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2015年 第21卷 第5期    刊出日期：2015-10-30

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通信与信息工程

全光纤的级联光纤系统琼斯弥勒矩阵测量

雷俊平, 王春华, 于清洋, 杜延霞, 张斌

2015, 21(5):  525-535.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.014

摘要 ( 1038 )   PDF (11732KB) ( 450 )  

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基于系统估值理论, 提出并实现采用光纤波片的光纤系统琼斯弥勒矩阵测量. 光纤波片和光纤系统有良好的适配性, 且简单易行. 针对光纤波片的环境敏感性, 提出并实现基于系统方程矩阵自相似特点的波片延迟校准方法. 此外, 还通过系统优化, 实现光纤波片旋转角度的调整. 经实验验证, 光纤波片延迟的校准和旋转角度的调整使系统误差得到了明显改善. 最后, 测量了1 520~1 620 nm波长范围内两段级联光纤的偏振参数及其弥勒矩阵谱.

高铁环境下MIMO-OFDM系统中的载波间干扰自消除

王军华, 焦戊臣, 方勇

2015, 21(5):  536-546.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.016

摘要 ( 1087 )   PDF (6987KB) ( 367 )  

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高铁(high-speed train, HST)无线信道具有非平稳时变特性, 针对高铁环境下的多入多出-正交频分复用(multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing, MIMO-OFDM)系统, 提出一种载波间干扰(inter-carrier interference, ICI)自消除和迫零(zero forcing, ZF)均衡联合算法. 在接收端, 利用循环前缀(cyclic prefix, CP)序列, 对每个OFDM符号序列抽取子序列并线性平均加权以实现ICI自消除, 然后再对新的ICI减小的OFDM符号序列采用ZF均衡算法进行均衡, 最后通过硬判决检测得到发送信号. 仿真实验表明, 利用CP序列能有效减小ICI, 从而提高载波干扰比(carrier-to-interference ratio, CIR). 对于误码率(bit error rate, BER)性能, 该联合算法优于直接ZF均衡算法, 能够保证较好的通信质量.

9轴MEMS-IMU实时姿态估算算法

张金艺1,2,3, 徐德政2, 李若涵1, 陈兴秀1, 徐秦乐2

2015, 21(5):  547-559.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.037

摘要 ( 2379 )   PDF (13294KB) ( 1270 )  

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随着对微机电系统-惯性测量单元(micro-electro-mechanical system-inertial measurement unit, MEMS-IMU)在室内定位、动态追踪等应用领域中的需求日益迫切, 使得具有高精度、低成本和实时性的MEMS-IMU模块设计成为研究热点. 针对MEMS-IMU的核心技术——姿态估算进行研究, 设计了一种基于四元数的9轴MEMS-IMU实时姿态估算算法. 该算法运用分解四元数算法处理加速度和磁感应强度数据, 计算出静态四元数; 通过角速度与四元数的微分关系估算动态四元数; 运用卡尔曼滤波融合动、静态四元数, 进而实现实时姿态估算. 针对分解四元数算法中存在的奇异值问题, 提出了转轴补偿方法对其修正, 以实现全姿态估算; 考虑动态情况下的非线性加速度分量对姿态估算精度的影响, 设计了R自适应卡尔曼滤波器, 以进一步提高姿态估算算法的精度. 验证结果表明, R自适应卡尔曼滤波器能够有效抑制加速度噪声, 提高姿态估算精度; 同时, 转轴补偿-分解四元数算法能够准确估算奇异值点的姿态信息, 并且计算时间仅为原“借角”补偿方法的50%左右, 有效提高了整体算法的实时性.

基于OFDM-PON的短训练序列分配方案

陈曦, 徐朝星, 江愿, 李迎春

2015, 21(5):  560-569.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.03.014

摘要 ( 1014 )   PDF (15413KB) ( 1834 )  

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提出一种适用于正交频分复用-无源光网络(orthogonal frequency division multiplexing-passive optical network, OFDM-PON)符号同步的短训练序列, 通过对无线局域网中短训练序列的子载波分配方案进行调整, 将短训练序列的实时域信号非零均值调整为零均值, 解决了由于时域非零均值短训练序列拖尾干扰造成接收数据解调错误的问题. 仿真和实验结果表明, 该改进方法可以有效减少由短训练序列拖尾干扰引起的数据解调错误.

基于IP协议的FPGA万兆可靠互联通信设计与实现

宋宇飞, 张俊杰, 王凯, 李家齐, 薛子威, 郑玥

2015, 21(5):  570-578.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.015

摘要 ( 906 )   PDF (11057KB) ( 351 )  

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近年来, 云计算和大数据处理迅猛发展, 现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)由于拥有独特的并行处理能力, 已在大数据处理中得到广泛应用. 而通信网络的好坏会直接影响大数据处理的性能, 基于此提出一种基于IP协议的FPGA万兆可靠保序互联通信系统, 基于三指针环形缓冲池以及并行序号管理实现线速万兆数据通信, 利用硬件超时重传机制实现可靠数据通信. 该系统与用户接口采用先进先出(first in first out, FIFO)队列方式, 接口简单; 采用IP协议进行通信, 使得通信协议开销较小, 具有良好的系统扩展性; 实际传输速率可达9.33 Gbit/s.

