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2020年  第42卷  第1期      刊出日期 2020-02-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
专题:脉冲功率激光
  • 超连续谱激光光源研究进展
  • 杨未强,宋锐,韩凯,侯静
  • 2020, 42 (1):1-9[摘要](239)  [PDF  1600KB](167)
    高非线性光纤制造技术的成熟和光纤激光器性能的提升,极大地促进了超连续谱光源的快速发展,以光纤为非线性介质的超连续谱的产生成为当前研究热点。从可见光、近红外和中红外3个不同波段,综述了超连续谱产生的技术方案与最新进展。当前,可见光和近红外波段的超连续谱光源输出功率已经突破百瓦量级,并出现了多芯光子晶体光纤、光纤放大器和随机光纤激光器产生超连续谱等众多新方案;以氟化物光纤和亚碲酸盐光纤为非线性介质的中红外超连续谱,输出功率也突破了十瓦量级;在光谱拓展方面,以硫系光纤为非线性介质的超连续谱,输出光谱已扩展到12 μm以上。
  • 等离子体与高功率微波相互作用中电子分布特性
  • 李志刚,陈宗胜
  • 2020, 42 (1):10-17[摘要](175)  [PDF  2096KB](131)
    电子数密度是表征等离子体物理特性的一项重要因素,在等离子体与高功率微波的相互作用中,等离子体对入射电磁波的吸收、衰减和屏蔽等电磁特性可通过电子数密度的变化进行表征。基于等离子体流体近似研究方法,利用COMSOL软件求解等离子体中的波动方程、电子传递方程和重粒子传递方程,计算分析了等离子体与高功率微波相互作用中的电子分布特性,重点分析了相互作用中平均电子数密度和平均电子能的数值和空间分布变化过程。研究表明,在高功率微波作用下,等离子体区域电子数密度在数值上会产生剧烈的阶跃变化,形成雪崩效应,在空间分布上电子数密度峰值产生趋于入射方向移动的变化;电子能的变化与入射波激励和电子数密度相关,随入射激励增加呈增长趋势,随电子数密度的增加而减小。
  • 开口金属腔体对强电磁脉冲的耦合效应
  • 陈宗胜,李志刚
  • 2020, 42 (1):18-23[摘要](153)  [PDF  995KB](119)
    为了评价腔体开口因素对核电磁脉冲(High-amplitude ElectroMagnetic Pulse, HEMP)和高功率微波(High Power Microwave, HPM)破坏效能的影响,采用CST电磁计算软件建立强电磁脉冲的孔缝耦合模型,研究孔缝的位置、大小以及长宽比对HEMP和HPM耦合效应的影响。结果表明,孔缝的位置、大小及长宽比对HEMP的耦合效应影响较大,合理控制孔缝的位置、大小以及长宽比能在一定程度上削弱HEMP的破坏效能。对于HPM,相同条件下其耦合效应要明显强于HEMP。在孔缝达到一定尺寸后,其大小和长宽比对HPM的耦合效应影响较小,仅孔缝位置会带来较大的影响。当开口平面与HPM入射方向平行时,耦合效应最弱,但此时耦合进入腔体内的能量还是很容易达到多种电子元器件的电磁损伤阈值级别。
  • 目标区域局部特征和局部图像质量相结合的激光干扰效果评估
  • 孙可,叶庆,孙晓泉
  • 2020, 42 (1):24-30[摘要](145)  [PDF  1509KB](147)
