或提高工作频率来实现, 但大孔径换能器的制作太复杂, 检测不方便;增加换能器孔径不现实, 因材料的限制, 提高工作频率也很困难。引入SAFT, 可用单组换能器在检测线上逐点移动, 逐次发射和接收信号后合成处理得到图像, 相当于用一大孔径换能器进行探测, 提高了探测分辨力。

图1为合成孔径原理示意图。设有一个圆形换能器的直径为D, 让其按图所示的扫查方向移动, 其目标物体内一个反射点P (x${}_i^{}$, yi) 到扫查线的垂直距离为R, 当换能器在位置A时, 点P开始进入换能器照射区域;当到达位置O时, 点P到换能器的距离最近为R;而换能器移至位置B时, 点P基本脱离照射区域。换能器在A和B外时, 换能器照射不到点P, 无法接收到反射回波。所以, 通过小孔径换能器能够合成的最大孔径长度为0.84λ/D, 点P可通过A-B间检测到的M个孔径信号进行重建。

缺陷点P到换能器的距离rm为:

$r{}_m=\sqrt{R{}^2+d{}_m^2},m=1,2,\cdots ,{\rm M}(2)$

式中:R为缺陷点P对换能器阵列的垂直距离;dm为孔径m到点P的横向垂直距离。

由图1下半部分可以看出, rm随着dm呈抛物线变化, 点P在各孔径检测信号中的反射回波相位不同, 只要沿曲线把各个孔径上点P的反射回波叠加求和并平均, 反射点P就会凸显出来, 从而实现点P的聚焦。

假设在对点P重建时, 对于第m个采样信号中, 点P回波到达时刻表示为:

$t{}_m=2r{}_m/c=2\sqrt{R{}^2+d{}_m^2}/c(3)$

式中:c为声波在被测物体中传播的平均声速。点P就可通过下式进行聚焦:

$R(x{}_i,y{}_i)={\displaystyle \sum _{m=1}^{{\rm M}}R}(d{}_m,t{}_m)/{\rm M}(4)$

式中:R (dm, tm) 为第m个孔径信号中来自点P的回波;R (xi, yi) 为点P的重建叠加信号。

以上是合成孔径成像的基本原理, 根据该原理改变相应参数, 可获得任意位置的重建叠加信号, 进而实现成像。

2合成孔径聚焦成像算法

2.1 波包原子分解算法

由于超声波在混凝土中传播衰减大, 随着频率增加呈指数下降, 所以超声频率一般选在100～500 kHz内, 这使图像纵向分辨力受限。波包分解法可有效去除噪声, 且在图像重建时, 不需对信号逐点运算, 只对提取的波包位置点进行调整, 既减少了计算量, 又提高了SAFT的成像速度。

波包原子分解法是将反射波包从探测信号中提取出来, 进行距离校正并重建检测信号, 实现合成孔径。采用波包分解法分析检测信号的基本思想是采用输入波包作为描述检测信号的基本单元, 不同位置和尺度上输入波包的组合可构成一种对检测信号的逼近[5]。该算法流程如图2所示。

若输入信号是一个母波包, 被测信号可看作是不同时延、不同大小波包的组合[4]:

$x(t)={\displaystyle \sum _{i=1}^{S}a}{}_{i}h{}_i(t)+e(t)(5)$

式中:e (t) 为逼近误差;hi (t) 为基波包, 又称时频原子;ai为相应波包幅值的系数;S为波包分解个数。

通过该模型可实现对信号x (t) 的近似表示。因此, 若选定一个波形作为检测时的输入信号, 在波包分解后各单元分别相当于经不同途径传播到达波包的组合。对于不同时刻到达的波包, 当前后衔接或有重叠时, 利用模型分解的方法可望将其分开, 同时还可将幅值小的干扰噪声信号去除。

传统合成孔径调制波频率低, 波包时宽大, 会产生波包变形, 使局部能量不集中, 再加上噪声干扰, 聚焦效果不佳。波包分解法只需将分解出的波包用一个点位置就能表示, 合成孔径时相当于用整个波包去完成, 克服了波包变形的问题;且波包分解是选择性分解, 提高了信噪比, 聚焦更明显, 这有效提高了图像的纵向分辨力。

2.2 匹配滤波算法

合成孔径技术突破了传统超声成像系统方位分辨率的经典概念, 使其性能的改进有了更有效的技术手段[6], 重要表现之一就是对回波信号进行滤波处理, 提高了成像系统的方位分辨率。

如图3所示, 超声换能器沿x轴方向移动, 点目标P位于x-R平面内。R为P点到换能器移动轨迹的垂直距离, X是沿x轴的坐标。当换能器晶片沿x方向移动时, 晶片到P点的距离r也随之改变, 即:

$r(x)=\sqrt{R{}^2+(x-X){}^2}(6)$

式中:x是换能器的坐标。考虑R≫|x-X|的情况, 式 (6) 可近似为:

$r(x)=R\left[1+\frac{(x-X){}^2}{2R{}^2}\right](7)$

设超声换能器在x时发射连续信号:

$st(x,t)=A\text{e}{}^{\text{j}\omega {}_{c}t}(8)$

式中:A为信号幅度;ωc是信号载频。该信号被点目标P散射, 换能器收到的回波信号为[7]:

$s(x,t)={\rm K}{}_{\text{s}}A\text{e}{}^{\text{j}\omega {}_{\text{c}}t}\cdot \text{e}{}^{-\text{j}\frac{4\text{π}}{\lambda }R}\cdot \text{e}{}^{-\text{j}\frac{2\text{π}}{\lambda R}(x-X){}^2}(9)$

式中:Ks为P点的散射系数。实际上, 换能器沿x轴移动, 是在间隔为Δx的位置上发射声脉冲, 用nΔx来代替式 (9) 中的x-X, 只保留平方相位项, 可改写为:

$s{}_{\text{r}}(n)={\rm K}{}_{\text{s}}A\text{e}{}^{-\text{j}\frac{2\text{π}}{\lambda R}(n\text{Δ}x){}^2}(10)$

其中, 指数项瞬时频率作线性变化, 这就是多普勒频移。对上式回波信号的处理, 是合成孔径聚焦超声成像的核心问题。为了提高方位分辨率, 必须对该多普勒信号进行压缩 (也称方位向波束锐化) 。

