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2022年  第44卷  第1期      刊出日期 2022-2-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
专栏:太赫兹技术与应用前沿进展
  • 基于快速傅里叶变换的扫描单发单收面阵近场成像技术
  • 陈旭,杨琪,邓彬,曾旸,王宏强
  • 2022, 44 (1):1-7[摘要](991)  [PDF  5152KB](716)
    近年来,扫描单发单收面阵近场成像技术在安检、医疗等民用领域中引起了广泛关注。然而,传统的距离徙动算法在对回波进行处理的过程中无法避免多步近似和插值操作,并且忽视了信号传播衰减带来的不利影响。因此,提出了一种基于快速傅里叶变换的扫描单发单收面阵近场成像技术,该技术通过保留回波模型中的幅度衰减因子,并根据目标回波方程特性对方位维和高度维执行卷积操作,应用快速傅里叶变换以及相干累加等步骤对回波进行处理得到最终的目标图像。仿真分析和实验结果表明,所提方法不仅可以在保证图像重构效率的前提下提升重构质量,还能够有效减少信号空间传播损耗对较远处目标带来的成像质量损失。
  • 毫米波非均匀平面阵列无损检测三维成像算法
  • 马昭阳,邓桂林,曾旸,邓彬,杨琪,王宏强
  • 2022, 44 (1):8-13[摘要](976)  [PDF  2878KB](588)
    毫米波因其分辨力强、穿透性强、光子能量低的独特优势,在无损检测领域具有极大的潜力。针对毫米波无损检测应用,结合距离徙动算法和非均匀快速傅里叶变换的思想,提出一种适用于非均匀平面阵列的三维成像算法。该算法利用非均匀快速傅里叶变换在波数域重构信号频谱,克服了非均匀空间采样对传统基于傅里叶变换的成像算法的限制;该算法应用非均匀快速傅里叶变换省去了复杂的插值操作,提高了成像效率。为验证所提算法的有效性,将后向投影算法作为对比,分别进行仿真和实验。仿真和实验结果均表明所提算法能兼顾成像精度和速度,实现对介质目标的高效率成像。
  • 利用卷积神经网络的太赫兹孔径编码增强成像
  • 甘凤娇,罗成高,彭龙,梁传英,王宏强
  • 2022, 44 (1):14-21[摘要](887)  [PDF  4534KB](605)
    针对现有太赫兹孔径编码成像算法鲁棒性较差、计算求解复杂度较高等问题,提出基于卷积神经网络的太赫兹孔径编码增强成像方法。该方法通过构建一个端到端的神经网络来实现成像系统的隐式建模,利用网络强大的求逆能力和抗噪性能来实现低信噪比下的目标重构。通过仿真实验可以看出,该方法可以在不同信噪比下实现对不同稀疏度目标的重构。另外,与经典的优化迭代算法相比,该方法在低信噪比下可以实现对目标更高分辨率的重构。
  • 跨谱域低可探测的电磁超构表面天线
  • 郑月军,陈强,丁亮,肖科,钟赟,张贵生
  • 2022, 44 (1):22-27[摘要](901)  [PDF  1116KB](545)
    针对低可探测飞行器平台对天线的新需求,提出并设计了微波与红外跨谱域低可探测的电磁超构表面天线。将电磁超构表面设计思想融入天线设计中,在正常辐射下,使其具有电磁超构表面的吸波特性。该设计不用额外加载电磁超构表面,仅利用天线自身结构就能减缩其雷达散射截面。在此基础上,为了实现天线红外低可探测,设计了微波频段透波、红外频段低发射率的电磁超构表面,加载到天线上降低了其发射率。实验结果表明,新设计的电磁超构表面天线工作在2.72~2.82 GHz,最大增益达到6.72 dBi;在2.70~2.80 GHz反射幅度均小于-10 dB,最小为-12.49 dB;加载电磁超构表面后天线的发射率为0.212,与加载前的天线相比降低了0.334 (61.2%)。新设计的天线在保持正常辐射下,较好地实现了微波与红外低可探测,为低可探测飞行器平台的天线设计提供了新的途径。