    为客观描述光电成像系统激光干扰效果,提出目标区域局部特征和图像质量相结合的干扰效果评估算法。图像的局部特征用特征点描述,图像质量用结构相似度指数描述。该算法利用特征点匹配算法确定场景图像中的目标区域,计算干扰前后目标区域内特征点数量的变化、干扰后目标区域内未饱和面积所占的比重以及目标区域内图像的结构相似度指数,并将上述各参数相乘得到最终的评价指标。利用该方法对典型激光干扰图像进行评估,结果表明:在不同入射功率和不同光斑位置情况下,所提评估指标比单独使用结构相似度的评估指标具有更大的取值范围和更明显的非线性变化特征。这说明:该指标能够反映光电成像系统激光干扰过程的丰富细节,更加适合激光干扰效果的评估。
  • 大气湍流引起的相位起伏对相干态量子雷达相位估计的影响
  • 陶志炜,王书,任益充,饶瑞中
  • 2020, 42 (1):31-37[摘要](159)  [PDF  1250KB](122)
    基于马赫曾德干涉仪模型并采用相位扩散主方程描述大气相位起伏效应对量子雷达的影响,给出了光场在相位扩散通道的演化过程,详细分析了大气相位起伏对相干态宇称探测量子雷达相位估计分辨率和最佳灵敏度的影响,并计算了大气相位起伏下相位估计灵敏度的Cramer-Rao极限。研究发现:相位起伏对于分辨率的影响可通过增加单个脉冲平均光子数来消除。在强相位起伏情况下,宇称探测得到最佳灵敏度会严重偏离散粒噪声极限,但是在弱相位起伏情况下,通过与Cramer-Rao极限的对比,发现宇称探测是一种准最佳探测方案。
  • 脉冲功率电源故障诊断方法研究
  • 熊诗成
  • 2020, 42 (1):38-44[摘要](119)  [PDF  824KB](110)
    脉冲功率电源是电磁发射系统中最容易发生故障的薄弱环节,脉冲功率电源故障会使整个系统性能下降。针对脉冲功率电源故障,提出基于多层小波分析提取故障信息的模式搜索支持向量机故障诊断方法。通过建立脉冲功率电源的软故障模型,进行仿真分析获得电流故障数据样本,对故障样本进行离散小波分解,获得指定层细节信息的小波系数作为故障特征量;对故障特征量进行主成分分析,将小波系数进行降维,以便有效地进行故障诊断。通过实验,将所提方法故障诊断结果与其他三种故障诊断结果进行比较,验证了所提方法的有效性。
  • 温度对半导体激光器退化的影响
  • 杨鹏,胡业荣,王贵山
  • 2020, 42 (1):45-50[摘要](159)  [PDF  953KB](123)
    采取等效电路模型仿真和加速退化试验相结合的方法研究温度对半导体激光器不同退化模式的影响规律。针对半导体激光器有源区退化和腔面退化进行分析,发现有源区退化会使半导体激光器阈值电流增大,而腔面退化会使半导体激光器斜率效率减小;进行了半导体激光器热特性建模与仿真,发现温度升高会使半导体激光器阈值电流增大;利用半导体激光器加速退化试验平台进行了半导体激光器加速退化试验。仿真与试验结果证明:温度升高会加剧半导体激光器腔面退化,而对有源区退化无显著影响。上述结论对进一步完善半导体激光器温度-退化仿真模型,研究温度对半导体激光器退化的作用机理和防护措施有积极作用。
航天工程·控制科学与工程
  • 离子推力器栅极组件热态间距测量系统研制
  • 袁杰红,梁栋,周仕明,肖势杰,李兴坤,杨俊泰
  • 2020, 42 (1):51-58[摘要](232)  [PDF  1401KB](129)
    为了完成LIPS-300离子推力器三栅极组件在真空、高温环境中微小热态间距的高精度测量,设计了一套使用远距显微镜的非接触摄像测量系统。基于拍摄的图像,运用交互式分区方法获得多个圆形合作标志稳定、清晰的边缘,利用合作标志和标定片完成图像放大系数标定、图像畸变校正以及栅极热态间距亚像素级测量。精度验证实验表明, 本系统在非加热情况下测量精度优于6 μm,在加热情况下测量精度优于12 μm。大气环境下的加热实验结果显示屏栅和加速栅温度差越大,栅极热态间距的减小量越大,当温差最大为150 ℃时热态间距减少量达到最大,即420 μm。同时,由于安装环的热变形影响,栅极在热稳态时热变形量下降、在冷却期时产生负位移现象,测量结果与国外同类实验趋势一致。系统满足栅极组件热态间距测量的需求。
