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2024年  第46卷  第2期      刊出日期 2024-04-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
引力波探测器控制
  • 空间引力波探测无拖曳技术现状与趋势
  • 张锦绣,陶文舰,连晓斌,王继河,孟云鹤,刘源
  • 2024, 46 (2):1-17[摘要](2086)  [PDF  5369KB](1025) [HTML](250)
    航天器无拖曳控制是实现引力波空间探测科学平台超静超稳运行的核心关键技术之一。目前,国内外各研究机构对航天器系统的动力学与控制进行了深入研究,并针对不同的探测频段需求提出了不同的探测任务。根据探测任务进行了航天器编队设计与控制的详细介绍和分析,对涉及的无拖曳与姿态控制、高精度惯性传感器与执行机构等原理和理论方法进行了深入的剖析。针对现已开展的空间引力波探测无拖曳航天器在轨飞行的演示验证整体情况进行详述和分析。在此基础上,提出后续开展相关研究中亟待解决的关键问题,指出未来无拖曳航天器系统动力学与控制的研究热点和趋势。
  • 地心甚高轨道星座构形协同捕获控制策略
  • 孟云鹤,吕健康,罗宇飞
  • 2024, 46 (2):18-26[摘要](1659)  [PDF  1802KB](725) [HTML](237)
    针对地心甚高轨道星座构形协同捕获控制问题,基于虚拟编队方法设计了协同捕获控制策略,采用三脉冲燃耗最优轨迹规划算法对构形捕获轨迹进行协同规划;并且结合自适应全程积分滑模控制器对卫星各自转移轨迹进行跟踪控制。以10万km轨道高度的三星星座构形捕获为例进行仿真验证,仿真结果表明:该策略可以有效应用于地心甚高轨道星座构形捕获控制,能够在燃耗较少的情况下使星座中卫星同时到达各自的标称位置,同时具有较高的精度。
  • 利用径向力平衡飞行控制的航天器高精度轨道捕获方法
  • 孟云鹤,侯佳睿,罗宇飞
  • 2024, 46 (2):27-35[摘要](1701)  [PDF  1194KB](702) [HTML](231)
    为实现对探测器轨道形状与高度的精准调整,提出一种径向力平衡飞行的航天器连续推力控制新方法。建立连续推力平衡飞行的动力学极坐标模型,并推导出特殊条件下的解析轨道解,进一步分析边值条件,给出连续推力的控制律。利用这一平衡飞行控制理论,构建轨道捕获的最优控制策略。考虑推力器的推力水平,通过一次或多次的控制过程,实现对轨道形状、轨道高度及轨道相位的综合调整。数值仿真表明:利用平衡飞行的轨道控制方法,配置微小推力器的空间引力波探测器可以实现高精度的轨道捕获;该方法具有控制过程可解析、计算量小、简便、实用等特点。
  • 地心轨道引力波探测无拖曳系统平动控制策略
  • 郝立维,张锦绣,王继河,张谕,孙玥
  • 2024, 46 (2):36-48[摘要](1656)  [PDF  4317KB](709) [HTML](237)
    探讨了一种针对空间引力波探测任务的在轨无拖曳控制技术,基于未来可行的地心轨道探测任务背景进行分析设计,并对搭载两颗检验质量的在轨无拖曳系统进行航天器与质量块间相对运动动力学及耦合特性建模。同时,初步分析了任务中无拖曳系统指标和摄动,并设计了基于频域H最优控制理论的系统相对平动控制律。数值仿真结果表明,当双检验质量在轨无拖曳系统各检验质量按激光测距呼吸角排列时,采用无固定追踪点策略且在非敏感轴无悬浮控制输入的情况下,可以实现航天器对基准点的追踪,并满足系统频域性能指标的要求。同时,每颗检验质量的时域偏移量可以控制在微米级别,从而获得任务所需的纯引力基准。
航天工程
  • 激波/湍流边界层干扰中的自适应控制技术