  • 太赫兹雷达多声音信号活动检测技术
  • 王元昊,王宏强,杨琪,邓彬,罗成高
  • 2022, 44 (1):28-33[摘要](804)  [PDF  2415KB](530)
    针对在环境中同时存在多个声源的场景下,传统声音获取方式难以正确检测到期望声源处声音活动的问题,提出一种基于太赫兹雷达的多声音信号活动检测方法,该方法利用太赫兹雷达波长短提升对于微小振动的探测灵敏度,同时利用大宽带所带来的高距离分辨力区分不同声源,在获得声音信号后进一步通过谱减-小波联合去噪方法提升信号质量用于后续声音信号活动检测。实验结果表明,在传输路径上存在干扰声源时,相比麦克风方式而言,所提太赫兹雷达声音信号活动检测方法可以更有效地区分多个声源,获得期望声源处的声音活动。
  • 应用于探测的220 GHz收发前端
  • 何月,田遥岭,刘戈,黄昆,邓贤进,苏伟
  • 2022, 44 (1):34-39[摘要](804)  [PDF  3573KB](573)
    基于太赫兹肖特基二极管的强非线性特性,采用多次谐波倍频和混频的方式,研制了可应用于连续波频率调制雷达探测的紧凑型220 GHz收发前端。为了使接收机实现高功率输出,220 GHz三倍频器的功放驱动采用4路功率合成的方式,实现70 GHz 300 mW高功率功率放大器模块,70 GHz高抑制度7阶腔体带通滤波器抑制高次谐波信号。为了使接收机具有高灵敏度,220 GHz谐波混频器采用hammer-head抑制结构和二极管精确噪声模型设计电路结构,接收中频链路采用开关控制来实现动态范围大于60 dB动态增益控制。220 GHz收发前端在215~225 GHz范围内实现了高于10 mW的最大功率输出,接收机最低噪声系数小于7 dB,增益动态范围大于60 dB(-7~54 dB)。
  • 新型微纳材料制备的高性能室温太赫兹光电探测器
  • 张雅婷,张海建,李依凡,李梦瑶,唐新,姚建铨
  • 2022, 44 (1):40-47[摘要](858)  [PDF  6163KB](545)
    可室温运转的高灵敏度太赫兹探测器是该领域的难点。热电原理的太赫兹探测器为解决室温下的宽频段、高灵敏探测提供可能。通过利用石墨烯和钙钛矿等新型微纳材料的高载流子迁移率和优异的热电性能,制备出高性能室温运转的太赫兹光电探测器,探测的光电响应度最高可达到271 mA/W,响应时间小于20 ms。研究表明,石墨烯和钙钛矿等光热电探测器有望成为太赫兹频段新一代高性能探测器。
  • 太赫兹粗糙金属目标镜面雷达散射截面预估方法
  • 逄爽,曾旸,杨琪,邓彬,王宏强
  • 2022, 44 (1):48-54[摘要](913)  [PDF  3363KB](539)
    在太赫兹频段,研究金属目标表面粗糙度对雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)的调制作用,对粗糙金属目标的RCS缩比测量具有重要意义。通过研究太赫兹粗糙金属目标镜面RCS随粗糙度的变化规律,结合相干、非相干散射理论,在基尔霍夫近似法的基础上,提出一种特定参数区间粗糙金属目标镜面RCS的预估方法,并对其预估效果进行仿真验证。该方法在太赫兹低频段小粗糙度范围内可以实现对粗糙金属目标镜面RCS的快速预估,并可进一步预测粗糙目标缩比模型的镜面RCS,为太赫兹粗糙金属目标RCS的缩比测量提供有效的比对数据,从而进一步为太赫兹粗糙目标的缩比关系研究提供理论支持。