在各种可能的波束锐化方法中, 匹配滤波器是效果较好又较简单的方法。理由是:第一, 线性调频信号的自相关函数具有窄脉冲性质, 这就保证了当它通过匹配滤波器后持续时间能够压缩, 因为匹配滤波器能校正信号频谱各分量的相移, 使它们在某一时刻实现同相叠加, 形成信号尖峰;第二, 匹配滤波器是在高斯噪声中检测信号的最佳滤波器, 当信号通过它时能输出最大的信噪比。获得大的信噪比对超声成像很重要, 匹配滤波器对信号的处理可以在时域做卷积运算, 也可变换到频域作乘法运算, 两者通过傅里叶变化联系在一起。常用方法是时域相关处理, 因为实际系统中匹配滤波器的冲击响应长度很短, 做傅里叶变换时需要大量补零而失去频域运算的有效性。

合成孔径超声成像的回波信号由式 (10) 表征, 与此对应的匹配滤波器的冲激响应为:

$h(n)=\text{e}{}^{\text{j}\frac{2\text{π}}{\lambda R}(n\text{Δ}x){}^2}(11)$

方位向波束锐化应完成的时域相关运算为:

$s{}_0(n)={\displaystyle \sum _{k=-{\rm N}}^{{\rm N}}h}(k)s{}_{\text{r}}(n-k)(12)$

式中:N代表合成孔径处理时需要加的点数, 由式 (13) 给出:

${\rm N}=\left[0.42\frac{\lambda }{d}\frac{R}{\text{Δ}x}\right](13)$

式中:Δx是两次发射和接收脉冲之间换能器移动的距离;[]为取整运算。在作时域相关处理时需注意数据存入和读出的方向。

超声换能器沿合成孔径方向移动, 在每个位置上发射声脉冲, 并接收由目标反射的回波信号, 经采样、量化后, 按时间顺序串行送入平面阵列存储器, 沿水平方向每一行存储着一个位置点采集的数据;垂直方向每一列数据是在不同位置点采集的, 是由同一斜距处反射回来的回波信号。因此在做相关运算时, 需按列读出数据送至乘法器。时域处理实现框图如图4所示。

时域相关处理方法要求系统的信息存储量大, 处理器完成的运算量大。参考函数h (n) 随合成孔径目标点离换能器移动线阵的距离而变化, 通常先完成这部分计算, 将结果存储起来, 作相关处理时, 查表读取数据, 这样可以增加处理速度。

2.3 角度相关卷积算法

SAFT能大大提高超声波图像的分辨率, 但其内在缺陷在于它的理想假设, 即从缺陷处反射回来的脉冲有一个独立于缺陷位置的谱线分布。克服这一缺点的方法之一是使用Wiener滤波与一系列角度相关参考信号相结合的合成孔径进行聚焦成像[8]。这使得重建的缺陷图像有相对较少的失真。实验证明, 该方法无论在横向还是深度方向都有着良好的分辨率, 同时可根据超声波的飞行时间得到缺陷的精确位置。

出于安全和经济因素的考虑, 无损检测必须要能准确地获得缺陷的尺寸信息。提高时间分辨率的方法之一就是在使用合成孔径成像算法之前对A扫信号进行卷积[9], 该技术称为SAFTD。Wiener滤波是常见的高效卷积工具之一。 SAFTD技术实质上是SAFT处理方法的特殊应用, 特殊之处在于SAFTD处理的是与在轴参考信号相卷积的图像信号。

众所周知, 波束低频分量比高频分量有更大的发散角, 超声频谱如图5所示。

当发散角θ很大时, 轴信号不适合作为参考信号来进行卷积运算, 因为此时声波的频谱已经转向了低频部分。解决此问题的方法之一是使用与SAFT相结合的角度相关卷积技术 (SAFTADD) , 它是SAFT的模拟近似, 是用角度修正后的参考信号与每个A扫数据进行卷积。为了能进行有效计算, 首先由一个有着一定倾斜角变化范围的数字模型产生一系列参考信号, 接着原始信号与这些参考信号依次卷积, 从而产生新的B扫数据库。每次卷积信号都对应一个倾斜角, 每个未修正的点都是时间t、位置x以及参考信号倾斜角θ的函数。

采集B扫数据后, 分别用SAFT和SAFTADD方法对用数字模型合成的B扫数据进行处理。结果, SAFTADD中的每个A扫信号必须要和有适当倾斜角θ的参考信号相卷积, 因此必须要有能够产生此类参考信号的数字模型。该模型基于惠更斯原理和射线理论, 且能通过计算得到活塞换能器产生的位移场 (物体三维空间内的位移矢量的空间分布状况) 。图6所示为此模型相关的坐标系统。

无损检测中应用的超声声束是对称的, 因此可以忽略图中所示角度φ的影响, 于是声场仅为R和θ的函数。对于均匀激励源, 径向位移由式 (14) 表达:

$\begin{array}{l}u{}_R=\frac{a{}^2\sigma {}_{\text{z}\text{z}}}{4\text{π}\mu }\cdot \frac{\exp (-ik{}_{a}R)}{R}\left[\frac{2J{}_1(k{}_a\sin \theta )}{k{}_{a}a\text{s}\text{i}\text{n}\theta }\right]\\ \frac{(\beta /\alpha ){}^2\cos \theta [1-2(\beta /\alpha ){}^2\sin {}^2\theta ]}{[1-2(\beta /\alpha ){}^2\sin {}^2\theta ]{}^2+4(\beta /\alpha ){}^3\sin {}^2\theta \cos \theta \sqrt{1-(\beta /\alpha ){}^2\sin {}^2\theta }}(14)\end{array}$

式中:α为压力波速, 即纵波波速;β为剪切波速, 即横波波速;ka为压力波数, 即纵波波数;σzz为换能器表面的应力[10]。目标点的总位移等于多个同心圆形换能器在该点位移场的叠加。

通过实验对合成数据的研究结果表明, 角度相关卷积算法相比于传统的SAFT, 横向分辨能力有明显改善。

3结论

以上几种算法有着各自的优势:波包原子分解算法通过对反射超声信号的距离校正和重建, 提高成像系统的信噪比, 使聚焦效果更明显, 有效改善了图像的纵向分辨力, 成像速度较快, 在超声混凝土检测中有着巨大的应用前景;匹配滤波算法对来自目标的反射回波进行滤波处理, 有效减少了噪声的干扰, 无论横向和纵向分辨力都有明显提高;角度相关卷积算法对获得的原始数据进行卷积处理, 能够准确地获得缺陷的尺寸和位置信息。

本文阐述了三种合成孔径聚焦成像算法的思想, 并对它们进行了对比, 突出了各自优势, 以便在实际应用中合理取舍, 为更好实现高质量的合成孔径聚焦成像提供了参考。

摘要：合成孔径聚焦成像技术与传统的超声成像方法相比, 可以通过较低的工作频率和较小的换能器孔径获得较好的分辨率, 目前已在无损检测中获得广泛应用。随着科技的进步, 合成孔径聚焦算法也日益成熟。对三种常用的合成孔径聚焦算法的原理进行了分析, 总结了各自特点及优势。在实际应用中, 合理选择成像算法, 能够有效提高成像质量。

关键词：无损检测,合成孔径聚焦技术,波包原子分解,匹配滤波,角度相关卷积

参考文献

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[4]李秋锋, 石立华, 金信鸿, 等.一种改进的合成孔径聚焦算法研究[J].压电与声光, 2009, 31 (3) :440-443.

