2024年, 第57卷, 第08期　
刊出日期：2024-08-15

  

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  太赫兹时域光谱成像增强算法

  王志勇, 赵浩男, 陈柏彤

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 779-786.

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  低分辨率是扫描太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统图像的一个重要缺点．本文提出了一种针对太赫兹时域光谱图像的超分辨率增强算法，该算法结合了多层感知机(MLP)和超分辨率卷积神经网络(SRCNN)，创建了一个复合网络．本文算法针对太赫兹光谱图像的特点，通过引入新的目标函数，避免了传统机器学习算法需要采集或模拟生成大量训练集的弊端，实现了训练图像即目标图像的单幅光谱图像增强．为了实现这一目标，本文算法的基本原理是，让试件产生一个刚体位移，利用THz-TDS系统采集位移前后两幅三维(1个时间维，2个空间维)光谱图像作为输入数据．机器学习网络包括两部分：首先，利用一个MLP网络实现三维光谱图像到二维光强图像的转化；其次，采用传统针对二维图像的SRCNN网络获取一幅高分辨率图像，对位移前后图像处理后计算得到新的高分辨率图像的位移场，并将位移场方差作为目标函数，再通过机器学习算法，优化网络中的成像参数，实现太赫兹光谱图像的分辨率增强．典型验证性实验最终得到的峰值信噪比为42.65 dB，结构相似度为0.816，均比其他现有方法高，表明本文算法能获得良好的图像增强.
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  基于DDPG的锅炉NO_x排放和屏式过热器超温的多目标优化

  王赫阳, 刘骁, 樊昱晨, 刘欣, 张超群

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 787-797.

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  锅炉空气分级燃烧技术的使用虽降低了NO_x排放，但同时造成了炉内高温火焰上移，导致位于炉膛上部的屏式过热器吸热量增加和超温加剧，影响机组的安全运行．因此，锅炉亟需一个可对NO_x排放和屏式过热器超温进行协调优化的多目标控制策略．针对目前基于机器学习的锅炉优化模型普遍局限于针对单一锅炉运行目标的优化，提出了基于深度强化学习的锅炉多目标优化模型，包括预测模型和优化模型：预测模型采用深度神经网络构建锅炉运行参数与NO_x浓度和屏式过热器温度的非线性映射；优化模型采用深度确定性策略梯度（DDPG）算法训练策略网络，通过优化运行参数实现锅炉的多目标协同控制．对某600 MW锅炉的研究结果表明，通过锅炉配风和过热器减温水量等参数的调整，可实现NO_x排放和屏式过热器超温率的协同优化，NO_x排放平均降低22.6 mg/m³，屏式过热器超温率平均降低0.161.
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  一种基于广义最大相关熵准则的运动平均方法

  刘海涛, 黄玉庚, 肖聚亮

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 798-809.

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  本文提出一种基于广义最大相关熵准则的运动平均方法，有效提高了多视角点云配准的效率和精度．首先，借助李代数优化框架，导出了残差与待求变量二者之间的线性显式关系，将该残差与广义最大相关熵准则结合，提出了考虑所有相对运动的变量解算模型；其次，借助半二次优化技术和交替方向乘子法，给出了模型的一种数值解算方法；最后，提出了一种具有自适应性的核宽选取方法，以使算法在相对运动集包含较多外点的情况下仍能获得较为准确的配准结果．以真实模型和环境数据集为对象开展了对比实验，基于双视角点云配准算法分别获得了5个测试点集在30%、20%点云面积重叠率阈值下的双视角配准结果，共形成10组相对运动集．其中，相对运动集误差随重叠率阈值的下降逐渐增加．所提方法在10组运动集上均获得了较佳的配准结果，实验结果表明本文所提方法有效提高了运动平均方法的计算精度与效率．此外，当运动集包含大量外点时，采用本文所提方法仍能获得较为准确的配准结果，表明本文所提方法具有较强的鲁棒性．
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  数据不平衡情况下的柴油机故障诊断方法

  毕凤荣, 郭明智, 毕晓阳, 汤代杰, 沈鹏飞, 黄盟

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 810-820.

