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2020年  第42卷  第3期      刊出日期 2020-06-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
计算机科学与技术
  • GSVM:一种支持Gather/Scatter的向量存储器
  • 陈海燕,刘胜,吴健虢
  • 2020, 42 (3):1-8[摘要](305)  [PDF  5800KB](292)
    宽单指令多数据流(Single Instruction Multiple Data, SIMD)架构数字信号处理器一般都能高效支持地址连续或等距跨步等规则应用的向量访存,但对于科学与工程计算中广泛存在的不规则应用的数据访存则带宽利用率往往较低,从而大幅降低了其整体运算能效。为了提高不规则应用的向量访存性能,基于某SIMD 数字信号处理器的体系结构,设计了一种支持Gather/Scatter访存的向量存储器GSVM。通过设计与SIMD宽度相匹配的向量地址计算单元和合适深度的冲突缓冲器阵列,实现了Gather/Scatter指令向量地址计算、仲裁与缓存的全流水访存操作。实验结果表明,相比以前不支持Gather/Scatter访存的存储器,GSVM在增加22%的硬件代价基础上,基于稀疏矩阵向量乘的测试程序集获得了2~8的性能加速比。
  • 基于新型非易失内存的远程零拷贝文件系统
  • 韩文炳,陈小刚,李顺芬,李大刚,陈诗雁,段有康,宋志棠
  • 2020, 42 (3):9-16[摘要](246)  [PDF  5942KB](248)
    为提升物联网与边缘计算应用中前端节点间的数据访问效率,提出了一种新型远程零拷贝文件系统。该文件系统无须借助特殊硬件,可直接基于通用网卡设备实现零拷贝的数据传输框架;充分利用新型非易失内存的随机访问特性,尽可能减少数据缓存和拷贝,提高数据访问的吞吐量。建立缓冲区池,精简并融合传统网络栈和存储栈,从而缩短文件访问路径,减少软件冗余,降低数据访问延迟。最终提供高带宽、低延迟的远程数据访问性能。测试结果表明,远程零拷贝文件系统比传统网络文件系统减少了42.26%~99.19%的读写延迟,细粒度访问下的吞吐量最高可提升1297倍,显著降低了处理器开销和缓存失效次数。
  • 130 nm加固SOI工艺的抗辐射控制芯片设计
  • 常永伟,余超,刘海静,王正,董业民
  • 2020, 42 (3):17-21[摘要](247)  [PDF  3585KB](243)
    针对航天电子系统控制模块对集成电路的抗辐射需求,在130 nm部分耗尽绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)工艺平台上设计了一款基于比例、积分、微分控制算法的控制芯片,并分别从晶圆材料、制备工艺、版图设计的角度对芯片进行了总剂量辐射加固。流片测试结果表明,芯片的调节精度达到了5×10-12,与进口抗辐射现场可编程门阵列水平相当;在长时间频率稳定度方面,芯片优于国外抗辐射现场可编程门阵列。对芯片进行的模拟辐照试验表明,芯片在300 krad(Si)的总剂量辐照条件下依然可以正常工作。
  • 多模块ROP碎片化自动布局方法
  • 黄宁,黄曙光,潘祖烈,常超
  • 2020, 42 (3):22-29[摘要](245)  [PDF  5042KB](256)
    返回导向式编程(Return Oriented Programming, ROP)是一种可有效绕过数据执行保护机制的技术。ROP通过搜索内存代码区中合适的汇编指令片段,可组成一段执行特定功能的程序。已有的ROP自动构造技术只考虑ROP链的功能实现,而忽视了ROP链布局对程序内存可控性的要求,导致自动生成的ROP链实用性低。为解决该问题,提出了一种基于符号执行的多模块ROP碎片化自动布局方法。该方法在ROP自动构造Q框架的基础上,以模块为单位对ROP链进行切片;使用符号执行工具S2E,对控制流劫持状态下的程序内存状态进行动态分析;为各ROP模块匹配相应的可控内存区域,构造碎片化布局的ROP链。实验证明,相比已有技术,该方法生成的ROP链有效降低了对程序内存可控性的要求。
  • 求解不确定型车辆路径问题的弱鲁棒优化方法
  • 孙亮,王冰,郭栋,徐艺
  • 2020, 42 (3):30-38[摘要](275)  [PDF  5974KB](266)