  • 融合初值校准与二阶逼近的单星测频定位算法
  • 张金艺,王彬,秦奋,朱浤涛
  • 2020, 42 (1):59-65[摘要](157)  [PDF  659KB](95)
    为减小单星测频定位的误差,提出一种融合初值校准与二阶逼近的单星测频定位算法。该算法在卫星接收信号多普勒频移为零的时间点,通过测距获得卫星到定位目标的距离信息,利用距离信息修正轨道平面与定位目标的几何关系,为初值的选取提供校准手段;将校准的初值代入含二阶级数的定位方程泰勒展开式,通过较少次数的迭代得到定位目标的真实位置,从而降低定位的算法复杂度,提高定位精度。仿真结果表明,所提出的算法与多普勒单星定位算法相比,迭代次数和定位误差大幅度减小,其实现简单、计算量少、误差小,在单星定位研究领域具有较高的理论价值和实用价值。
  • 考虑禁飞区的高超声速飞行器再入跟踪控制
  • 宫梓丰,刘刚,宋睿,吴玉彬,蔡光斌
  • 2020, 42 (1):66-72[摘要](162)  [PDF  1165KB](119)
    为确立高超声速飞行器再入精确模型,参考NASA的研究数据对动力学方程中的气动参数进行拟合。基于飞行器结构的相关性质及战略应用背景,加入热流密度、动压、过载和禁飞区等参考约束的限制,融合成强非线性、复杂耦合的最优控制问题。采用改进自适应伪谱法求解模型所构建的微分方程组,通过设置自适应网格细化与配点,使单位时间内状态变量和控制变量波动过大的时间区间被进一步细划,并利用SNOPT求解器解算出符合条件的最优轨迹。设计闭环控制器,实现对最优轨迹的姿态变化的跟踪,测试系统的性能并进行评估。仿真结果表明:整个再入过程中,飞行器速度下降过程偏于平稳,再入轨迹可以满足约束条件,在避开禁飞区的同时取得最大横向航程;三通道角速度收敛可控,对姿态的跟踪较理想,控制器基本可以实现精确调姿。
  • 高超声速飞行器保预设性能的反演控制方法
  • 李小兵,赵思源,卜祥伟,何阳光
  • 2020, 42 (1):73-83[摘要](147)  [PDF  1402KB](121)
    为了解决高超声速飞行器纵向运动模型的稳定轨迹控制问题,设计了一种在非仿射模型基础上保证预设性能的反演控制方法。对于速度子系统,直接设计非仿射控制律,保证预设性能,通过合理的变换将高度子系统转化为严格的反馈形式,便于反演控制步骤的设计。基于动态性能和稳态精度,设计了预设性能函数,将跟踪误差的稳定性限制在预设范围内,引入指令滤波器,有效克服了传统反演控制中虚拟信号重复推导的问题。控制器的设计不依赖于精确的模型。引入径向基函数来逼近过程中的未知函数,使得控制律具有令人满意的鲁棒性和实用性。基于李雅普诺夫稳定性理论,证明了所有闭环系统的稳定性。仿真结果表明,该控制器能够稳定地跟踪参考信号。
  • 滑翔飞行器多目标弹道优化的进化-配点混合求解策略
  • 丰志伟,江增荣,张青斌,葛健全,黄浩
  • 2020, 42 (1):84-90[摘要](127)  [PDF  1037KB](112)
    针对高超声速滑翔飞行器弹道多目标优化问题,综合考虑计算效率和精度,结合分解进化算法与配点法提出一种混合求解策略。根据滑翔飞行器动力学模型和弹道设计中需要考虑的约束条件,建立飞行器多目标弹道优化模型。利用控制量离散化方法将多目标弹道优化问题转化为带约束的多目标参数优化问题,并采用罚函数法处理约束条件,随后利用分解多目标进化算法进行求解。为了提高弹道优化的精度,将椭球聚合法与配点法相结合,以多目标进化算法得到的Pareto解作为初始解进行迭代求解。通过典型的复杂约束多目标弹道优化的算例表明,所提出的混合求解策略能够获得满足复杂约束要求的Pareto最优解集,实现有效的多目标弹道优化。