[5]SHI Li-hua, CHEN Bin, GAO Cheng.Design and modelingof signals by using wavelets for the pulse-echo NDTapproaches[J].SPIE, 2001, 4336:146-153.

[6]方舟正.合成孔径聚焦成像系统的实验研究[D].南京:南京航空航天大学, 2003.

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[9]SIN S K, CHEN Chi-hau.A comparison of deconvolutiontechniques for the ultrasonic nondestructive evaluation ofmaterials[J].IEEE Trans.on Image Processing, 1992, 1 (1) :3-10.

干涉合成孔径雷达干扰效果评估 第6篇

关键词：干涉合成孔径雷达,干扰效果评估,相关测度

干涉合成孔径雷达(In SAR)是在合成孔径雷达(SAR)的基础上,雷达成像技术的新发展。传统的合成孔径雷达(SAR)通过孔径合成、脉冲压缩获得方位向、距离向的高分辨力,获得观测地面的二维信息。干涉合成孔径雷达在SAR基础上,通过在不同轨道或时间对同一地区进行多次观测来获得多幅SAR图像,再根据干涉成像几何关系和SAR图像对应像素点之间的绝对相位差所反映的距离差来重建地形高度图或地表形变图[1,2,3]。

1 干涉合成孔径雷达测高原理

In SAR测高需要步骤分别为[4,5]:(1)原始数据进行SAR聚焦成像。将各航过的原始数据,分别进行SAR二维成像处理,实现距离向和方位向的高分辨率,为后继从相位中提取高程信息做准备。(2)对两幅复数SAR图像进行精确配准。干涉SAR系统获得同一地区的两幅图像在距离向和方位向都存在一定的偏移、错位或者旋转,必须将两幅图像配准后才能获得干涉相位。(3)计算出两幅图像中对应点的相位差,去除因平地效应引起的附加相位,进行相位滤波。(4)进行相位展开,从缠绕相位中恢复出绝对相位;干涉SAR信号处理是根据两幅SAR图像像素点之间的绝对相位差所反映的距离差来获得目标高度的,如何恢复模糊的相位周期而获得目标的绝对相位差成为干涉SAR信号处理关键的步骤。(5)从展开相位出发,利用几何关系,计算每一点像素的高程数值。仿真过程如如图1所示。

2 常规In SAR干扰效果主观评估方法

主观评估需要根据判读人员的经验和知识,按照应用目的,定性地提取图像中感兴趣目标的形态、构造、功能和性质等信息。由于主观评价是和判读人员的理解水平、分析问题的角度等相关[7,8]。为降低判读时的主观因素,应通过专家并且针对专家在该领域的能力对其评估结果进行加权处理,这样可以使主观误差尽量减小;另外,应选取统一的目标进行评估,最后对目标的重要程度进行加权。

主观评估法最后得到干涉合成孔径雷达在干扰后恢复高程图质量的评估结果为[9,10]

式中,M为专家人数;N为选定的参考目标数;xAm为专家Am的加权系数;rn为目标Sn的加权系数;Tm,n为专家Am对目标Sn的打分。D值越大说明干扰下成像的质量越好,即干扰的效果越差。

实验采用的仿真DEM由某地形函数产生,仿真结果如图3所示。

将干扰前后的高程重建图像进行对比,发现噪声干扰的干信比为-1 d B时,还能较清晰地看出干扰前三维地形图的轮廓;当干信比增大到0 d B时,干扰区域的高程重建已经变模糊,但还能看出干扰前三维地形图的地势走向;当干信比为3 d B时,在干扰区域中已经识别不出原始三维地形图。

3 测度In SAR干扰效果客观评估方法

3.1 相关测度评估原理

将图像相关测度这一概念引入In SAR干扰效果评估,干扰前后的高程图进行相关测度的评估,干扰后与干扰前的相关测度差别越大说明干扰效果越好。图像相关测度的计算目前已有较好的理论基础与算法,因此,可以将In SAR的高程图转化为矩阵进行处理,矩阵的值代表相应位置的高度,评估流程如图4所示。

(1)直接相关测度

(2)均值归一化相关测度

式中

3.2 仿真peaks模型,并对结果进行评估

实验采用的仿真DEM由Peaks函数产生,仿真512×512点,其中距离维采样点数为512点,方向维采样点数为512点。先对其添加不同功率的射频噪声,再进行相位缠绕,然后用最小二乘法解缠,最后高程重建,对比射频噪声干扰对In SAR高程重建的影响。各加噪干扰仿真中的相位缠绕以及相位解缠图可以与无干扰情况下的二维相位图进行比较。

得到不同信噪比的烦扰图后,结果根据相关测度的原理进行计算,结果如表1所示。

由表1可以看出,在不同的干信比条件下,通过直接相关测度和归一化相关测度的数值可以直观地看出干扰效果。直接相关测度的值越大说明干扰效果越差,归一化相关测度的值越小,说明干扰效果越差。

4 结束语

大孔径连杆加工的定位误差研究 第7篇

1 定位误差的本质

定位误差是指由定位引起的同一批工件的设计基准在加工尺寸方向上的最大变动量。这里的加工误差指的是尺寸精度或位置精度方面的误差。定位误差的表现形式为工序基准相对于加工表面在尺寸方向上可能产生的最大尺寸或位置的最大变动量，即工序基准的变动量。它取决于两个因素：一是定位副的制造误差;二是零件的定位基准与工序基准不重合。

定位误差产生的根本原因是一批工件在进行本道工序加工之前已存在加工误差，假设一批工件中有关的尺寸、形状、位置参数绝对精确，则在任何定位方式下都不会产生定位误差。

定位误差的性质是随机误差，即便计算出的定位误差是一个具体的值。应该理解为该值是一批工件按工序要求，仅由于定位而产生的工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量[1]。