    为降低鲁棒优化模型最优解的保守性,以最小化违约车辆数和总惩罚成本为目标,建立针对旅行时间不确定的开放式车辆路径问题的弱鲁棒优化模型。对于不确定数据集的每个取值,该模型的最优解可以使其目标函数值始终不超过某数值,进而改善最优解的保守性。为提高启发式算法发现最优解的概率,提出一种自设计遗传算法对模型进行求解,其主要思想是利用粒子群算法搜索出可使遗传算法预期产生最好解的算法要素,并将其进行组合,从而产生新的遗传算法。采用新产生的遗传算法对模型继续求解,输出最好解。计算结果表明:与以往的鲁棒优化方法相比,弱鲁棒优化方法的最优解的保守性显著降低。
航天工程
  • 天海一体化水下重力辅助导航研究进展
  • 郑伟,李钊伟,吴凡
  • 2020, 42 (3):39-49[摘要](270)  [PDF  6290KB](277)
    水下航行器精确导航在海洋利用和开发过程中发挥了重要作用。关于抑制水下导航误差随时间累积的问题,进行了详细阐述和分析:简述了惯性器件的发展历程;详细对比了各导航系统的优劣性,着重介绍了国内外重力辅助导航研究现状,分析了针对目前水下航行器高精度导航的需求,以及全球海洋重力基准图空间分辨率不足的科学难题;提出了通过GNSS-R测高星座获得高空间分辨率和高精度全球海洋重力基准图的思路及技术路线,以期提高水下重力辅助导航精度。
  • 通道失配对GNSS阵列抗干扰性能的影响分析
  • 陈飞强,鲁祖坤,陈雷,李峥嵘,孙广富
  • 2020, 42 (3):50-55[摘要](245)  [PDF  4393KB](261)
    卫星导航接收机极易受到电磁干扰的影响,基于阵列接收机的空时(频)抗干扰技术被证明是目前最有效的抗干扰手段。在工程实现时,阵列通道存在通道失配,本文以统计性能的评估方法评估了通道失配对阵列抗干扰性能的影响。研究结果表明,通道间群时延偏差和幅度失配是导致阵列抗干扰性能下降的主要因素,前者可通过增加空时滤波器阶数来消除影响,而后者对空时滤波器阶数不敏感,需要进行必要的校正。
  • 基于卷积神经网络的卫星网络协调态势评估方法
  • 高翔,刘和光,陈志敏,姚秀娟,王春梅
  • 2020, 42 (3):56-65[摘要](222)  [PDF  7010KB](240)
    为充分发掘利用海量卫星网络数据,提高决策效率,加强空间频轨资源获取与储备的分析手段,尤其是对地球静止轨道资源的协调获取问题,提出基于机器学习算法的卫星网络态势评估策略。通过对卫星网络协调因素进行特征分析,选择卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)为目标算法模型,并建立算法模型的训练数据集及Label规则,采用分裂信息增益度量方法对数据进行降维处理,建立CNN评估模型,并进行了验证分析。结果表明,CNN模型对卫星网络协调态势评估问题测试的正确率高达80%以上,具有较高的评估效能。随着数据量的增多,CNN评估效果逐步提升,是一种在卫星网络协调态势分析、资源储备的有效评估方法。
  • 不同射流状态下射流气体与高超声速主流相互作用影响
  • 王丽燕,檀妹静,聂亮,蒋云淞,袁野,王振峰
  • 2020, 42 (3):66-73[摘要](284)  [PDF  6817KB](243)
    为研究不同射流状态对高超声速飞行器气动加热的影响,对高超声速来流条件下方孔和圆孔横向射流模型进行数值模拟,讨论射流压强、射流速度及射流方向对主流流场的影响,得到了不同射流状态下流场结构、壁面温度热流分布及壁面中心线温度热流变化。结果表明:射流在一定程度上能缓解壁面气动加热情况,壁面引射效果更好,壁面引射速度1 m·s-1时壁面热流降低接近三分之二。在高速(Ma>1)射流情况下,适当增大压强和速度,均会使得射流下游的冷却效果加强;在中低速(Ma<0.6)射流情况下,射流基本上不改变主流流场而在边界层内流动,流速越大,冷却范围越大,冷却效果也相对较好。射流方向与主流方向夹角为锐角时,利于射流孔下游降温;夹角为钝角时,利于射流孔上游降温。
  • 空间非合作目标捕获方法综述
  • 孙永军,王钤,刘伊威,谢宗武,金明河,刘宏
  • 2020, 42 (3):74-90[摘要](261)  [PDF  12165KB](264)
    随着空间事故和失效航天器的增多,地球附近的轨道资源越来越紧张。如今世界各国都在大力发展在轨服务和太空碎片清除,作为其中最关键的技术之一,空间非合作目标捕获近年来成了太空研究领域的重点。目前, 国内外各大研究机构针对非合作目标进行了深入研究,并提出了多种捕获方法,取得了较大的进展。对非合作目标进行分类,基于现有的捕获方法介绍了国内外非合作目标捕获技术发展的最新状况,总结了原理方案,分析了捕获方法和关键技术,为我国后续开展相关研究提供了一种研究思路。