PMC边界手征负折射平板波导模式特性及场分布

马全问, 肖中银, 徐晓雪, 徐文杰, 马孝龙, 刘德君, 王子华

2015, 21(5):  579-587.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.03.013

摘要 ( 1183 )   PDF (5813KB) ( 390 )  

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从理论上分析了以理想磁导体(perfect magnetic conductor, PMC)为边界的手征负折射平板波导的模式特性及其磁场的具体分布. 利用PMC边界条件, 导出了手征负折射波导的色散方程和磁场各分量表达式. 通过波导的色散曲线发现, 当手征参数 κ>1时, 某些区域曲线出现下凹, 左旋圆极化(left circularly polarized, LCP)波的折射率为负值, 实现了负折射特性, 截止频率也不再是传播常数β=0所对应的频率. 根据传播常数β和k₊, k₋的关系, 将色散曲线分为3个区域, 给出了各区域一阶奇模和一阶偶模磁场的具体分布, 并与一般手征媒质平板波导的磁场分布作了比较. 结果发现, 切向分量场H_y,H_z 在上下边界处为零, 满足PMC边界条件. 而由于面磁流的存在, 法向分量H_x在边界处不为零.

机电工程与自动化

基于位姿分离法的模块化机械臂逆运动学分析

雷静桃, 戴文杰

2015, 21(5):  588-597.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.02.015

摘要 ( 1153 )   PDF (5581KB) ( 678 )  

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分析了7自由度冗余机械臂的运动学正逆解, 采用Denavit-Hartenberg(D-H)坐标法进行正运动学建模, 获得机械臂末端相对于基座的空间位姿; 采用位姿分离法进行逆运动学建模. 求位置逆解时, 由约束条件分别获得前4个关节角位移解析解; 求姿态逆解时, 采用欧拉角表示机械臂末端相对于基座的姿态, 减少了计算量. 以SCHUNK模块化7自由度机械臂为例,进行了运动学正逆解分析, 并基于虚拟样机进行了仿真验证.

基于SVM的永磁同步电机直接转矩控制

杨影, 韩冰, 陈鑫, 涂小卫

2015, 21(5):  598-605.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.04.004

摘要 ( 1304 )   PDF (2083KB) ( 791 )  

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参考电压矢量的计算是基于空间矢量调制(space vector modulation, SVM)的永磁同步电机直接转矩控制的核心研究之一. 从电压矢量对电磁转矩的控制作用入手, 分析指出有限的电压矢量是直接转矩控制中转矩和磁链脉动大的根本原因. 设计一种改进的基于空间矢量调制的直接转矩控制系统, 仅仅利用定子磁链角度、转矩偏差和定子磁链偏差计算得到参考电压矢量幅值和角度. 该方案计算简单, 对电机参数不敏感. 仿真和实验结果表明, 该方法结构简单、鲁棒性强, 能够明显改善直接转矩控制性能.

土木工程

高强土工格室加筋砂地基模型试验变形分析

郑超毅1, 张孟喜1, 姜圣卫2, 韩晓1, 孙州1

2015, 21(5):  606-616.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.02.021

摘要 ( 1325 )   PDF (7298KB) ( 308 )  

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高强土工格室采用新型U形钉节点, 材料抗拉强度为传统格室的10倍左右. 将土工格室置于地基, 形成土工格室结构层, 针对纯砂地基和不同格室焊距的土工格室加筋砂地基进行多组模型试验. 分析试验所得荷载-沉降曲线, 结果表明土工格室加筋能明显提高地基承载力,减少地基沉降. 在一定范围内, 格室焊距越小, 加筋效果越明显. 将Winkler弹性地基梁计算方法运用于高强土工格室加筋砂地基沉降计算中, 得出弹性地基梁的有限长梁解, 通过试验所得实测数据较为精确地确定了计算所需参数; 对比试验和计算结果, 给出了高强土工格室加筋砂地基结构层变形计算方法, 并且得出高强土工格室这一新型材料的相关计算参数.

轴对称爆炸载荷作用下深埋圆形隧洞的准饱和土动力响应

吴传侠, 张敏, 杨骁

2015, 21(5):  617-630.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.02.005

摘要 ( 1149 )   PDF (16754KB) ( 275 )  

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考虑准饱和土与隧洞弹性衬砌的非完整连接, 基于Biot模型和弹性理论, 研究了深埋圆形隧洞的准饱和弹性土在轴对称爆炸载荷作用下的动力响应. 通过引入势函数和Laplace变换, 得到准饱和弹性土-弹性衬砌耦合系统在Laplace变换空间中动力响应的解析解; 借助Laplace逆变换的数值Crump法, 得到了耦合系统的时程响应; 分析了不同隧洞模型下准饱和土的动力响应. 结果表明: 准饱和土-壳体衬砌系统模型的土体响应最小, 而无隧洞衬砌准饱和土模型的土体响应最大; 饱和度对土体位移和应力影响较小, 但对孔隙水压力有较为显著的影响; 且随着接触面刚度的增大, 准饱和土体的径向位移和环向应力幅值均增大.