2“一面两孔”定位误差分析

在“一面两孔”定位时，采用一个平面、一个圆柱销和一个削边销作为定位元件是常用的定位方法，夹具的基本结构如图1。根据六点定位原理，平面A为主要定位基准，限制了工件的三个自由度，圆柱销1为第二定位基准，限制工件的两个自由度，削边销2为第三定位基准，与圆柱销1共同作用，限制一个自由度，这样工件在夹具上占据了正确的位置，限制了工作的六个自由度，从而实现定位。

2.1 位移误差分析

位移误差指在A平面上，工件在Y、Z方向上工序基准的极限位置误差，可分为纵向误差和横向误差。纵向误差即工件在两孔中心连线方向(Y轴)上工序基准的极限位置误差(ΔJXY);横向误差是工件在两孔中心连线垂直方向(Z轴)上工序基准的极限位置误差(ΔJXZ)[2]。采用双孔定位时，夹具上圆柱销1的几何中心应为元件基准，工件上孔1的几何中心为工序基准，由于配合间隙存在，基准不重合。另外，孔1和圆柱销1间的配合间隙，始终小于削边销2的削边量，如图2所示。而工件是一个整体，工件在两孔中心连线方向上的基准极限位置误差，就只受到孔1与圆柱销1配合间隙的影响，所以孔1的纵向误差(Y轴方向)应为：

同理，孔1的横向误差(Z轴方向)为：

孔2的横向误差(Z轴方向)为：

式中：δg1、δg1分别为工件孔1和工件孔2的极限上偏差;δx1、δx2分别为圆柱销1和削边销2的极限下偏差;△1、△2分别为孔1、孔2与销的配合间隙。

2.2 转角误差分析

双孔定位时，除位移误差外，工件上两孔中心线连线还可能绕X轴发生偏转，使元件基准(两销中心连线)与工序基准(两孔中心连线)不重合，如图3所示，从而产生转角误差，最大转角误差为：

式中：L为公称孔距。

3 定位元件的结构改善

通过对“一面两孔”定位方式进行定位误差分析，根据式(1)、(2)、(3)、(4)可知，要减少基准位移误差和转角误差，必须要通过减少δg1、δg2、δx1、δx1、△1、△2和增大L的办法来实现。要减少δg1、δg2、δx1、δx1，就必须要提高孔和销的加工精度;减少△1、△2，又可能造成工件装卸不方便;孔距L受到工件结构限制。

在大孔径连杆加工中，采用“一面两孔”定位方法，制造的定位销直径较大，加工精度和表面质量难以保证，销的重量大，材料多，制造成本高，因此有必要对常规的“一面两孔”定位夹具进行结构优化，提高定位精度，减轻夹具重量，方便工件装卸，提高夹具耐用度。

3.1 空心销代替实心销

在“一面两孔”定位中，定位销的直径由孔的直径决定，随着直径的增加，所消耗的材料越多，热处理时表面与中心冷却速度相差越大，冷却后变形越严重，加工精度和表面质量就难以保证;同时，由于冷却速度的降低，定位销表面硬度降低，降低了夹具的耐磨性。为减少制造成本，减少材料，提高热处理效果，可将定位销做成如图4所示的空心销，减少了定位销加工中的热处理变形，达到提高定位元件精度，减少定位误差，节省夹具成本，提高夹具耐用度的目的。

3.2 活动圆锥销代替固定圆柱销

用空心销代替实心销的方法，从夹具设计和制造角度分析了提高夹具的制造精度，达到减少定位误差的方法。但在定位过程中，工件与定位销之间的配合间隙也是影响定位精度的重要原因，由式(1)、(2)、(3)、(4)可知，可采用一定的措施减小配合间隙△1、△2，同时又不影响工件的装卸，基于以上分析，可用活动圆锥销来代替圆柱销，如图5。活动圆锥销采用锥度较小的1:50[3]，当活动圆锥销插入工件孔后，圆锥销在弹簧5作用下与孔壁接触，消除了定位销与孔之间的间隙，活动削边锥销作用类似，消除了工件绕X轴的转动间隙。定位销结构进行改善后，工件的基准位移误差和转角误差得到基本消除，从而提高了定位精度，并且定位销有一定的锥度，不影响工件装卸。

3.3 多个小销代替大销

在大直径销的加工中，因加工精度要求高，要达到较高的加工精度，必然会提高制造成本。为降低制造成本，除采用空心销代替实心销的方法外，根据三个不在同一直线上的点确定一个圆和两点确定一条直线的原理，将大直径圆柱销用五个正确分布的小直径销来代替[4]，定位示意图如图6，采用此方法可节省定位元件材料，热处理变形小，容易达到更高的经济精度，得到比大销更高的硬度，从而提高零件的定位精度和夹具耐用度。

4 结论

通过对“一面两孔”定位误差进行分析，对夹具结构进行改善，采用空心销、活动圆锥销和多销定位方式可以减少在制造夹具过程中因直径过大而造成的较大的变形，提高销的精度和夹具耐用度，减轻夹具重量，不影响工件装卸，提高整批大孔径连杆零件定位精度的一致性。

参考文献

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[2]徐发仁主编.机床夹具设计[M],重庆大学出版社,1993.

[3]张琳.典型定位误差分析及改进设计[J],机械制造与自动化,02006(2):25-26.

地球同步轨道合成孔径雷达特性分析 第8篇

合成孔径雷达(SAR)具有全天时全天候工作的能力,与光学遥感相比优势十分明显,因此倍受专家学者的关注。以前的关于SAR理论和技术,尤其是SAR的成像技术都是基于比较低的轨道上。随着合成孔径雷达技术的发展和应用的深入,低轨SAR卫星的重访周期长,覆盖范围小等缺点已经逐步显现。解决此问题的一种有效途径就是将卫星轨道升高至地球同步轨道(Geosynchronous Orbit,GEO),地球同步轨道SAR具有重访周期短,可视观测范围大,灵活性好等特点[1,2,3],同时,地球同步轨道SAR由于轨道高度高,不易被捕获和摧毁,以及具有更高的使用效能,在民用和军事应用上具有更广的前景。GEOSAR一个很重要的方面是成像问题,由于地球同步轨道SAR与常规的低轨SAR有着较大的差别,低轨SAR的一些相关理论不适合GEOSAR。对GEOSAR的一些性质进行研究将有助于成像算法的选择。