  • 非奇异快速终端滑模及动态面控制的轨迹跟踪制导律
  • 陈琦,王旭刚
  • 2020, 42 (1):91-100[摘要](124)  [PDF  965KB](125)
    针对飞行器跟踪预设轨迹的问题,提出非奇异快速终端滑模和角度约束的轨迹跟踪制导律。通过引入虚拟目标点,提出参考轨迹曲率半径的期望视线角约束条件,建立带有视线角约束并考虑自动驾驶仪动态特性的轨迹跟踪数学模型。为了保证在有限时间内跟踪预设轨迹并避免出现奇异问题,采用快速非奇异终端滑模和动态面控制方法进行制导律设计。推导出视线角误差和轨迹跟踪误差之间的数学关系,并利用Lyapunov稳定性准则证明轨迹跟踪误差最终有界任意小。与弹道成型轨迹跟踪制导律进行仿真对比,仿真结果表明所提出的制导律具有良好的跟踪性能及鲁棒性。
  • 高原环境对弹丸动态稳定性的影响
  • 马国梁,张海洋,蔡红明,常思江
  • 2020, 42 (1):101-107[摘要](125)  [PDF  564KB](128)
    分析了高原环境低空气密度对弹丸动态稳定性的影响。给出了弹道坐标系中的力方程组和非滚转弹体坐标系中的力矩方程组,并通过线性化方法得到弹丸角运动的状态空间模型。列出了角运动状态矩阵的四个特征根,并利用复数平方根计算方法得到特征根实部的表达式。提出弹丸动态稳定性稳定因子的新定义,并证明新的动态稳定条件与传统的动态稳定条件是一致的。讨论了低空气密度对尾翼稳定弹和旋转稳定弹动态稳定性的影响,并通过仿真说明弹丸在高原条件和平原条件下的动态稳定性存在差异。
  • 高焓CO2气流壁面两步催化机制对非平衡气动加热影响的数值模拟
  • 杨肖峰,桂业伟,邱波,杜雁霞,肖光明
  • 2020, 42 (1):108-116[摘要](129)  [PDF  1000KB](109)
    针对高超声速火星进入飞行遇到的壁面CO2催化机制特殊且对气动加热影响复杂的问题,基于化学反应系统的三维可压缩流动求解器,建立壁面吸附、Eley-Rideal结合速率受控的壁面CO2两步催化模型。基于70°球锥布局的高焓风洞实验,进行考虑壁面催化效应的高超声速非平衡气动加热数值模拟,开展考虑CO+O(s)和O+CO(s)两类CO2两步催化路径对非平衡气动加热的影响研究。研究表明,壁面O2和CO2结合并存且存在相互竞争关系,催化加热量随催化效率增大而单调增加。数值计算建立了催化路径与非平衡加热水平的定量关联,研究发现CO2两类催化路径权重与加热量存在非单调关联,特定权重下两种路径联合作用的热流高于单个催化结果。相关研究对碳氧气体主导的壁面催化机理和火星进入气动加热的精细化预测有重要的理论指导意义。
  • 基于不完全测量数据的飞行器轨迹参数估计
  • 李冬,刘学
  • 2020, 42 (1):117-124[摘要](127)  [PDF  923KB](108)
    提出基于稀疏优化的轨迹参数估计新方法,通过降低参数空间的维数改善模型的病态性。利用B样条函数实现轨迹参数的稀疏表示,根据轨迹参数与测量数据的关系建立估计轨迹参数的稀疏表示寻优模型,采用高斯牛顿法获得模型的解。寻优模型中待估参数的数量取决于样条节点数,利用样条函数的高阶导数在节点处的不连续性建立了选取样条节点的稀疏优化模型,采用凸优化方法求解该模型,实现样条节点数的最小化。仿真结果表明,稀疏优化方法能够大幅度提高不完全测量段落轨迹参数的估计精度。
  • Volterra级数模型的非线性压缩测量辨识算法
  • 邱棚,姚旭日,李鸣谦,翟光杰
  • 2020, 42 (1):125-132[摘要](125)  [PDF  1211KB](101)