  • 黄伟,吴瀚,钟翔宇,杜兆波,柳军
  • 2024, 46 (2):49-61[摘要](1733)  [PDF  11656KB](777) [HTML](239)
    从激波/湍流边界层干扰机理以及流动控制的迫切需求入手,从自适应涡流发生器、自适应鼓包、自适应微射流以及自适应次流循环四个方面对激波/湍流边界层干扰中的自适应控制技术研究进展进行了总结。分析认为,结合AI技术发展自适应流动控制技术,加速控制方式智能化,可作为新一代高超声速飞行器宽速域飞行的重要技术手段。具体来说,就是通过调节外加激励对高超声速飞行器不同区域实现局部流动加/减速、气动热防护、气动控制等功能,根据流场参数建立控制反馈回路,自适应调整局部流场结构,以满足工程实际需求。
  • 导弹命中精度的序贯截尾概率圆检验方法
  • 杨华波,张士峰
  • 2024, 46 (2):62-69[摘要](1660)  [PDF  1064KB](843) [HTML](232)
    针对圆概率偏差检验难以直接计算的问题,提出序贯截尾概率圆检验方法,以目标点为中心,绘制两个同心圆,其中小圆以内区域为接受域,大圆以外区域为拒绝域,中间区域为继续试验域,在此基础上定义了序贯检验的基本决策规则,给出了双方风险及平均试验次数计算模型,提出了两种不同的决策阈值优化计算模型,通过求解优化问题确定接受域及拒绝域半径。利用数值仿真分析了两种不同决策阈值计算方法下检验方案中的各类参数,其中以平均试验次数最小为优化目标的计算模型具有更好的工程实用性。
  • 稀薄气体动理论中介观尺度数值模拟的加速方法
  • 杨伟奇
  • 2024, 46 (2):70-78[摘要](1630)  [PDF  1191KB](681) [HTML](295)
    针对滑移流、早期过渡流区域采用离散速度法(discrete velocity method, DVM)求解Boltzmann方程收敛速度极慢、计算资源消耗大的难题,提出全流场耦合介观/宏观方程加速方法。在介观层面基于有限差分的DVM求解Boltzmann方程,在宏观层面基于有限体积的压力耦合方程组半隐式方法求解矩方程,充分利用纳维-斯托克斯-傅里叶/R26矩方程在低克努森数下的快速收敛特性,对介观方程进行加速。基于高阶Hermite多项式重构分布函数,完成宏观方程与介观方程之间的数据传输。仿真结果表明:全流场耦合介观/宏观方程的加速方法在滑移流、早期过渡流区域具有显著加速性能,最大降低了95.28%的计算时长;但对中、大克努森数流域,加速性能大幅度下降。
  • 高速飞行器间隙非线性机翼颤振的非线性能量阱抑制
  • 钮耀斌,王中伟,黄伟
  • 2024, 46 (2):79-85[摘要](1615)  [PDF  2770KB](689) [HTML](240)
    针对间隙非线性机翼颤振系统的亚临界问题,引入了非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)技术来提高系统发生极限环振荡的临界速度。建立了具有NES控制的间隙非线性机翼颤振系统动力学模型,并分析了质量比、频率比、阻尼比、相对位置等NES参数对颤振系统极限环振荡的抑制效果,以及NES参数对颤振系统极限环振荡临界速度的影响规律。结果表明,阻尼比越大,可以在越小的自振频率比情况下使系统进入稳定区,但需要更苛刻的NES位置要求,即越靠近机翼前缘;而阻尼比越小,则使颤振系统极限环振荡响应进入稳定区所需的NES质量越小。在NES位置靠近机翼前缘时,增大自振频率比会使极限环振荡抑制效果有明显的提升,而增大质量比可以显著提高极限环振荡的抑制效果和临界速度。此外,NES的阻尼比越小,其颤振系统的极限环振荡抑制效果越好。