1 地球同步轨道星下点分析

根据合成孔径雷达的成像原理可知,方位向高分辨率是通过合成孔径来实现的,合成孔径的条件就是要求雷达平台与观测目标有一定的相对运动。同步轨道SAR就是通过卫星与观测场景之间的相对运动来获得方位向的分辨率的,但是由于受地球自转的影响比较大,通过一定的轨道倾角和偏心率以及升交点纬度设计的轨道所获取的观测区域与低轨是不一样的。下面分析地球同步轨道的星下点轨迹[4,5]。

设地球同步轨道倾角为i0,升交点的地心经度为L0,卫星飞行时间为t,vs为卫星在地心坐标系中的速度(不考虑地球形状影响),同步轨道运行周期为T,θ为t时刻卫星与升交点的角距(从升交点开始测量),其值等于2πt/T,考虑到地球自转影响,沿轨道运行的卫星在某一圈运行中的星下点轨迹纬度Le与经度λe分别为:

$\begin{array}{l}L{}_{\text{e}}=\arcsin (\sin i{}_0\sin \theta )\\ \lambda {}_{\text{e}}=L{}_0+\arctan (\cos i{}_0\tan \theta )-\omega {}_{\text{e}}t+\phi (t)\end{array}(1)$

式中:ωe为地球自转角速度。

$\phi (t)=\{\begin{array}{l}2\text{π},-\text{π}/2\theta <0\\ \text{π},\text{π}/2\theta <\text{π},-\text{π}\theta <-\text{π}/2\\ 0,0\theta <\text{π}/2\end{array}$

根据式(1)仿真卫星星下点与地球相对运动所形成轨迹,具体形状如图1所示。

对于同步轨道SAR“8”字形相对运动轨迹,在“8”字中间,卫星相对运动轨迹近似为直线,两端为大曲率半径曲线;地球同步轨道倾角决定“8”字的大小,偏心率决定“8”字的形状。

2 GEOSAR波束照射范围

下面分析波束照射范围[4,6,7],假设卫星天线俯仰向波束宽度为θ,在t时刻卫星S星下点P地理坐标系的纬经度及高度为(Ln,λn,Re),星下点速度为(vx,vy,vz),则:

$\{\begin{array}{l}v{}_x=-\frac{R{}_{\text{e}}\frac{\text{π}}{{\rm T}}\sin {}^{2}i{}_0\sin \frac{4\text{π}t}{{\rm T}}\cos \lambda {}_{\text{e}}}{\sqrt{1-\left[\sin i{}_0\sin \left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)\right]{}^2}}-R{}_{\text{e}}\sin \lambda {}_{\text{e}}\sqrt{1-\left[\sin i{}_0\sin \left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)\right]{}^2}\left\{\frac{\frac{2\text{π}}{{\rm T}}\cos i{}_0\sec {}^2\left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)}{1+\left[\cos i{}_0\tan \left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)\right]{}^2}-\omega {}_{\text{e}}\right\}\\ v{}_y=-\frac{R{}_{\text{e}}\frac{\text{π}}{{\rm T}}\sin {}^{2}i{}_0\sin \frac{4\text{π}t}{{\rm T}}\sin \lambda {}_{\text{e}}}{\sqrt{1-\left[\sin i{}_0\sin \left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)\right]{}^2}}+R{}_{\text{e}}\cos \lambda {}_{\text{e}}\sqrt{1-\left[\sin i{}_0\sin \left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)\right]{}^2}\left\{\frac{\frac{2\text{π}}{{\rm T}}\cos i{}_0\sec {}^2\left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)}{1+\left[\cos i{}_0\tan \left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)\right]{}^2}-\omega {}_{\text{e}}\right\}\\ v{}_z=\frac{2\text{π}}{{\rm T}}R{}_{\text{e}}\sin i{}_0\cos \left(\frac{2\text{π}t}{{\rm T}}\right)\end{array}(2)$

式中的各个参数符号表达均与上节相同。其矢量表达为$\stackrel{}{v}$se,由于雷达正侧视工作时雷达波束始终垂直于卫星速度方向,设经过星下点且与$\stackrel{}{v}$se垂直的落在波束平面内的向量为$\stackrel{}{v}$B,如图2所示。

设$\stackrel{}{v}$B与$\stackrel{}{{\rm P}A}$之间的夹角为α,$\stackrel{}{v}$B与$\stackrel{}{{\rm P}B}$之间的夹角为β,由于$\stackrel{}{v}$B垂直于SP,则α=∠SPA-90°,β=∠SPB-90°,∠SPA,∠SPB可以通过三角关系求出。则$\stackrel{}{{\rm P}A}$指向在地理坐标系中可通过速度关系表示为$(v{}_x,v{}_y,v{}_z-\sqrt{v{}_x^2+v{}_y^2}\tan \alpha )‚\stackrel{}{{\rm P}B}$指向在地理坐标系中可通过速度关系表示为$(v{}_x,v{}_y,v{}_z-\sqrt{v{}_x^2+v{}_y^2}\tan \beta )$,通过地理坐标系与地球坐标系的相互转化关系,得到A点在地球直角坐标系内坐标为:

$\{\begin{array}{l}x{}_A=x{}_{{\rm P}}+\left|{\rm P}A\right|\frac{v{}_{x-{\rm P}A}}{\sqrt{v{}_{x-{\rm P}A}^2+v{}_{y-{\rm P}A}^2+v{}_{z-{\rm P}A}^2}}\\ y{}_A=y{}_{{\rm P}}+\left|{\rm P}A\right|\frac{v{}_{y-{\rm P}A}}{\sqrt{v{}_{x-{\rm P}A}^2+v{}_{y-{\rm P}A}^2+v{}_{z-{\rm P}A}^2}}\\ z{}_A=z{}_{{\rm P}}+\left|{\rm P}A\right|\frac{v{}_{z-{\rm P}A}}{\sqrt{v{}_{x-{\rm P}A}^2+v{}_{y-{\rm P}A}^2+v{}_{z-{\rm P}A}^2}}\end{array}(3)$

式中:xA,yA,zA分别为A点在地球直角坐标系中的坐标;xP,yP,zP分别为P点在地球直角坐标系中的坐标;vx-PA,vy-PA,vz-PA分别为向量$\stackrel{}{{\rm P}A}$在地球坐标系中x,y,z轴的投影。

同理也可以得到B点在地球直角坐标系内坐标为:

$\{\begin{array}{ccc}x{}_B=x{}_{{\rm P}}+\left|{\rm P}B\right|\frac{v{}_{x-{\rm P}B}}{\sqrt{v{}_{x-{\rm P}B}^2+v{}_{y-{\rm P}B}^2+v{}_{z-{\rm P}B}^2}}& & \\ y{}_B=y{}_{{\rm P}}+\left|{\rm P}B\right|\frac{v{}_{y-{\rm P}B}}{\sqrt{v{}_{x-{\rm P}B}^2+v{}_{y-{\rm P}B}^2+v{}_{z-{\rm P}B}^2}}& & \\ z{}_B=z{}_{{\rm P}}+\left|{\rm P}B\right|\frac{v{}_{z-{\rm P}B}}{\sqrt{v{}_{x-{\rm P}B}^2+v{}_{y-{\rm P}B}^2+v{}_{z-{\rm P}B}^2}}& & \end{array}(4)$

式中:xB,yB,zB分别为B点在地球直角坐标系中的坐标;xP,yP,zP分别为P点在地球直角坐标系中的坐标;vx-PB,vy-PB,vz-PB分别为向量$\stackrel{}{{\rm P}B}$在地球坐标系中x,y,z轴的投影。A点和B点所围成的区域就是同步轨道SAR波束照射范围。

综合上述公式,用Matlab仿真画出卫星运动过程中波束(指向外侧)照射范围如图3所示。

图3中,红色虚线代表卫星星下点足迹,蓝色实线为波束近距点与远距点的地面运动轨迹,两蓝色实线之间的区域代表成像条带。可以看出,无论天线波束指向外(内)侧,天线波束星下点足迹并不是一成不变,观测点时而落在“8”字形外部,时而落入“8”字形内部,并且随着波束俯仰角的增大,在“8”字底(顶)部覆盖区域将出现拐角,如图3(c),(d)所示。这将给GEOSAR的成像带来很大的困难,传统基于线性孔径的成像算法[8,9,10,11],例如RD算法、CS算法、FSA算法、RMA算法等都将不适合GEOSAR拐角的成像。

3 GEOSAR多普勒频率分析

多普勒频率是GEOSAR方位向成像的重要参数,其是否精确,关系到成像的质量。与低轨SAR不同,由于地球的自转对同步轨道卫星相对地面速度的影响非常大,GEOSAR多普勒频率[1,5,12]将有别于常规的SAR。

KIYO TOMIYASU在1983年发表的一篇文献中对GEOSAR的速度行了分析[1]。然而经过仔细的公式推导以后发现,其中有不一致的地方。为了求得GEOSAR的多普勒频率,对整个过程做详细的解析。假设卫星相对于地面的速度为VS,卫星星下点足迹的速度为VB,卫星角速度为ωS,地球角速度为ωe,地球半径为Rε,卫星到地面垂直距离为h,地球子午线与卫星轨道的夹角为α,卫星星下点的纬度为θlat,卫星轨道速度为$\overline{V}{}_{\text{S}\text{S}}$,地球转速为$\overline{V}{}_{\text{E}\text{S}}$,轨道倾角为i。在地球同步轨道上,卫星角速度ωS和地球角速度ωe是相等的。

根据卫星相对于地面的速度与卫星星下点足迹速度的转换关系有:

$V{}_{\text{S}}=V{}_{\text{B}}\frac{R{}_{\text{e}}+h}{R{}_{\text{e}}}$

根据图4中的关系又有:

$\begin{array}{l}\overline{V}{}_{\text{B}}=\overline{V}{}_{\text{S}\text{S}}-\overline{V}{}_{\text{E}\text{S}}(5)\\ V{}_{\text{B}\text{Ν}\text{S}}=V{}_{\text{S}\text{S}}\cos \alpha =\omega {}_{\text{S}}R{}_{\text{e}}\cos \alpha (6)\\ V{}_{\text{B}\text{E}\text{W}}=V{}_{\text{S}\text{S}}\sin \alpha -V{}_{\text{E}\text{S}}=\\ \omega {}_{\text{S}}R{}_{\text{e}}\sin \alpha -\omega {}_{\text{e}}R{}_{\text{e}}\cos \theta {}_{\text{l}\text{a}\text{t}}=\\ \omega {}_{\text{S}}R{}_{\text{e}}\sin \alpha -\omega {}_{\text{S}}R{}_{\text{e}}\cos \theta {}_{\text{l}\text{a}\text{t}}(7)\end{array}$

式中:VBNS为卫星星下点向北速度;VBEW为卫星星下点向东速度,根据球面三角形正弦定理和余弦定理可得:

$\begin{array}{l}\alpha =\arctan (\frac{\cot i}{\cos \omega {}_{\text{S}}t})(8)\\ \theta {}_{\text{l}\text{a}\text{t}}=\arcsin (\sin i\text{s}\text{i}\text{n}\omega {}_{\text{S}}t)\end{array}$

将卫星星下点向东,向北的速度进行合成可得:

$\begin{array}{l}V{}_{\text{B}}=\omega {}_{\text{S}}R{}_{\text{e}}\sqrt{1+\cos {}^2\theta {}_{\text{l}\text{a}\text{t}}-2\cos i}(9)\\ V{}_{\text{S}}=\omega {}_{\text{S}}(R{}_{\text{e}}+h)\sqrt{1+\cos {}^2\theta {}_{\text{l}\text{a}\text{t}}-2\cos i}(10)\end{array}$

雷达到地面目标距离二次项展开:

$R=R{}_0+\frac{V{}_{\text{B}}}{V{}_{\text{S}}}\frac{x{}^2}{2R{}_0}$

式中:R0为雷达到场景中心的距离;x为慢时间内GEOSAR飞行的距离。

雷达接收回波信号相位为:

$\begin{array}{l}\phi (t)=-\frac{4\text{π}}{\lambda }(R{}_0+\frac{V{}_{\text{B}}}{V{}_{\text{S}}}\frac{x{}^2}{2R{}_0})\\ =-\frac{4\text{π}}{\lambda }(R{}_0+V{}_{\text{B}}V{}_{\text{S}}\frac{t{}_{\text{m}}^2}{2R{}_0})(11)\end{array}$

将x=VStm代入公式并求导可得:

$\begin{array}{l}f{}_{\text{D}}=\frac{1}{2\text{π}}\frac{\text{d}}{\text{d}t}\phi (t)=-2\frac{V{}_{\text{B}}V{}_{\text{S}}}{\lambda }\frac{t{}_{\text{m}}}{R{}_0}=\\ -2\frac{\omega {}_{\text{S}}^{2}R{}_{\text{ε}}(R{}_{\text{ε}}+h)(1+\cos {}^2\theta {}_{\text{l}\text{a}\text{t}}-2\cos i)t{}_{\text{m}}}{\lambda R{}_0}(12)\end{array}$

这里需要说明的是时间tm和t。tm指的是合成孔径内的时间,而t指的是卫星飞行的时间,两者不能完全等同。只有在合成孔径时间内才是一致的。经过STK软件仿真,轨道倾角为30°,天线直径为30 m,天线俯仰角0.5°时在赤道附近的一个合成孔径时间大约为250 s。

设地球同步轨道的轨道倾角为30°,选取赤道附近一个合成孔径时间tm=250 s,高度h约36 000 km,雷达载频为3.5 GHz,仿真GEOSAR的多普勒瞬时频率(为了方便看图把多普勒频率取正),如图5所示。

与低轨道上的SAR相比,GEOSAR的瞬时多普勒频率在相同的时间点上会相应减少6.64倍左右。

4 结 语

本文对地球同步轨道合成孔径雷达的轨道星下点,成像范围和多普勒频率等进行了研究,并相应做了一些仿真。相信对地球同步轨道SAR成像算法的探索有一定意义。

摘要：常规的低轨合成孔径雷达具有重访周期长,覆盖范围小等缺点,一个有效的解决办法是将低轨合成孔径雷达轨道提高到地球同步轨道上。然而,由于受地球自转的影响比较大,地球同步轨道合成孔径雷达有着其本身的特殊性。对地球同步轨道上合成孔径雷达的星下点轨迹、波束所能覆盖的范围以及多普勒频率进行了分析,并且相应地做了一些仿真。

关键词：地球同步轨道,合成孔径雷达,星下点,覆盖范围,多普勒频率

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[11]保铮,刑孟道,王彤.雷达成像技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

孔径控制 第9篇

威力强大的甚大阵

甚大阵的设计原则是按照英国赖尔提出的原理，但是从灵敏度、分辨率、成像速度和频率覆盖四个方面全面超过英国赖尔综合孔径射电望远镜。

甚大阵从1961年开始筹划、设计，经过20年的努力，终于在新墨西哥州的一个荒原上出现了一个巨大的天线阵，它相当于一个中等城市，巍巍壮观。望远镜由27面直径25米的可移动的抛物面天线组成，分别安置在三个铺有铁轨的臂上，呈Y形。2个臂长是21千米，另一个臂长为20千米。每个臂上放置9面天线。工作波段最短可达到0.7厘米，因此天线抛物面的精度非常高。最高分辨角为0.05角秒，已经优于地面上的大型光学望远镜了。甚大阵望远镜进行观测是依靠自动化系统来控制和管理的。

望远镜的灵敏度由总接收面积决定，甚大阵的27面25米的天线，总接收面积达到5万3千平方米，相当于口径为130米的单天线。 因此甚大阵的灵敏度比赖尔望远镜高出12.5倍。就空间分辨率来说，甚大阵的最大基线是36千米，比赖尔望远镜大7倍多，在相同的波段上的分辨率要提高7倍，由于最短工作波长可达0.7厘米，因此甚大阵的最高分辨率要比赖尔望远镜高20倍，达到0.05角秒。相当于在150千米外看清楚一个高尔夫球。赖尔望远镜的8面天线是东西方向一字排开，利用地球自转，需要对一个目标观测12小时，才能移动天线以获得另一种天线间距的观测。而甚大阵采用Y形排列，可以获得小于8小时的快速成像。

甚大阵的天线和接收机

甚大阵是在1973年4月开始兴建的，1975年9月第一个天线到位，1980 年甚大阵全部完成并投入使用，比原计划提前1年。在1977～1978年，科学家们已经用建成的部分天线取得了很好的观测成果。。

甚大阵的每个天线的直径为25米，重230吨。在使用时有4种阵形： A阵，天线分离最大，36千米；B阵，天线分离3.6千米； C阵，天线分离1千米。望远镜每4个月换一次阵形。以适应不同的观测课题。天线的运转和控制快速而灵活。方位角每分钟可移动40度；仰角每分钟20度。地平8度以上的天体均可进行观测。

甚大阵的频率覆盖很宽，从74MHz到50GHz（约为400～0.7cm）。因此馈源和接收机系统就比较复杂。在低频段，可实现4个频段的同时观测，较高的频段则分为P、L、C、X、U、K、Q七个频段。各频段的视场、分辨率和系统的噪声温度如上表所示：

扩展的甚大阵（EVLA）

为了进一步提高甚大阵的威力，美国射电天文学家要在现有的基础上（27面25米天线）加以扩建，取名为EVLA。在离现在的甚大阵250千米远增加8个新的观测站。这将使现在的设备的科学能力大大提高，使所有的观测参数品质提高10倍。

在频率5GHz以下灵敏度提高5倍，在10～50GHz灵敏度要提高20倍。频率范围在1～50GHz，但是可以延展到300MHz。频率分辨率很强，具有262144个频率通道可提供灵活、可变化的频率分辨率1MHz和1Hz。最大的空间分辨率从0.004角秒（50GHz）到0.2角秒（1GHz），这个分辨率已经达到了一般的甚长基线干涉（VLBI）的高分辨率了。

成就卓著

甚大阵在1980年建成后使射电观测能力极大地增强。它的分辨率和灵敏度都比剑桥大学综合孔径射电望远镜的情况提高了一个数量级，看得更远，分辨得更清楚。20年来，来自世界各国天文研究院、所的2200多位学者使用甚大阵进行了1万多个课题的观测。这些课题几乎涉及天文学研究的全部领域，无所不包，从行星学科到宇宙论。当然，最具威力的是对遥远而微弱的天体的分辨和成像观测。

在金牛座中，有一个名为LDN1551的由气体和尘埃组成的巨大的分子云。在那里类似太阳大小或更小一些的恒星不断地诞生，成为年轻恒星集聚的地方，引起天文学家的关注。甚大阵对准一个以前的红外和射电观测都认为是单个的恒星，出人意料的发现这个天体并不是一个单个的年轻恒星，而是一对年轻的双星。（尺度棒代表20天文单位的距离）甚大阵超群的分辨率把这个相距很近的双星分辨得很清楚，而且，还把围绕恒星的由尘埃组成的轨道盘状物清楚地显现出来。这个离我们450光年远的双星的线间距只有太阳到冥王星的距离，其角径非常之小，要不是甚大阵超强的分辨率，是不可能分辨出的。

