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2014年 第20卷 第5期    刊出日期：2014-10-30

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特稿

Metamaterials and Metamaterial-Based Antenna Technology

CHEN Zhi-ning1,2

2014, 20(5):  531-540.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.03.011

摘要 ( 1642 )   PDF (9838KB) ( 1444 )  

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The study of metamaterials is among the most important and attractive topics of the electromagnetic field theory and applications in the past 15 years. Much effort has been devoted to scientific research into the new physical phenomena with great progress. This paper presents the thoughts about the applications of metamaterials in innovative antenna designs from an engineering perspective. The new understanding of metamaterials offers us great possibility to translate the physical concepts of metamaterials in laboratories to innovative antenna designs in practical engineering applications. The technologies have been successfully developed, significantly improving key performances of antennas at microwave and millimeter-wave bands. The recently invented metamaterial-based antennas demonstrate not only wide operating bandwidth, high antenna efficiency, high gain, but also significantly reduced volume with simple mechanical structures.

微波无线输能技术研究进展与系统设计

杨雪霞, 周华伟, 周永金, 梅欢

2014, 20(5):  541-549.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.04.003

摘要 ( 2298 )   PDF (10793KB) ( 826 )  

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微波无线输能(microwave wireless power transmission, MPT)技术应用于不易获取直流电能的场合, 是研制太阳能卫星、近空间飞行器的关键技术, 也可应用于无线传感器网络节点供能及环境低微微波能量的回收. 比较了微带线型和共面带状线型2种典型整流天线的单元和阵列性能, 提出了对接收天线和整流电路的要求; 以获得最大微波波束捕获效率为目标, 分析了发射天线拓扑结构及高斯削尖口径电平分布. 在研究以上关键技术的基础上设计了一套C波段微波输能系统, 该系统从发射端到接收端的直流-直流效率为35%. 最后指出了微波无线输能技术存在的问题和未来发展方向.

土木工程

拉压不同模量弹性问题

赵慧玲1, 叶志明1,2

2014, 20(5):  550-558.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2013.07.034

摘要 ( 1891 )   PDF (703KB) ( 806 )  

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拉压不同模量弹性体具有材料非线性特征, 不同模量本构关系受到材料本身及结构各点的应力、应变状态等因素的综合影响. 总结了近年来对不同模量本构关系的研究工作, 阐述了多种形式的不同模量弹性问题有限元求解方法的改进, 简述了拉压不同模量问题解析法取得的研究成果, 并介绍了不同模量理论中尚待解决的问题.

饱和粘弹性土层中空心圆柱桩的轴对称竖向振动

韩静, 杨骁

2014, 20(5):  559-572.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2013.07.038

摘要 ( 1340 )   PDF (13859KB) ( 591 )  

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考虑桩的径向变形以及饱和土层对桩的径向力作用, 分别将空心圆柱桩和饱和土层视为单相弹性介质和饱和粘弹性介质. 基于弹性动力理论及不可压饱和多孔介质理论, 研究了饱和粘弹性土层中端承弹性空心圆柱桩竖向振动的动力特性. 利用Helmholtz 分解和变量分离法, 在频率域得到了空心圆柱桩竖向稳态振动的轴对称解析解以及桩头复刚度的解析表达式,给出了空心圆柱桩桩头动刚度因子和等效阻尼随激励频率的响应曲线, 数值考察了饱和土和桩的材料、几何等参数对桩头动刚度因子和等效阻尼的影响. 研究结果表明, 虽然空心圆柱桩精确轴对称解析解的桩头静刚度与经典Euler 杆模型桩的桩头静刚度几乎相等, 但其桩头动刚度因子和等效阻尼存在较大区别, 并且空心圆柱桩的内外径比(即桩壁厚比) 会对桩头动刚度因子和等效阻尼特性产生显著的影响. 因此, 经典Euler 杆模型桩的适用范围具有一定局限性, 应采用轴对称模型进行更加精确的分析.

软土盾构不同穿越形式对既有隧道扰动影响分析

王有成1, 张孟喜1, 李磊1, 吴惠明2, 张晓清1

2014, 20(5):  573-585.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.019

摘要 ( 1346 )   PDF (28855KB) ( 504 )  

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以上海某实际隧道叠交段土层分布为背景, 采用3维有限元方法对新建隧道分别以先下后上夹穿、下穿和上穿3种形式穿越既有隧道施工过程进行模拟, 分析了在每种穿越形式下既有隧道的变形, 给出了每种穿越形式下控制既有隧道变形的合理措施. 研究结果表明, 在盾构开挖过程中, 既有隧道圆形断面不仅出现变形, 而且也出现了扭转; 新建隧道先下后上夹穿既有隧道的控制重点不是既有隧道最终沉降, 而是开挖过程中出现的最大沉降值; 下穿形式下, 控制重点为既有隧道最终状态沉降曲线; 上穿形式下, 控制重点为既有隧道的大幅度上浮. 同时对比了实测和模拟数据，验证了数值模拟的可靠性. 研究成果为地铁叠交段穿越形式的选择、施工及既有隧道保护技术提供了一定理论基础.