  • 燃烧室前缘扩张角对旋转爆震冲压发动机的影响
  • 王光宇,刘卫东,刘世杰,彭皓阳,张海龙
  • 2024, 46 (2):86-93[摘要](1551)  [PDF  3097KB](689) [HTML](242)
    针对圆柱形隔离段-燃烧室构型的旋转爆震冲压发动机,开展了总温为860 K、马赫数为2的来流条件下的直连式试验,探讨了燃烧室前缘扩张角(θ=30°,45°,60°,90°)对爆震波传播特性、工况范围及压力分布的影响。结果表明:当燃烧室前缘扩张角为90°时,燃烧模态均为爆燃燃烧;随着扩张角的减小,燃烧模态将会向锯齿波和混合模态(包含单波阶段)转换。当燃烧室前缘扩张角为30°时,旋转爆震的自持工况范围最宽且燃烧室压力最高;同时,随着燃烧室前缘扩张角减小,实现混合模态的当量比下限降低。此外,分析了燃烧模态对来流的影响,发现:锯齿波/混合模态燃烧室内存在的周期性高频压力扰动会使隔离段内的激波串位置前移;混合模态对超声速来流的影响最为显著。
  • 导弹突防后弹道机动调整策略强化学习
  • 樊博璇,陈桂明,韩磊,李冰
  • 2024, 46 (2):94-103[摘要](1653)  [PDF  4570KB](759) [HTML](254)
    针对弹道导弹中段突防后飞行弹道与标准弹道产生较大偏离的弹道机动调整问题,建立了机动调整时机策略最优化模型。设计了机动调整逆序Q学习算法,采用Tile coding逼近器编码状态特征空间,并对其进行线性逼近。构建了Q学习算法与蒙特卡罗方法相结合的逆序更新策略机制,以对导弹机动调整最优时机进行训练。仿真测试分析结果表明,在给定场景参数下,通过10 000代强化学习算法训练得到的策略能够可靠地使用最少机动次数控制导弹突防后飞行弹道的调整决策,验证了方法的有效性。
  • 轻量级SpaceFibre节点高速传输系统的优化设计
  • 郑静雅,安军社
  • 2024, 46 (2):104-114[摘要](1549)  [PDF  12786KB](686) [HTML](231)
    为满足卫星有效载荷间SpaceFibre链路的高带宽、高可靠性和轻量化的应用需求,提出一种SpaceFibre节点传输系统的优化设计。该设计采用基于帧累计的增量化计算方法减少了计算电路的冗余;通过四级流水架构满足了错误检测操作的时序要求,使用循环冗余校验共享机制平衡了硬件资源的使用;采取基于完整应答的双层控制策略提升了系统的可靠性,通过构建面向资源优化的控制状态机和存储架构简化了确认重传算法的实现逻辑。使用型号为XC7Z100FFG900-2的FPGA搭建双节点系统,板级验证表明:该设计满足协议规范,与同类设计方案相比,最高工作频率提高1.5倍,支持最高6.25 Gbit/s的传输速率,查找表资源和存储资源降低,寄存器资源相近,为开发具有自主知识产权的高速可靠SpaceFibre编解码器提供了参考。
  • 火箭发动机故障检测的快速增量单分类支持向量机算法
  • 张万旋,张箭,卢哲,薛薇,张楠
  • 2024, 46 (2):115-122[摘要](1633)  [PDF  1119KB](651) [HTML](235)
    为解决液体火箭发动机故障诊断正负样本不平均问题,以及实现发动机稳态工作段自适应故障检测,建立了基于快速增量单分类支持向量机的异常检测模型。采取特征工程方法,对传感器获得的多变量时间序列进行特征提取。通过增量学习方法,对单分类支持向量机模型进行改进,并应用于液体火箭发动机异常检测,使单分类支持向量机检测模型具备对不同台次、不同工况的自适应性,提高了模型的计算速度。对多台次热试车数据的分析结果表明,该模型十分有效,训练速度快,具备实用价值。
信息与通信工程.机械工程
  • 深度视觉语音生成研究进展与展望