    针对非线性系统的辨识问题,提出了非线性压缩测量辨识算法,且推导出了一种符合压缩感知测量准则的测量模型。相比递归最小二乘法,该方法极大地减少了所需的测量数,使得高阶Volterra级数辨识成为可能。此外,还分析了实际应用中的各项因素对辨识准确性的影响,如信号稀疏度、测量噪声、测量矩阵形式等。
信息与通信工程·物理学·计算机科学与技术
  • 次级通道估计误差对Fx-Newton算法的影响
  • 张能,何琳,李彦,王迎春
  • 2020, 42 (1):133-138[摘要](106)  [PDF  639KB](97)
    Fx-Newton算法在执行过程中需要估计次级通道模型,针对主被动隔振工程应用中次级通道估计存在误差的问题,假设输入信号为正弦信号,建立含次级通道估计误差的Fx-Newton算法结构模型,推导了Fx-Newton算法的稳定性条件,并就相位误差和幅值误差对Fx-Newton算法稳定性和收敛性的影响做了详细阐述。最后对两自由度主被动隔振模型开展仿真研究,验证了理论分析结果。
  • 共址调频和调幅系统干扰机理及干扰抑制需求分析
  • 赵奎,王青,孟进,唐健,张磊
  • 2020, 42 (1):139-144[摘要](101)  [PDF  1218KB](99)
    以调幅和调频电台为研究对象,对共平台接收电台前端低噪声放大器的非线性进行精确建模,分别对调幅电台和调频电台的干扰抑制需求进行解析,并通过数值仿真对解析模型进行验证。结果表明:所提解析模型较现有模型更为准确;当有用信号功率、噪声功率和干扰功率相同时,调幅通信系统的干扰抑制需求高于调频通信系统。
  • 新型多相结构MWC宽带数字接收机设计
  • 陈涛,蔡兴鹏,潘大鹏
  • 2020, 42 (1):145-149[摘要](94)  [PDF  645KB](89)
    提出一种基于多相调制宽带转换器结构的新型压缩采样数字接收机,可对宽带中频信号进行截获。新型接收机结构包括:串并转换、并行相乘、多相滤波三个模块。在用相同乘法器资源的条件下,新型接收机结构的整体数据速率远低于现有的调制宽带转换器结构,并且通过仿真验证了其正确性。该新型结构为调制宽带转换器离散压缩采样数字接收机在现场可编程门阵列上的物理实现奠定了基础,使整个接收机结构更具有实际工程应用价值。
  • 应变天平测量电路退化及失效检测技术
  • 王南天,许晓斌,马晓宇,王雄,童帅
  • 2020, 42 (1):150-155[摘要](88)  [PDF  900KB](82)
    针对振动、温度应力等引起的风洞应变天平检测电路(惠斯登电桥)的退化或失效,提出一种检测方法。基于不同时刻在电桥不同节点施加激励并测量其响应,通过理论计算实现电桥的参数解析,基于聚类实现失效检测。研制了原理样机,并开展实验研究,实验结果表明该方法有效,可以实现电桥的失效检测,电桥电阻的测量精度可以达到0.2‰以上。基于该方法设计的样机,可以实现应变天平检测电路的退化及失效的自动检测,节省故障诊断时间,提高风洞试验的可用时间。
  • 基于旋转点电荷模型的舰船腐蚀电场
  • 嵇斗,张建春,王向军
  • 2020, 42 (1):156-161[摘要](94)  [PDF  1211KB](84)
    为了找出轴频电场无法彻底消除及实际测量中静电场产生波动曲线问题的原因,基于旋转点电荷的建模方法对舰船腐蚀电场进行研究。利用汉克尔变换对点电荷在三层介质中产生的电场进行近似求解,得出一定转速下感应电场随时间、螺旋桨半径及水面距离变化的规律曲线图,并通过实验验证了理论结果的正确性。结果表明:螺旋桨旋转产生的感应电场是构成舰船腐蚀电场的一部分,一定转速下的感应电场频率与螺旋桨转动频率一致,并会随着螺旋桨半径及与水面距离的增加而减小。
  • 金属靶体材料动力硬度测试及动态阻力分析