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  由于强调整体分类的准确率，机器学习方法在数据不平衡情况下的柴油机故障诊断效果不佳．因此，本文提出一种改进合成少数过采样技术(SMOTE)与机器学习技术相结合的故障诊断方法．首先对SMOTE算法进行改进，采用k近邻算法滤除多数类中的噪声样本，从而减少各种故障类别之间的重叠．同时，使用k-means算法确定少数类稀疏度和采样权重，减轻类内不平衡．然后，使用改进SMOTE算法平衡柴油机故障数据，并利用机器学习方法进行最终故障诊断．在二维数据集上的实验表明，改进SMOTE算法能有效减轻原始数据中存在的类重叠和类内不平衡问题．柴油机故障诊断实验表明，改进SMOTE算法生成的故障样本能更好地模拟原始故障样本，使用改进SMOTE算法能提高故障诊断方法的准确率．
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  基于对比学习的临床领域意图识别算法研究

  曹天甲, 程龙龙, 李世锋, 曹琉, 崔丙剑, 倪广健

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 821-827.

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  随着电子信息化的发展，智能搜索、知识问答等应用被越来越多地应用在临床领域中．意图识别作为其中重要的一部分，随着这类应用的逐渐兴起，受到越来越多的关注．意图识别即理解用户问句的意图．在自然语言处理中，意图识别的本质是文本分类问题．针对意图识别工作，大量的研究和探索用以理解用户的文本输入，并将其映射到预先给定的意图类别中．本文提出一种基于对比学习的意图识别算法，根据文本的长度和意图类别的数量，将意图识别定义为短文本多分类问题．通过将对比学习引入到分类模型的训练中，提高模型的最终效果．在有监督学习场景中，采用R-drop对比学习方法．该方法选择dropout作为数据增强的方式，同时通过增加一个正则项来强化模型对dropout的鲁棒性．同时，对数据进行无监督训练，作为预训练阶段．并在预训练过程中选择SimCSE对比学习方法．最终将无监督学习与有监督学习结合，形成基于半监督学习的R-SimCSE模型．实验选取textCNN、textRNN、textRCNN、BERT-base、prompt等多种分类模型进行对比．实验结果显示，基于对比学习的分类模型效果优于文中选择的其他分类算法模型，在CHIP-QIC数据集上，准确率提升了0.009 7～0.049 3.
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  预混火焰离子/电子电流区域性差异研究

  王超, 甄郅卓, 曹晓宁, 金硕

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 828-835.

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  研究预混火焰不同区域离子电流与电子电流分布对分析火焰燃烧状态具有重要作用．在探针测量预混火焰的实验中，发现了预混火焰不同区域两种电流分布存在差异．为了进一步对离子电流与电子电流产生差异的原因进行分析，基于FLUENT通过数值模拟仿真得到了影响电流的因素——正负极性带电粒子及其迁移率的分布，并在此基础上结合电离反应机理、带电粒子性质以及火焰流场速度对带电粒子的分布进行了解释．研究发现，由于电子迁移率远大于其他带电粒子，导致预混火焰整体区域的电子电流高于离子电流，其中，中性物质的分布是影响电子迁移率最重要的因素．电子电流与离子电流的差值随着与本生灯距离的增加表现为类似“M”状变化趋势，并在预混火焰反应区附近出现了极小值．不同极性带电粒子在火焰中的分布存在差异，该差异反映了化学反应、对流和带电粒子自身性质等多种因素的共同作用，其中，电子与正离子均在反应区产生，导致正离子集中存在于反应区，而电子由于具有极小的质量，导致其扩散到火焰的其他区域，负离子分布在中性物质与电子共同存在的区域．由于火焰中不同极性带电粒子分布存在差异，因此火焰的局部区域可能表现出单一的电极性，这为基于静电感应原理的火焰非接触式电学测量提供了可能．
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  计及隐私数据保护的多虚拟电厂协同调度方法

  杨挺, 张剑, 蔡绍堂, 于洁, 王前程, 盆海波

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 836-846.