  • 刘丽,隋金坪,丁丁,赵凌君,匡纲要,盛常冲
  • 2024, 46 (2):123-138[摘要](1758)  [PDF  3911KB](841) [HTML](268)
    为了进一步推进深度学习技术驱动的视觉语音生成相关科学问题的研究进展,阐述了视觉语音生成的研究意义与基本定义,并深入剖析了该领域面临的难点与挑战;在此基础上,介绍了目前视觉语音生成研究的现状与发展水平,基于生成框架的区别对近期主流方法进行了梳理、归类和评述;最后探讨视觉语音生成研究潜在的问题和可能的研究方向。
  • 发射波束域MIMO-STAP雷达发射接收联合设计方法
  • 李志汇,潘继飞,周青松,毛云祥,刘方正,石树杰
  • 2024, 46 (2):139-145[摘要](1922)  [PDF  2262KB](791) [HTML](238)
    研究了信号相关杂波背景下机载多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达发射波束形成和接收滤波器的联合设计问题,建立了机载MIMO雷达发射波束域空时自适应处理(space-time adaptive processing, STAP)信号模型。为了提升杂波环境下目标的检测性能,通过最大化输出信干噪比构建了发射波束形成和接收滤波器的联合设计问题;然后,设计了一种新的基于优化最小化(majorization-minimization,MM)框架的迭代优化算法来解决联合设计问题。该算法通过合理寻找目标函数的下界可以有效提升算法的收敛速度并降低算法的运行时间。此外,与传统的相控阵雷达和MIMO雷达相比,优化后的发射波束形成和接收滤波器可以显著提升输出信干噪比,仿真实验验证了所提方法的有效性。
  • 22 nm全耗尽型绝缘体上硅器件单粒子瞬态效应的敏感区域
  • 张博翰,梁斌,刘小年,方亚豪
  • 2024, 46 (2):146-152[摘要](1623)  [PDF  2852KB](639) [HTML](254)
    基于3D-TCAD模拟,研究了22 nm全耗尽型绝缘体上硅(fully depleted silicon-on-insulator,FDSOI)器件单粒子瞬态(single-event transient,SET)效应的敏感性区域。对比了使用单管和使用反相器来研究器件SET敏感性区域的方法,从而分析实际电路中重离子轰击位置对22 nm FDSOI器件SET敏感性的影响,并从电荷收集机制的角度进行了解释。深入分析发现寄生双极放大效应对重粒子轰击位置敏感是造成器件不同区域SET敏感性不同的原因。而单管漏极接恒压源造成漏极敏感性增强是导致单管与反相器中器件SET敏感区域不同的原因。修正了FDSOI工艺下器件SET敏感性区域的研究方法,与单管相比,采用反相器进行仿真,结果更符合实际情况,这将为器件SET加固提供理论指导。
  • 跨音速流动中涡轮动叶叶顶的气膜冷却特性分析
  • 张博伦,夏军,胡其高,朱惠人
  • 2024, 46 (2):153-161[摘要](1557)  [PDF  6436KB](676) [HTML](231)
    为了掌握跨音速流动中涡轮动叶叶顶气膜冷却特性,采用压敏漆测试技术来研究叶顶间隙高度和质量流量比对叶顶气膜冷却特性的影响规律。研究结果表明:在小质量流量比条件下,增加叶顶间隙高度能够有效改善叶顶中弦区域的气膜覆盖,然而当质量流量较大时,叶顶间隙高度变化对叶顶中弦区域的气膜冷却效率分布影响并不明显;在小叶顶间隙高度条件下,随着质量流量比增加,叶顶中弦区域冷气覆盖效果逐渐变差,在大叶顶间隙高度条件下,仅当质量流量比从0.1%+0.05%增加到0.14%+0.07%时,叶顶中弦区域的冷气覆盖效果才有所改善。
  • 极端曝光图像的多尺度分解细节感知融合算法