桂林压实红粘土抗剪强度与含水率关系

张添锋, 孙德安, 刘文捷

2014, 20(5):  586-595.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.012

摘要 ( 1665 )   PDF (8822KB) ( 532 )  

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红粘土是一种典型的特殊土, 其强度特性较普通粘土复杂. 为了探讨影响红粘土强度的因素, 对干密度相同而含水率不同的压实桂林红粘土试样进行了一系列固结快剪试验, 得到了粘聚力和内摩擦角与初始含水率的关系. 试验结果表明, 峰值凝聚力和残余粘聚力都随试样初始含水率的增大而减小, 峰值内摩擦角和残余内摩擦角均随试样初始含水率增大先增大后减小. 另外, 探讨了剪切过程中桂林红粘土的剪胀性. 最后, 将试验结果与Bishop和Fredlund非饱和土强度公式的计算值进行比较, 指出目前非饱和土强度公式无法预测非饱和桂林红粘土的强度.

桥梁工程施工及运营对岩体边坡稳定性的数值分析

李忠庚, 徐金明, 吴红斌

2014, 20(5):  596-604.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.026

摘要 ( 1261 )   PDF (2614KB) ( 568 )  

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使用强度折减法、Mohr-Coulomb破坏准则和有限元分析方法, 对岩体边坡在群桩施工前后、桥墩和桥梁施工时及运营荷载作用下的稳定性进行了数值模拟. 模拟时, 根据现有规范计算列车运营对桥墩顶部的竖向活载和制动力, 并根据岩土层分布建立了桥墩所在岩体边坡的3维几何模型, 研究了桥梁工程施工及运营的不同工况对岩体边坡稳定性的影响. 研究结果表明, 群桩施工前后边坡稳定性安全系数分别为1.35和1.63; 桥墩高度为6.0, 12.0, 18.0, 22.5 m时边坡稳定性安全系数分别为1.61, 1.60, 1.58, 1.57; 桥梁施工结束时及列车荷载作用下的边坡稳定性安全系数分别为1.55和1.53; 随着桥墩和桥梁施工荷载的增加, 岩体边坡中塑性区Mises等效应力逐渐增大, 边坡稳定性逐渐降低. 该结果对不同工况下岩体边坡中的桥梁工程设计和施工具有一定的参考价值.

通信与信息工程

基于DCT系数修改的自适应稳健可逆信息隐藏

杨乾星, 栗风永, 张新鹏, 申文锋

2014, 20(5):  605-611.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2013.07.047

摘要 ( 1197 )   PDF (3388KB) ( 626 )  

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通过修改JPEG图像块中的DCT系数, 提出一种新的稳健可逆信息隐藏方法. 遍历块中特定位置连续6个DCT系数的均值, 找出最接近0的均值进行嵌入. 由于连续DCT系数的均值接近0, 经过压缩操作不会有太大的变化, 因此所嵌入的秘密信息有一定的稳健性. 为了对抗攻击, 在嵌入秘密信息时, 通过比较并改变系数的大小, 将改变量分为两个等级进行自适应嵌入. 若含密图像未被压缩, 则不仅可以正确提取秘密信息, 而且可以恢复原始图像; 若含密图像已被压缩, 则只能正确提取秘密信息, 不能恢复原始图像. 实验结果表明, 在经过质量因子为85以上的压缩攻击后, 含密图像的视觉效果很好, 并且仍能正确提取秘密信息.