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  针对高比例分布式能源和灵活可调负荷接入下，虚拟电厂(virtualpowerplant,VPP)调度特性复杂、各主体隐私数据保护困难的问题，本文提出一种基于联邦强化学习的多VPP安全协同隐私数据保护方法，实现多VPP可调资源协同优化与敏感数据的可用不可见．首先，通过分析VPP内部可调资源的时空耦合性和时变性，构建了多VPP协同的全网调频备用资源调度模型和VPP内部可调资源物理模型．其次，将VPP可调资源的响应行为转化为一个时序马尔可夫决策过程，建立VPP内部深度Q网络(deepQ-network,DQN)优化调度模型，以经济优化为目标响应调度需求．然后，提出了基于改进横向联邦平均算法的多个DQN模型协同训练方法，通过联邦平均优化全局模型训练参数，并设计全局模型更新间隔自适应调整机制，提升DQN模型训练效率与精度．整个训练过程各VPP无需向上层调度中心上报详细物理模型，无需在训练过程中对等交互信息．最后，结合某地区调频辅助服务市场数据与IEEE-39节点网络算例，对提出算法进行仿真验证，并讨论了不同调度策略对不确定性调节资源的适应能力．与同类算法的对比结果表明，所提算法隐私泄露方差为0.11，调度成本最大可降低22.5%，在各调节时段，能够保护VPP运行和物理模型数据并实现可调资源高效低成本参与电力市场．
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  高区分度欠采样宽带谱分析器设计

  黄翔东, 宋金水, 李燕平, 杨自凯

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 847-855.

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  为克服现有基于多陪集、调制宽带转化器等欠采样结构的谱分析器存在谱成分区分度差、欠采样通道数多、有效探测带宽窄的严重缺陷，提出基于全相位滤波器对半分解的互素欠采样谱分析器设计．首先，剖析了经典互素谱分析存在伪峰效应的原因．然后，具体提出基于最小尺寸的全相位滤波器对半分解的解析方法设计互素谱原型滤波器，并从中衍生出两路互素谱分析结构并行的谱分析器，从而提高了谱区分度；分析了两路并行互素谱输出的频点位置关系，通过对两路输出做交叉合并，生成双倍频谱分辨率的全景谱，既可消除伪峰，又无需增加欠采样通道数(即为最小值2)；在全景谱重构计算中，通过将上、下通道支路的互相关扫描代替现有欠采样谱分析的压缩感知求解计算，绕过了对信源带宽稀疏度的要求，从而不仅拓宽有效探测带宽，还获得了密集谱区分能力．最后分别以多子带的数字已调信号、线性调频信号为信号模型，对所提出的高区分度宽带谱分析器的谱估计效果进行验证．仿真结果表明，该谱分析器可以消除现有互素谱分析方法存在的伪峰效应，且可在总体欠采样率不足0.5倍调制宽带转化器欠采样率的条件下，可区分的谱成分数目提升至其2.5倍以上．在跨频段、超分辨率的欠采样频谱感知中具有广阔的应用前景．
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  透射矩阵引导的水下图像融合网络

  杨爱萍, 董晓雅, 邵明福, 方思捷, 张腾飞

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 856-866.

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  目前基于深度学习的融合类方法在水下图像增强领域展现出较大优势，但现有方法仍存在融合方式单一、融合特征缺乏优势互补性以及易忽略水下先验等问题．为此，本文提出一种基于透射矩阵引导的水下图像融合网络．该网络由多尺度特征提取模块、自适应对比度增强模块和透射矩阵引导的融合模块组成．多尺度特征提取模块通过提取三颜色空间特征，增强失真图像色彩；另外，该模块设计的多级级联方式可实现在多尺度特征复用的同时避免编码器端失真信息传输到解码器．自适应对比度增强模块通过对比度受限直方图均衡增强水下图像对比度，并基于通道注意力机制实现自适应对比度增强．透射矩阵引导的融合模块通过衡量输入特征和参考图像透射矩阵之间的距离，引导融合特征逼近参考图像．同时，本文设计了一种多级级联损失，实现更准确的特征增强．实验结果表明，所提算法通过合理引入先验，实现融合特征优势互补，可显著增强图像视觉质量，具有较强的泛化能力，在Test-R90数据集上测试取得峰值信噪比为19.37 dB，优于目前主流方法．
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  生物可吸收导电油墨分散剂优化及其应用

  李佳蒙, 张子航, 刘佳音, 黄显

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 867-876.