  • 张俊超,黄俊彬,杨德贵,梁步阁,陈溅来,赵党军
  • 2024, 46 (2):162-173[摘要](1856)  [PDF  19527KB](669) [HTML](239)
    针对极端曝光(欠曝光和过曝光)图像动态范围低的问题,提出一种基于多尺度分解细节感知的图像融合算法。欠曝光图像经过细节增强后,与过曝光图像进行初步的粗融合;采用小波变换对细节增强后图像的亮度分量进行多尺度分解,并设计专门的高频和低频融合策略,实现亮度分量的精融合;将粗融合图像的色调、饱和度分量,与精融合图像的亮度分量重组,获得最终的融合结果。基于大量测试数据,实验结果表明所提方法在视觉效果方面表现优异,平均MEF-SSIM指标为0.985 4,平均SSIM指标为0.650 8,均优于现有主流算法。
  • 面向数字射频存储的雷达欺骗干扰检测方法
  • 张顺生,陈爽,王文钦
  • 2024, 46 (2):174-181[摘要](1547)  [PDF  3295KB](709) [HTML](240)
    基于数字射频存储(digital radio frequency memory,DRFM)技术的转发式欺骗干扰与真实雷达回波高度相干,这导致雷达难以分辨真假目标。针对该问题,提出一种基于Hough变换的DRFM欺骗干扰检测方法。建立基于线性调频的干扰信号模型,分析其谐波分量的频谱特性,采用短时傅里叶变换和二维恒虚警率检测器对干扰信号进行特征提取,并利用Hough变换完成欺骗干扰检测。所提方法是基于DRFM欺骗干扰本身的特征,不依赖于先验信息与应用场景,计算复杂度低,且在低信噪比条件下具有良好的检测性能。计算机仿真实验验证了方法的有效性。
计算机科学与技术.数学与系统科学
  • 导弹发射车抗毁伤能力分析与评估技术研究综述
  • 高钦和,黄通,钱秉文,沈飞,王冬,高蕾
  • 2024, 46 (2):182-196[摘要](1745)  [PDF  633KB](993) [HTML](273)
    现代战争日趋透明给导弹发射车战场生存带来了严峻挑战。围绕发射车的抗毁伤能力分析和评估技术,分析了发射车面临的毁伤威胁和毁伤作用机理,从抗毁伤能力评估应用的角度阐述了冲击波、动能、热和电磁四种毁伤类型的研究现状,提出了不同毁伤类型在抗毁伤能力分析和评估中的应用方向;基于易损性分析空间理论,总结了装备易损性分析的发展历程,认为从物理空间到性能空间的逻辑传递关系是现阶段发射车易损性分析的核心所在,并从物理判据、性能判据和分级标准介绍了易损性判据的研究动态,提出了发射车易损性判据的关键;明确阐述了发射车抗毁伤能力的研究概念和分析方法面临的主要问题,研究结论可以为导弹发射车抗毁伤能力分析和评估相关研究提供参考。
  • 辅助任务增强的中文跨域NL2SQL算法
  • 胡亚红,刘亚冬,朱正东,刘鹏杰
  • 2024, 46 (2):197-204[摘要](1569)  [PDF  953KB](672) [HTML](233)
    自然语言到结构化查询语言(natural language to structured query language,NL2SQL)任务旨在将自然语言询问转化为数据库可执行的结构化查询语言(structured query language,SQL) 语句。本文提出了一种辅助任务增强的中文跨域 NL2SQL 算法,其核心思想是通过在解码阶段添加辅助任务以结合原始模型来进行多任务训练,提升模型的准确率。辅助任务的设计是通过将数据库模式建模成图,预测自然语言询问与数据库模式图中的节点的依赖关系,显式地建模自然语言询问和数据库模式之间的依赖关系。针对特定的自然语言询问,通过辅助任务的提升,模型能够更好地识别数据库模式中哪些表/列对预测目标 SQL 更有效。在中文 NL2SQL 数据集 DuSQL 上的实验结果表明,添加辅助任务后的算法相对于原始模型取得了更好的效果,能够更好地处理跨域 NL2SQL 任务。