运动分类步频调节的微机电惯性测量单元室内行人航迹推算

李若涵1, 张金艺1,2,3, 徐德政2, 陈兴秀1, 徐秦乐2

2014, 20(5):  612-623.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.018

摘要 ( 1756 )   PDF (11157KB) ( 2432 )  

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行人航迹推算(pedestrian dead reckoning, PDR)作为一种新兴的导航定位方法, 因其不易受外界环境因素影响而受到广泛关注. 针对室内行人航迹推算, 采集并分析了微机电惯性测量单元(micro-electro-mechanical system-inertial measurement unit, MEMS-IMU)数据, 设计了运动分类的区间对称步频检测, 并建立了步频调节的步长估计模型, 最后提出了运动分类步频调节的MEMS-IMU室内行人航迹推算, 从而实现较精准的定位. 针对不同个体, 对步频调节的步长估计模型进行个性化标定, 以进一步提高室内行人航迹推算性能. 验证结果表明: 与传统峰值非线性方法相比, 运动分类步频调节的MEMS-IMU室内行人航迹推算的定位误差降低了32.6%, 使短距离室内行人航迹推算在无其他定位技术支持的情况下具有较高精度.

密集布放环境下RFID标签受限链路

肖芳鑫, 张雪凡, 李帅, 彭章友, 翟旭平, 任秀芳, 孟春阳

2014, 20(5):  624-632.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2013.07.048

摘要 ( 1239 )   PDF (1718KB) ( 654 )  

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由于在密集布放时, 超高频(ultra high frequency, UHF)射频识别(radio frequency identification, RFID)标签不仅存在算法上的碰撞问题, 而且标签之间存在电磁耦合, 会造成系统性能下降. 首先从理论上分别推导出前、后向链路的标签最小读取功率与天线增益的关系, 然后通过仿真得出小间距下的标签天线增益. 对比实验中测得的小间距下标签最小读取功率的变化, 得出如下结论: 多标签在密集布放环境下的瓶颈链路为前向链路; 标签天线增益和功率传输系数是影响群读性能的关键因素. 分析和测试结果可以为设计群读性能优异的标签提供参考.

基于多尺度模糊聚类与DGVF模型分割颈动脉超声造影图像

张麒1, 黄春春1, 韩红2, 李超伦2, 王文平2

2014, 20(5):  633-644.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.016

摘要 ( 1544 )   PDF (9505KB) ( 909 )  

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超声造影(contrast-enhanced ultrasound, CEUS) 图像在血管疾病诊断与治疗中有很高的应用价值, 其中通过提取颈动脉CEUS 图像中的血管边界对血管形态及弹性等属性进行测量具有重要意义. 由医生手工勾勒血管轮廓耗时耗力, 且重复性差、主观性强, 而传统计算机分割方法因受到图像中斑点噪声的干扰而存在鲁棒性差和初始化难两大问题. 首先, 结合多尺度模糊聚类方法与粒子群优化算法提取血管的粗略轮廓, 以此作为方向梯度矢量流(directional gradient vector flow, DGVF) 模型的初始轮廓; 然后, 对轮廓进行形变收敛至最终结果. 通过分割来自14例患者的48张颈动脉CEUS 图像的实验, 结果表明所提出的方法优于传统方法, 能自动、精确地提取颈动脉CEUS 图像中的血管边界.

计算机工程与科学

三值光学计算机的40位乘法例程

胡晓俊, 金翊, 欧阳山

2014, 20(5):  645-657.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.003

摘要 ( 1649 )   PDF (1478KB) ( 524 )  

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针对三值光学计算机的特点, 利用其运算器可重构、数据位数众多、MSD 加法器无进位延时等优点, 设计并实现了一种用于三值光学计算机的40 位乘法例程. 该例程采用三值光学计算机中通用的MSD数表示数值, 通过三值逻辑中的M变换产生部分积, 再运用两两相加迭代的计算方法对部分积进行了MSD加法求和, 得到乘积, 其中M变换采用了一种比较特殊的快速变换实现方案, 而部分积的MSD 加法求和则采用流水技术来实现. 详细给出了这个乘法例程的具体实现步骤和模拟实验细节, 并与电子计算机中类似的乘法器做了运算复杂度对比分析.

交通领域本体的构建及应用

徐峥1, 江亚运1,2, 李震宇1

2014, 20(5):  658-668.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.017

摘要 ( 1188 )   PDF (9619KB) ( 720 )  

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目前, 虽然监控视频数据量迅速增加, 但是每年仍因交通违规行为造成大量的交通事故和人身伤亡. 海量监控视频的检索系统存在“找不到”和“难理解”的问题. 为了解决上述问题, 在交通领域中引入本体. 首先详细介绍视频语义内容模型, 并对模型中包含的对象、概念、事件、时间关系、空间关系等语义知识进行形式化描述; 然后以交通违规领域为例, 用软件protégé 4.2构建该领域的本体, 并用JCreator 编辑器导出交通违规领域本体的代码; 最后将该模型应用于南昌的有关项目中, 取得了良好的效果.