  • 临近空间飞行器等离子体鞘套的太赫兹波穿透特性
  • 陈锴,徐德刚,李吉宁,钟凯,姚建铨
  • 2022, 44 (1):55-62[摘要](1597)  [PDF  3804KB](623)
    临近空间高超声速飞行器再入过程中会产生等离子体鞘套,干扰电磁波对飞行器的探测。针对这一问题,对典型临近空间飞行器模型进行建模,模拟其再入过程中不同飞行工况下的流场分布。基于流场分布对等离子体参数分布进行建模,利用散射矩阵方法从理论上对太赫兹波在等离子体鞘套中的传输特性进行计算。计算结果表明高频太赫兹波能够有效穿透等离子体鞘套。在实验室环境下进行太赫兹主动成像实验,实验结果显示等离子体对于太赫兹主动成像结果几乎无影响。仿真和实验结果初步证明了太赫兹技术用于高超声速飞行器探测的潜力,这对于国防安全具有重要意义。
航天工程·光学工程
  • 非局部薄板动力学特性分析的广义有限积分变换方法
  • 姜人伟,杨树涛,赵佳敏,李道奎,马维力
  • 2022, 44 (1):63-67[摘要](787)  [PDF  602KB](567)
    基于应力梯度非局部薄板理论模型,推导了非局部薄板动力学特性求解的广义有限积分变换方法。通过选取适应边界条件的积分核函数并构建广义积分变换对,应用积分变换将非局部薄板的高阶偏微分方程变换成线性方程组,直接求解得到固有频率。将广义有限积分变换方法的计算结果和有限元法及已有文献的结果进行对比,验证了本文方法的正确性。在此基础上,又研究了非局部参数、薄板的尺度对系统固有频率的影响。该方法为非局部薄板模型的求解提供了一个新的途径。
  • 挠性航天器变幅值输入成形姿态机动策略
  • 王杰,吴军,邹杰
  • 2022, 44 (1):68-76[摘要](781)  [PDF  1860KB](546)
    针对变参数挠性航天器的姿态机动问题,在变幅值零振动成形器的基础上,提出了鲁棒性较强的变幅值零振动和零微分成形器设计方法,设计了鲁棒姿态机动策略。该机动策略的控制目标是,将航天器机动到期望状态的同时,消除挠性结构的残余振动。以含转动挠性太阳翼的航天器进行三轴姿态机动为例,进行数值仿真。仿真结果表明,该机动策略对挠性结构频率变化以及阻尼系数不确定性具有较强的鲁棒性。
  • 地球静止轨道卫星系统兼容性多维度分析方法
  • 董苏惠,高翔,韩锐,姚秀娟,闫毅
  • 2022, 44 (1):77-84[摘要](798)  [PDF  3202KB](516)
    针对地球静止轨道(Geostationary Satellite Orbit, GSO)卫星系统间的兼容性分析,设计了单波束和多波束GSO卫星系统间的上行及下行干扰场景,并在卫星的轨位、系统链路可用度及干扰系统地球站选址等多维度对GSO卫星系统间的干扰进行了评估,提出了不同轨位间隔条件下满足国际电信联盟干扰协调限值的干扰系统地球站最近选址的建议,细化了各维度研究上的颗粒度,在不同维度间进行横向对比,分析了GSO卫星系统在不同维度下的干扰变化特性曲线和各维度对干扰分析结果的影响程度。在系统链路可用度一定的条件下,两个卫星系统的轨位间隔>2°时,干扰数值变化缓慢;轨位间隔≤2°时,干扰数值变化较快;轨位间隔≤0.1°时,干扰数值急剧上升。以国际电信联盟实际登记的CHNSAT-81.5和INSAT-KA82.5E卫星的网络资料为例,将计算得到的GSO系统波束间的干扰噪声比、载波干扰比与Visualyse软件结果进行验证对比,结果误差保持在0.7 dB范围内,证明该方法具有有效的评估性能。
  • 化学氧碘激光器光腔边界层的被动控制方法实验