喷流现象是天文学家观测到的宇宙中最奇特的现象之一。甚大阵的高分辨率观测给出一批射电源的喷流资料。射电源3C449是一个巨椭圆星系，甚大阵展示出了它的“核－双喷流－双展源”结构。两个分离的展源称为射电源的瓣，两个瓣之间有一个致密源为星系核，星系核的两边有两个准直性很强的射电辐射束，称为喷流，一直射到两个瓣。喷流是能量从核传输到外面的射电展源（瓣）的通道，而光学观测到的喷流尺度只有射电的1/10。

1994年发现的微类星体是甚大阵在建立以来最有价值的成果之一。微类星体被认为是由中子星或黑洞组成的双星系统，发射X射线，只有几个太阳质量。它与有着巨大质量的星系核或类星体有着共同的现象，如极端的能量和喷流。甚大阵给世人展示一个生动的产生双源的爆发过程。左下图最上面图像是第一次观测结果，其核心是X射线源，天文学家推测是由黑洞和一个伴星组成的双星系统。在几天以后，一个巨大的喷射事件产生了两个分别向左右移动的致密体，第二个图中的十字符号是固定源的位置。图的右边标出观测的日期，从3月18日到4月16日近一个月，这两个致密源的分离超过了1万个天文单位。两个致密源真实的速度为0.92倍光速。黑洞的引力把持正常恒星在一个紧密的轨道上，从伴星来的气体被传输或吸积到黑洞，产生百万度的高温，从而辐射X射线。

桥涵式样选择和孔径确定方法探讨 第10篇

1 桥涵式样选择

(1) 公路通过河床平坦, 平时无水或水流甚浅的河流, 或通过有山洪冲积物的溪谷, 如果河床地质坚实, 或附近有石料可以利用, 一般可整铺河底、沟底或做过水路面。平常水位在过水路面上的水深不能超过30～40 cm, 洪水来时停止交通 (图1) 。

(2) 在洪水时流量较小的平原区河流或山区溪沟中, 如水中无大量悬浮土粒及冲积物时, 可利用当地石料修建透水路堤代替小桥涵或与小桥涵结合使用 (图2) 。

(3) 路线与宽阔水深的大河流交叉时, 可利用当地民船搭建浮桥或设置渡口。寒冷地区, 冬季可用冰渡。

(4) 在平时水位不高, 而洪水次数较少、时间较短的河流上, 可修漫水桥, 高出常水位, 洪水时任其淹没。漫水桥可与过水路面结合使用 (图3) 。

修建正式的桥涵, 要选择比较简单的形式, 或当地常用的可靠的桥涵形式, 充分利用当地材料、当地现有的施工工具及当地技术工人进行修建。在丰产石料地区, 可利用石料修建石拱桥、石墩台、石拱涵及石盖板涵。高度不大于3m的小桥墩台及小型涵洞可用较整齐的石料干砌。山区公路中的涵洞, 如沟底坡底大于10%, 涵洞要做成台阶形。为防止大砾石将涵洞孔堵塞, 可在进水口的集水沟上面, 加一个带空格的木盖。如图4所示。

2 桥梁孔径的确定

(1) 调查河流上下游有无旧桥梁, 它们的长度和高度对于排泄洪水是否足够, 并要调查桥墩台的基础下面, 有没有淘空的情形。基础下如淘空就表示基础下得太浅, 或者是基础已下得够深, 但因为桥做短了, 排水的孔径太小, 水流压缩得厉害, 增加对桥墩的冲击力, 将基础底下淘空了。调查的时候要注意:上下游旧桥与新桥位之间, 有没有其它支流流进来。如旧桥在上游, 旧桥与新桥间有支流, 新桥的孔径就要比旧桥大些 (孔径是指各孔的流水的净宽度之和, 桥墩的宽度不包括在内) 。

(2) 调查洪水水位, 修建永久性的石桥, 桥面的底部要高出近二、三十年来的最高水位以上50 cm;修建木桥梁底要高出十年来的最高水位以上25 cm。

(3) 要研究桥位的河床断面, 河床断面中常流水部分叫主槽, 洪水时浸淹的部分叫河滩, 河滩上的水流要比主槽的水流慢些。修桥的时候, 不是洪水水面有多宽, 桥也就多长, 总是稍做短一些, 即侵占了一部分河滩的流水面积, 也就是让河滩的水流得快一些 (理想的是和主槽流速一样) 。如图5。

(4) 山区的河流, 主槽与河滩不易区别, 洪水时水流湍急, 修桥时就不要将河床压缩。

(5) 单孔的永久性小桥, 如河床是易被冲刷的土壤或砂砾, 要将桥下河床用片石铺砌。

(6) 桥梁的孔径和墩台基础的埋置深度有很大的关系, 基础深度有两个决定因素;一是该深度的地质, 要能承担得起基础对地层的压力 (不够时打基桩) ;二是不要因水流冲刷了桥墩四周的土壤, 将基础底下淘空, 致冲倒桥墩。孔径压缩愈厉害, 桥墩的基础也就要下得愈深。

(7) 修筑在岩石上的基础, 就不要考虑冲刷的问题。

(8) 桥墩冲刷的深度, 除决定于孔径压缩的程度外, 还决定于河流的洪水水深、流速和河床的地质而定。水深、流速大, 河床受小颗粒的砂子和砂砾冲刷就较深, 反之就较浅。河流中桥墩基础的埋置深度, 一般至少应在河床面以下, 2.0 m以上, 桩基础至少1.5 m。桥面的基础可以提高一些。

(9) 在比较宽阔的河流中, 主槽的位置常会左右摆动, 在有这些特性的河流中, 桥墩基础的埋置深度, 不论在主槽或河滩, 都要放在同一深度,

(10) 在较大的河流中, 假使没有明显的河岸, 洪水时泛滥很宽, 为了使水流顺畅地流向桥孔, 保护河岸及引道路堤不受水流冲毁, 要添设导水坝、丁坝、护岸等附属构造物。如图6。

摘要：桥涵的式样要根据不同的地理位置进行不同的选择, 而孔径的大小还要根据河流的跨度和需要承载的泄洪能力进行确定。文章就桥梁施工中的这两个重要性环节进行了详细的阐述。

关键词：桥涵,式样,孔径,确定方法

参考文献

[1]王积忠.公路跨越泥石流的桥涵孔径设计[J].青海交通科技, 2000, (1) .