  • 数据与知识双驱动的备件需求模糊预测模型
  • 王小巍,陈砚桥,金家善,魏曙寰
  • 2024, 46 (2):205-214[摘要](1605)  [PDF  1119KB](790) [HTML](234)
    针对知识驱动型需求预测模型所需的专家知识稀缺、数据驱动型需求预测模型可解释性不足的问题,提出了数据与知识双驱动的备件需求模糊预测模型。该模型基于模糊聚类算法将数值型数据聚类为结构简单、可解释性强的规则库,运用模糊逻辑将领域专家知识表示为Mamdani型规则库。在此基础上,引入了一种新型智能计算理论——模糊网络理论对两类规则库进行合并运算,形成初始预测模型。采用遗传算法优化模型规则库的模糊集参数来提高模型预测准确性。通过与模糊聚类算法进行对比,提出的模型在可解释性以及准确性指标上均具有优势。
  • Linux虚拟文件系统层的路径检索加速
  • 邹彦良,殷树
  • 2024, 46 (2):215-223[摘要](1654)  [PDF  1415KB](707) [HTML](237)
    为解决 Linux 内核传统路径检索日益凸显的开销问题,提出Staged Lookup以加速路径检索,通过动态缓存热目录来减少文件访问的时延。Staged Lookup的核心在于缓存频繁使用的目录项,从而避免从根节点重复遍历路径。不同于从根结点开始的检索操作, Staged Lookup扩展了搜索策略,允许从最近缓存的目录项向后或向前进行路径检索。在Linux内核版本3.14和5.4上部署Staged Lookup的原型,并开展实际系统测试。实验数据显示,相比于传统的路径检索方式,Staged Lookup能实现高达46.9%的性能提升。
  • 金字塔渐进融合低照度图像增强网络
  • 余映,徐超越,李淼,何鹏浩,杨昊
  • 2024, 46 (2):224-237[摘要](1584)  [PDF  34275KB](664) [HTML](234)
    针对现有低照度图像增强网络对不同尺度特征信息存在感知与表达能力不足的问题,提出金字塔渐进融合低照度图像增强网络模型。网络对图像进行多次下采样操作以组成特征金字塔,通过在特征金字塔的三个不同分支上加入跳跃连接,将不同尺度的特征图进行相互融合。通过精细恢复模块进一步提取精炼信息,将特征图恢复到正常的光照图像。结果表明,该网络模型不但能有效地提升低照度图像的整体亮度,而且能很好地保持图像中的细节信息和清晰的物体边缘轮廓,同时能够有效地抑制图像中的暗部噪声,使增强后的图像整体画面真实自然。
  • 加权核范数最小化和改进小波阈值函数的图像去噪算法
  • 郭昕刚,许连杰,程超,霍金花
  • 2024, 46 (2):238-246[摘要](1626)  [PDF  6135KB](691) [HTML](233)
    针对加权核范数最小化算法存在结构残余噪声以及无法较好地保持图像边缘结构的问题,提出基于加权核范数最小化和改进小波阈值函数的图像去噪算法。利用全变分模型对噪声图像进行初步去噪,使用噪声图像与初步去噪后的图像进行差分运算,对差分后得到的噪声残差图像使用改进的小波阈值函数去噪,将小波去噪后的残差图像与初步去噪图像叠加,将叠加后的图像使用基于残余噪声水平迭代的加权核范数最小化算法进行二次去噪。相较于当下主流去噪算法,经该算法处理后的图像的PSNR和SSIM值均有所提升,能够更好地保持图像的纹理结构,且在高噪声环境下效果更佳。
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