  • 刘闯,张先锋,黄长强,丁力,陈海华,王季鹏
  • 2020, 42 (1):162-169[摘要](102)  [PDF  1241KB](105)
    以高速侵彻下45钢靶体侵彻阻力为研究对象,开展了弹体高速侵彻45钢靶体试验,获取了典型弹体对45钢靶体的成坑参数。基于高速侵彻阻力模型对靶体侵彻阻力及影响因素进行分析。结合流体动力学侵彻模型对不同弹体材料侵彻45钢靶体侵彻深度规律进行研究。研究结果表明:随着撞击速度的增大,45钢的靶体阻力从5.13 GPa减小到3.7 GPa;基于材料动力硬度测试方法的靶体动态阻力测试结果和理论计算结果吻合较好;随着靶体动态屈服强度的增大,靶体阻力呈线性增大的趋势;侵彻深度及靶体动态阻力理论计算结果和试验数据吻合较好,说明所提动态阻力确定方法可行,可为高速侵彻动力学研究提供参考。
  • 海洋环境监测平行系统优化融合
  • 苏振东,杨瑞平,王飞跃
  • 2020, 42 (1):170-175[摘要](100)  [PDF  608KB](117)
    多个海洋环境监测系统之间存在的功能冗余导致资源浪费和不必要的资金投入,因此应将各个系统优化融合成有机整体来节约海洋环境监测的资源和成本。将海洋环境监测系统按照功能划分为不同的模块,在线性规划融合的基础上引入熵方法,以成本和效能指标为主要对象,通过合理分配,在确保系统优化融合后监测能力不降低的同时,尽量减少建设成本。
  • 具有坐标耦合和处理时滞的二阶离散多智能体系统的一致性
  • 聂芬,段晓君,刘易成
  • 2020, 42 (1):176-186[摘要](109)  [PDF  2055KB](118)
    根据系统的拓扑结构、离散步长和旋转矩阵的旋转角,确定系统的渐近行为,给出多智能体系统达成二阶一致性的充要条件。证明了当0是拉普拉斯矩阵的一个简单特征值且离散步长、旋转角小于由代数方程确定的临界值时,会出现渐近一致性。数值模拟结果证明理论结果的正确性。设计了特征参数影响二阶一致性的相关案例,说明特征参数相关结论可为控制理论的一致收敛分析提供重要判据和理论支撑。
  • 对象边框标注数据的弱监督图像语义分割
  • 徐树奎,周浩
  • 2020, 42 (1):187-193[摘要](111)  [PDF  1142KB](102)
    针对图像语义分割应用中像素级标注数据费时昂贵的问题,主要研究以对象边框标注数据为代表的弱监督模型下的图像语义分割方法。使用基于金字塔的密集采样全卷积网络提取图像的像素级特征,并用GrabCut算法转化对弱监督数据进行数据标记,通过将图像特征和标记数据进行联合训练,构建了基于金字塔密集采样全卷积网络的对象边框标注弱监督图像语义分割模型,并在公开数据集上进行了验证。实验结果表明,所构建的弱监督模型与DET3-Proposed模型、全矩形转化模型以及Bbox-Seg模型相比,达到了更好的分割效果。
  • 基于强化学习的鱼群自组织行为模拟
  • 杨慧慧,黄万荣,敖富江
  • 2020, 42 (1):194-202[摘要](164)  [PDF  1154KB](135)
    自组织行为广泛存在于自然界中。为了通过学习的方式模拟鱼群自组织行为,构建了鱼群模拟环境模型、智能体模型和奖励机制,并提出了一种基于赫布迹和行动者-评价者框架的多智能体强化学习方法。该方法利用赫布迹加强游动策略的学习记忆能力,基于同构思想实现了多智能体的分布式学习。仿真结果表明,该方法能够适用于领航跟随、自主漫游、群体导航等场景中鱼群自组织行为学习,并且基于学习方法模拟的鱼群展现的行为特性与基于博德规则计算模拟的鱼群行为类似。
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