索-钢/铝合金组合结构初始态确定及静力分析

张莉

2015, 21(5):  631-639.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.009

摘要 ( 1033 )   PDF (1039KB) ( 331 )  

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索-钢/铝合金组合结构作为一种新颖的结构形式, 是由拉索和压杆(钢管/铝合金圆管)组成的自应力状态下的稳定自平衡体系, 体系中受拉连续, 受压不连续. 在给定结构几何外形和拓扑关系的基础上, 采用动力松弛法确定该体系的自应力初始态; 在自重及外部荷载作用下, 采用牛顿-拉弗森方法分析确定结构的静力性能. 为揭示此类结构的受力机理, 该体系中的压杆分别采用钢管和铝合金圆管, 对比分析两类组合结构在受力性能方面的异同. 数值算例表明了本方法的实用性和优越性, 为索-钢/铝合金组合结构在实际工程中的推广应用奠定了基础.

基于信息最大化准则的供水管网压力监测点布置

陈玲俐, 庄维坦, 何欣

2015, 21(5):  640-647.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.04.009

摘要 ( 1158 )   PDF (847KB) ( 406 )  

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系统监测的目的是为了诊断或预报系统状态. 为保证监测点提供的是系统的有效监测信息，而不是冗余信息, 从而提高诊断预报的准确性, 监测点不仅应具有灵敏性, 且监测点间的信息相关性越小越好. 为了实现监测信息最大化, 在供水管网灵敏度分析的基础上, 分别采用有效独立法、Fisher信息矩阵最大化准则, 以及节点相关系数3种方法确定管网监测点. 最后, 通过对某一供水管网的压力监测点布置, 将采用3种方法和传统聚类分析方法得到的方案进行了对比分析. 分析表明: 基于节点相关系数的监测点布置方法能同时得到监测点和监测域, 且算法简单、稳定, 优于其他方法.

材料科学与工程

硼含量对(Fe,Ni)₃V 合金组织和力学性能的作用

侯锡贝, 陈业新

2015, 21(5):  648-656.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.03.002

摘要 ( 1146 )   PDF (5338KB) ( 355 )  

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研究了室温下硼含量对无序态和有序态(Fe,Ni)₃V 合金在真空中拉伸时的力学性能及断裂方式的作用. 结果表明, 随着(Fe,Ni)₃V 合金中硼含量的增加, 合金的晶粒尺寸持续细化,合金的最大抗拉强度和延伸率随之提高. 硼原子对有序态合金力学性能的作用要大于无序态合金, 有序态(Fe,Ni)₃V 合金断裂方式随硼含量的变化表明硼原子在晶界上提高了晶界的强度. 晶粒尺寸的细化提高了无序态(Fe,Ni)₃V 合金的力学性能, 而有序强化效应及硼原子改善晶界性质、细化晶粒的共同作用提高了有序态(Fe,Ni)₃V 合金的力学性能.

HgI₂探测器的共面栅电极设计及有限元模拟优化

陆舒逸, 李冬梅, 杨伟光, 黄璐, 金晶, 王晨, 陈阳, 史伟民

2015, 21(5):  657-662.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.007

摘要 ( 1229 )   PDF (7549KB) ( 253 )  

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多晶碘化汞膜正逐渐成为制备室温下X射线成像探测器的优异半导体材料. 设计8组不同栅宽和沟宽的共面栅探测器电极结构, 进而使用有限元软件ANSYS对其进行模拟分析,得到相应的电势分布. 结果发现, 结构E(栅宽为150 μm, 沟宽为500 μm)的电极设计效果最佳. 之后, 进一步设计了2组电极结构, 用以研究在不对称电极形状所导致的边缘效应影响下的电势分布, 结果发现通过加宽边缘第二个栅极(结构N)可以实现优化共面栅电极设计的目的, 从而降低边缘效应产生的影响.

两种贝氏体塑料模具钢的相变与残余奥氏体

李娜, 闵永安, 张铮, 吴晓春

2015, 21(5):  663-670.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.033

摘要 ( 964 )   PDF (5899KB) ( 338 )  

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将两种塑料模具钢FT600 和FT600mod 奥氏体化后, 以连续冷却或等温方式, 获得贝氏体组织. 随后分别在350, 580, 700 °C下进行回火, 研究了Si, Mn元素微调后贝氏体组织及残余奥氏体转变情况. 对两种贝氏体钢在不同热处理工艺下的宏观硬度、残余奥氏体含量、微观组织进行了表征及分析. 研究结果表明, 在FT600 钢的基础上降Si 增Mn 得到了FT600mod 钢, 其贝氏体转变后的残余奥氏体含量大幅降低; FT600 钢中的残余奥氏体在不同温度下回火, 其转变机制不同; FT600mod钢中的残余奥氏体含量较少, 组织稳定, 更适用于非调质工艺处理.