控制科学与工程·电子科学与技术
  • 纤维缠绕复合材料约束球形浮力芯材准静态压缩吸能机制
  • 周晓松,张焱冰,梅志远
  • 2020, 42 (3):91-96[摘要](237)  [PDF  4457KB](253)
    针对海洋工程平台的防护吸能和浮力储备需求,设计一种纤维缠绕复合材料约束球形浮力芯材吸能结构。为分析其变形损伤特征和能量耗散机理,通过ABAQUS有限元软件和万能材料试验机开展数值模拟分析和试验验证研究。通过力学响应特征和损伤破坏模式分析可知,结构吸能设计的关键在于表层和芯材的泊松比匹配。芯材主要通过塑性压缩损伤和剪切断裂破坏吸收能量,而表层吸能则主要通过环向的花瓣形拉伸断裂破坏。研究表明,该型结构单元压缩吸能特性优异,可实现海洋工程结构平台的防护吸能和浮力储备要求。
  • 酚醛-石英混杂纤维增强苯并噁嗪复合材料高温失效特征
  • 边立平,邢素丽,尹昌平
  • 2020, 42 (3):97-101[摘要](244)  [PDF  3758KB](233)
    通过模压工艺制备了酚醛-石英混织纤维增强苯并噁嗪复合材料(P-Q/BZ)试样,考察了其力学性能、烧蚀性能和耐冲刷性能,分析了该试样在高温环境中的主要失效特征,研究其在高温环境中的适用性。结果表明,未经热处理的P-Q/BZ试样平均弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别为283 MPa、10.8 GPa和22.6 MPa;经300 ℃,N2处理15 min后,试样均匀膨胀,厚度增加22%,弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别下降58%、41%和58%;在氧乙炔焰的平均质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.048 4 g/s和-0.081 mm/s,烧蚀后试样宏观不分层,表面炭层微观分层严重,酚醛纤维热解炭、树脂基体热解炭、熔融石英纤维以及碳硅氧化产物相互分离;该试样耐冲刷能力差,在发动机尾焰烧蚀平台模拟的热-力耦合环境中的质量损失率高达59%。P-Q/BZ复合材料需要解决热解膨胀问题,进一步提高抗冲刷性能。
  • 制氢过程中一氧化碳氧化反应速率控制的平滑切换方法
  • 张蕾,盛利
  • 2020, 42 (3):102-105[摘要](291)  [PDF  2612KB](232)
    铂族金属催化剂 CO氧化过程呈现较为复杂的本质非线性属性,如反应速率突变、双稳定性和迟滞,这些本质非线性属性取决于化学反应内在的稳定性和自组织机制,所产生的一个外在结果是CO氧化反应速率与控制参数之间呈现出路径依赖的输入输出关系。对这类系统采用传统的线性控制方法具有固有的不稳定机制,可以导致化学反应速率的震荡以及控制系统的失稳;而采用常规非线性切换控制则面临在切换初始时刻所具有的大干扰问题,较大地影响控制系统的动态性能甚至稳定性。针对研究所面临的这种大干扰问题,提出基于积分初值重置的平滑切换控制方法予以解决。结果表明,所提出的方法能够从原理上解决CO氧化反应控制过程的平滑切换问题,较好地提高控制系统的动态性能。
  • 液氧甲烷膨胀循环变推力发动机系统方案对比研究
  • 崔朋,李清廉,成鹏,张北辰
  • 2020, 42 (3):106-115[摘要](265)  [PDF  7069KB](241)
    当前对液氧甲烷膨胀循环变推力火箭发动机的研制难点和关键技术认识不够清楚,尤其是在大变比推力调节方案方面。基于整个发动机系统,采用理论计算方法,探讨甲烷膨胀做功能力以及变推力调节方案可行性。分别给出了单涡轮系统方案和双涡轮系统方案,首次给出了不同工况下详细的系统状态参数分布,进行了对比分析,并探讨了甲烷做功能力随室压的变化规律。研究结果表明,甲烷做功能力随着室压的减小呈现先减小后增大的趋势,单涡轮和双涡轮系统方案均能够实现大范围推力调节;相比单涡轮方案,双涡轮方案能够更好地保证混合比,且甲烷气体做功能力利用效率更高,氧涡轮和燃料涡轮功率变化范围较窄,涡轮所处环境较为缓和,因此双涡轮系统方案具备一定优势。
机械工程·信息与通信工程·物理学
  • 基于旁支式次级源的舰船液压管路低频脉动有源衰减
  • 赵佳锡,何琳,徐荣武,梁云栋
  • 2020, 42 (3):116-120[摘要](242)  [PDF  3504KB](235)