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  生物可降解电子器件具有减缓环境污染以及生物危害的巨大潜力．此前已开发的酸酐辅助室温烧结的锌纳米颗粒(ZnNPs)导电油墨，实现了室温下低能耗烧结．在这种烧结方法中，油墨体系中分散剂的种类与质量分数对于水分子的扩散以及水与酸酐的结合过程的进展有着显著影响．然而仍然存在油墨体系中分散剂的选择机制尚不清晰、油墨电导率数值有限的问题．针对这一问题，首先对比了聚乙二醇(PEO)、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸的水蒸气透过率及它们分别作为分散剂时的油墨电导率，进一步优化油墨体系中的聚合物选择，明确了PEO在体系中的独特优势；其次使用四探针测试仪、拉力试验机和3M-612胶带对含有不同相对分子质量和质量分数PEO的油墨分别进行了电导率测试、疲劳测试和剥离测试．实验结果表明，质量分数为2%、相对分子质量为70 000的PEO为该油墨体系的最佳分散剂参数选择，并将优化后的油墨电导率提升至87 650.81 S/m．此外，基于优化后的油墨和丝网印刷工艺在聚乙烯醇基底表面制备了多种生物可降解电子器件．其中，互连引线可以在圆心角为225°的弯曲状态下点亮发光二极管；应力传感器可以根据电阻值变化来识别手指的弯曲/伸展动作；加热器在1.25 W功率下200 s升温至54℃；最终器件可以在水中60 s内实现快速降解．这些器件展现了良好的电学性能、机械性能、电热响应特性及降解性能，满足大规模制造和电子工业实际应用的需求，对解决严峻的电子废弃物问题具有重要意义．
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  基于螺旋超材料的定向声传感装置的设计

  李想, 李健, 李昱霖, 赵云峰, 郑健峰, 黄新敬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(08): 877-889.

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  传统定向声传感装置往往依赖于内部电路设计或多传感器复杂算法的方式压制特定方向的环境噪声以提高信号信噪比，其具有较大的体积，并且很难改变指向特性，影响了在实际场景中的使用效果与普适性．基于螺旋超材料设计了一种可重配置的声学传感装置，通过超单元的精巧设计与超结构的应用赋予了单麦克风声学系统良好的定向传感和频率筛选特性．该装置采用单叶片螺旋超单元实现独特频率和方向响应特性．根据声路与等效介质转换理论，螺旋超材料具有周期性峰谷变化的频响特性．通过对螺距的调整，在基频和倍频频段内设计出具有特定频率特性的超单元，可控波长可达到自身长度的15倍．通过有限元仿真以及四传感器透射系数测量系统对超单元的频率透射特性进行了研究和测试，实验结果证明了其峰值频率响应与理论模型相一致．进一步，依据尺寸模型和多模型敏感角度分析，提出了一套超结构的设计方案与实现方法，并且具体制造了一种八角柱形超结构．分析了其中心测点处的声压变化与内外声压场，结果表明：在结构插槽内放入不同峰值频率的超单元，将改变整个超结构的敏感频率；重新排布超单元的排布顺序，将实现超结构指向性的重构．采用自动旋转实验平台对超结构的指向性进行验证，实验结果证明了超结构的定向传感性与仿真结果相一致，并能够通过单元分布的简单重配置实现不同的定向声传感装置．本文提出的设计方法为构建高信噪比的可调定向声采集设备提供了新的可借鉴思路．