  • 徐大川,顾蕴松,任泽斌,陈志强,王海锋
  • 2022, 44 (1):85-91[摘要](751)  [PDF  1829KB](527)
    针对化学氧碘激光器(Chemical Oxygen-Iodine Laser, COIL)光腔内边界层的被动控制方法,设计了三种实验件。光腔的上下壁板是可拆卸的,可以更换不同的实验件,以此比较边界层的控制效果。实验结果表明:开槽板、主流引射缝和开孔板在对光腔边界层的控制上都取得了一定的效果,改善了光腔特别是光腔后半部分的压力分布。在一定范围内,增加边界层的抽气量,可以进一步减小边界层厚度,降低光腔压力,同时提高COIL出光功率,但是当抽气量过大时,反而会降低出光功率。三种实验件中,主流引射的方式对抽气量最敏感,当抽气量增加至5%时,COIL出光功率已经明显下降;开孔板对抽气量不太敏感,抽气量从1%增加至7%,对COIL出光功率的影响并不明显。
  • 电磁发射超高速弹丸气动特性数值分析
  • 冯军红,鲁军勇,李开,李湘平
  • 2022, 44 (1):92-98[摘要](808)  [PDF  6396KB](570)
    采用数值计算方法研究了超高速弹丸的气动流场特性,重点分析了弹丸再入段的气动流场特性。利用风洞试验数据验证了S-A和k-ω SST湍流模型的预测精度,计算结果表明,在法向力预测上,两种湍流模型的预测精度较高,均在2%以内。在轴向力预测上,S-A湍流模型的预测精度较高,误差约为4.6%。当弹丸以大攻角再入时,弹丸横流效应较为明显,迎风面由于激波作用使得弹丸表面压力急剧增大,而背风面形成脱落的大尺度流向涡结构,导致压力减小,其中,迎风面的压力增大对弹丸气动系数影响更大。大攻角下的弹丸气动阻力和升力系数呈现明显的非线性,阻力系数明显增大,而且弹丸的静稳定裕度也急剧降低,使得弹丸的收敛特性变差,这是引起弹丸再入段速度衰减的主要原因。
  • 高超声速气流中头锥逆喷防热流热耦合分析
  • 尹亮,刘洪鹏,刘伟强
  • 2022, 44 (1):99-107[摘要](782)  [PDF  5784KB](541)
    作为一种主动冷却方式,逆向喷流结构对高超声速飞行器的热防护具有显著效果。为了对头锥逆喷的防热特性进行准确预测,采用流热耦合方法,对6马赫下的头锥逆喷结构的流动和传热进行数值研究。通过数值计算和实验对比,验证了湍流模型和流热耦合算法的准确性,获得了不同逆喷总压比下的流动特性,并且对不同逆喷总压比对流动和传热的影响进行了分析。此外,讨论了攻角和固体材料对结构防热的效果影响。研究结果表明:逆喷总压比的提高使得气动加热降低,并且固体结构内的温度分布更加均匀;随着攻角的增大,经过60 s的热考核计算,结构内温差显著增大,导致逆喷冷空气进一步流向背风面,强化了背风面上的头部冷却效果;对于IN718和C-103两种不同材料,在头部冷气流回流区和再压缩激波影响显著的区域,气动加热的差异可以忽略,而采用C-103作为结构材料时结构内的温度分布更加均匀。
  • 点火载荷下翼柱型装药结构完整性数值分析
  • 龚建良,金秉宁,龚婉军,邓哲,张正泽
  • 2022, 44 (1):108-113[摘要](769)  [PDF  1462KB](564)
    针对固体火箭发动机翼柱型装药在点火载荷下结构完整性问题,提出了一种考虑三维损伤黏弹性本构性的数值模拟方法。基于商业有限元软件的二次开发平台,编写用户子程序,展开有限元数值计算,获取翼柱型装药在固化降温、点火载荷下装药结构的应力、应变与位移场分布。结果表明,在温度载荷与点火载荷下,药柱内表面变形模式是不同的。然而,不管在温度载荷或点火载荷下,在翼槽处装药Von Mise应力与Von Mises应变高于其他部位。此方法可应用于固体火箭发动机装药结构完整性安全评估。