    舰船液压系统的低频脉动伴随流体沿管路传递,产生结构振动的线谱。针对难以通过被动式衰减的低频脉动,设计旁支式次级源,进行有源衰减的研究。所设计的旁支式次级源采用压电陶瓷驱动,结构紧凑且增加了放大结构,从而提高了响应特性。搭建液压管路的有源控制系统,采用FxLMS自适应算法,进行多线谱脉动的控制实验。实验结果表明,旁支式次级源能够对多线谱低频脉动进行有效衰减,减小随流体传递的振动能量,且对原液压系统工作性能无影响。
  • 慢刀伺服加工环曲面的刀具路径规划方法
  • 邱昕洋,张彦钦,王宏斌
  • 2020, 42 (3):121-127[摘要](255)  [PDF  4526KB](236)
    如何规划刀具路径、进而获得高质量的数控加工代码,是应用慢刀伺服技术加工环曲面的关键技术之一。提出了基于等距面规划刀位点轨迹的刀具路径规划方法,推导了外凸环曲面的面形方程及其等距面方程,对比分析了两种导动曲线及两种数据点离散方法,优选了刀具路径规划方案,应用VB.net语言编写了慢刀伺服加工环曲面用数控代码生成软件,在Vericut平台上对数控代码进行了仿真验证,直观地展示了虚拟加工面相对理论曲面的残留区域,仿真结果验证了方法的可行性。结果表明:将外凸环曲面方程中的非一次常数项a变为a+rd,即得到外凸环曲面的等距面方程;所提刀具路径规划方法适用于慢刀伺服加工外凸环曲面;该方法对应用慢刀伺服技术加工其他面型的光学镜面具有借鉴价值。
  • 旋转永磁式机械天线的研究与实现
  • 周强,施伟,刘斌,魏志虎,何攀峰,张江
  • 2020, 42 (3):128-136[摘要](299)  [PDF  6929KB](263)
    为实现低频电磁发信系统的小型化和低功耗,对基于旋转永磁体的机械天线,即利用永磁体机械旋转直接激励电磁波的新型低频电磁发信技术进行了理论研究与工程实践。提出基于钕铁硼永磁体和永磁同步电机的旋转永磁式机械天线技术方案及其信息加载方法,构建基于电-机械-电磁能量转换的系统模型,对其辐射效率和辐射功率进行初步分析,研究旋转永磁体在不同无限均匀介质中产生时变磁场的分布与衰减特性,研制了原理样机,并对其近区磁场和2FSK信号的加载特性进行了实验测试,验证了该方案的可行性和有效性。
  • 采用3电平非均匀量化的脉冲编码策略
  • 陈剑斌,张江,周强,魏志虎
  • 2020, 42 (3):137-143[摘要](243)  [PDF  5330KB](242)
    作为全数字发信机系统中广泛应用的一种脉冲编码技术,Delta-Sigma调制(Delta-Sigma Modulation, DSM)通过增加量化电平,能够实现调制性能的提升。但限于全数字发信机系统开关功放的具体结构,多电平DSM序列无法直接驱动后级功放电路。在传统3电平DSM基础上,通过引入面积等效原理和非均匀量化技术,提出了适用于开关功放的一种新的脉冲编码策略。理论分析和仿真结果表明,相比常规2电平DSM序列,采用该策略获得的调制脉冲序列具有更优的带内SNR和编码效率性能。
  • 浅海中非金属圆柱体的扰动电场
  • 喻鹏,程锦房,姜润翔
  • 2020, 42 (3):144-150[摘要](258)  [PDF  4820KB](226)
    为研究主动电场作用下非金属圆柱体目标所产生的扰动电场分布,基于镜像法和区域网格化的思想,建立了浅海环境下非金属目标的二次电偶极子模型。利用该模型计算出目标周围不同位置处的扰动电场,并与边界元软件仿真结果进行对比,结果表明扰动电场水平分量误差小于3%。开展水池模型实验,实测结果与所提模型计算值基本一致,证明了所建立的二次电偶极子模型的准确性。
  • 超压气球上升过程温度与动力学特性仿真分析
  • 祝榕辰,王生,杨燕初,刘强,才晶晶
  • 2020, 42 (3):151-158[摘要](243)  [PDF  5219KB](214)
    针对带加强筋的超压气球,分析上升过程热环境及受力状态,建立热力学与动力学模型并分析其耦合关系。基于MATLAB开发仿真程序,对超压气球进行仿真分析。分析了气球上升过程中高度、速度、温度变化特性,数据表明上升过程中的热力学环境和动力学特性都对球内气体温度有重要影响,气球上升速度和球内气体温度相互耦合并与自由浮力系数存在相关性。飞行试验实测数据验证了仿真结果的准确性。理论分析结果和仿真模型可为后续超压气球设计和飞行试验提供指导。
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