信息与通信工程·计算机科学与技术·电子科学技术
  • 无线自组织网络跨层攻击检测博弈模型
  • 王剑,刘星彤,降帅
  • 2022, 44 (1):114-121[摘要](788)  [PDF  1496KB](528)
    无线自组织网络中的跨层攻击具有比单层攻击更强的隐蔽性、更好的攻击效果或更低的攻击成本。为了检测无线自组织网络中的跨层攻击,提出了一种基于博弈论的攻击检测模型。由于攻击不可避免地会对各协议层的参数造成影响,因此模型从协议层攻防博弈的角度,建立起相应的策略矩阵和支付矩阵,并通过均衡分析得到该模型的混合策略纳什均衡解。仿真结果表明,与传统的检测算法相比,采用混合策略的检测算法具有更优的检测性能并且能够显著降低节点能量消耗。
  • 跨模态行人重识别的对称网络算法
  • 张艳,相旭,唐俊,王年,屈磊
  • 2022, 44 (1):122-128[摘要](889)  [PDF  3802KB](526)
    针对模态间差异,提出基于对称网络的跨模态行人重识别算法,该网络将基于概率分布的模态混淆与对抗学习结合,通过对称网络产生模态不变特征,从而达到模态混淆的目的;针对外观差异和模态内差异,使用不同隐藏层的网络卷积特征构造混合三元损失,提高网络的特征表征能力。RegDB和SYSU-MM01数据集上的大量实验结果表明了该方法的有效性。
  • 面向大规模交互数据空间划分的Voronoi图生成算法及应用
  • 熊鹏文,周晓芸,熊宏锦,张婷婷
  • 2022, 44 (1):129-136[摘要](782)  [PDF  4081KB](517)
    传统Voronoi图对大量点集进行Voronoi划分时会产生Voronoi单元格数过多的现象,导致难以适用于地理信息系统、生物医学等诸多领域。为了解决这个问题,提出一种自适应基于密度的聚类算法(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)的Voronoi图。阐述了Voronoi单元合并的现象,证明了其发生的充要条件,提出该Voronoi图的生成算法并进行仿真。通过显微镜下嗜中性粒细胞、我国地表火点数据对算法进行验证,结果表明,该算法能够有效解决点集规模较大时,Voronoi图划分过于细致的问题,突破了传统Voronoi图单点对单点的划分形式。此外,该算法拓宽了Voronoi图在图形图像处理、生物医学、地理信息系统等领域的应用。
  • 运用动态规划的智能卫星集群星间通信路由算法
  • 伦伟成,李群,于芹章,张灿
  • 2022, 44 (1):137-145[摘要](781)  [PDF  1926KB](554)
    通过建立智能卫星集群网络模型,把智能卫星集群星间通信路由问题转换为时延最短路径问题,进而提出一种求解此问题的智能卫星集群星间通信路由算法。该路由算法采用动态规划策略分阶段规划智能卫星集群两个成员之间的星间通信路由,在每个规划阶段,负责发送数据的智能卫星自主调用一种星间通信路由静态规划算法,以求出其在当前时刻的后继卫星来转发数据。该算法还能够处理星间链路传输能力有限而导致数据需要分段传送的问题。使用基于Agent的建模与仿真方法进行了大量仿真实验,从而考察并分析了不同智能卫星集群使用前述路由算法规划星间通信路由的效果。
  • 多尺度PCA-HOG遥感异源图像匹配算法
  • 韩松来,王钰婕,王星,罗世彬,董晶
  • 2022, 44 (1):146-155[摘要](823)  [PDF  11526KB](616)
    针对遥感异源图像匹配中非线性灰度畸变和强噪声干扰问题,提出一种基于主成分分析(Principal Components Analysis, PCA)和方向梯度直方图(Histogram of Oriented Gradients, HOG)的遥感异源图像匹配算法。该算法利用HOG提取图像间的几何结构共性特征,能有效克服异源图像非线性灰度畸变的问题;提出一种快速多尺度PCA算法,能对HOG中的局部梯度方向进行增强,从而能在强噪声干扰的情况下,准确提取出图像的结构特征。为了提高算法的计算速度,利用积分图像降低特征提取过程的计算复杂度,并利用快速傅里叶变换实现高效率的匹配搜索。实验利用多种遥感异源图像(包括可见光图像、合成孔径雷达图像和红外图像)对提出的匹配算法进行了验证。结果表明,与现有算法相比,该算法在匹配性能上有明显提升。
  • 航空集群机载网络Failure-Oblivious路由策略
  • 吕娜,潘颖,朱梦圆,陈坤,方宇
  • 2022, 44 (1):156-168[摘要](762)  [PDF  3057KB](556)
    航空集群机载网络作为集群成员间信息交互的纽带,其路由策略性能优劣直接影响信息传输实时性与可靠性,从而制约网络化集群作战效能发挥。考虑到航空集群机载网络具有诸多不确定性,为应对路由失效以及尽可能避免路由更新,从路由选择算法的角度,在软件定义网络架构下提出Failure-Oblivious路由策略。与传统路由策略不同的是,该策略利用随机算法生成多条路由,能够在不进行路由失效预测的情况下应对路由随机失效问题。理论推导与仿真验证表明,该策略能够在保证通信时效性代价可控的基础上,降低航空集群机载网络路由失效风险。
  • 稀疏平衡变分自动编码器的文本特征提取
  • 车蕾
  • 2022, 44 (1):169-178[摘要](824)  [PDF  2095KB](522)
    针对文本特征提取方面的高维数据特征区分度较低、基于规则的特征学习的自学习性能差、变分自动编码器存在过度剪枝等问题,提出稀疏平衡变分自动编码器(Sparse Balanced Variational AutoEncoder,SBVAE)的文本特征提取模型。为消除噪声干扰,提高文本特征提取模型的鲁棒性,在文本特征提取的输入层采用双向降噪处理机制。提出一种稀疏平衡性处理,结合 KL(Kullback-Leibler)项权重的模拟退火算法以缓解KL散度引发的过度剪枝的影响,强制解码器更充分地利用潜变量。此模型提高了高维数据特征的区分度。从对比分析文本特征提取模型、稀疏性能、稀疏平衡处理对隐藏空间变分下界的影响等方面深入开展实验,验证了该模型具有较好的性能。该模型在复旦数据集和Reuters数据集上的最高准确率相较于主成分分析分别提升了12.36%、8.06%。
  • 重点目标防空作战中多预警机协同探测空域配置
  • 祁炜,蒋伟,武文,程东升
  • 2022, 44 (1):179-186[摘要](808)  [PDF  1196KB](641)
    针对重点目标防空作战中预警机空域配置问题,构建了多预警机阵位选择和架数优化配置模型。通过分析重点目标预警线划分,确定预警机防空作战具体任务,从而构建其阵位选择量化模型,并以此为基础,提出了一种在确保自身安全且充分发挥预警机固有探测威力前提下的多预警机并立航线和串接航线空域配置量化模型。实例运算结果表明,该模型能够对比分析关键参数对多预警机协同探测空域配置、出动兵力和航线样式选择的影响,可为预警机作战部队任务规划提供理论依据。
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