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基于AIS信号的低空大气波导监测试验分析
张利军, 王红光, 李建儒, 张超, 韩杰, 王倩南, 朱庆林
, doi: 10.12265/j.cjors.2021339
摘要:
鉴于低空大气波导对海上工作的雷达、通信系统的显著影响,提出了基于实测船舶自动识别系统(automatic identification system, AIS)信号的海上低空大气波导遥感新方法. 首先讨论了不同大气折射环境下的AIS信号传播特性,验证了低空大气波导尤其表面波导对海上实际VHF频段AIS信号的显著影响;给出了2018年4月20日以及22日岸基AIS接收机接收功率平面位置分布图结果,利用接收站附近探空站的修正大气折射率剖面验证了大气波导是形成AIS信号远距离传播的主要原因;最后给出了基于AIS信号反演低空大气波导的步骤,采用粒子群优化算法得到根据单一方位接收功率的反演结果. 该方法具有被动接收、时空分辨率高的优点,是当前雷达海杂波、卫星导航信号遥感探测大气波导的有益补充. 鉴于低空大气波导对海上工作的雷达、通信系统的显著影响,提出了基于实测船舶自动识别系统(automatic identification system, AIS)信号的海上低空大气波导遥感新方法. 首先讨论了不同大气折射环境下的AIS信号传播特性,验证了低空大气波导尤其表面波导对海上实际VHF频段AIS信号的显著影响;给出了2018年4月20日以及22日岸基AIS接收机接收功率平面位置分布图结果,利用接收站附近探空站的修正大气折射率剖面验证了大气波导是形成AIS信号远距离传播的主要原因;最后给出了基于AIS信号反演低空大气波导的步骤,采用粒子群优化算法得到根据单一方位接收功率的反演结果. 该方法具有被动接收、时空分辨率高的优点,是当前雷达海杂波、卫星导航信号遥感探测大气波导的有益补充.
基于遗传算法的宽带高增益全介质透镜天线优化设计
张中南, 喻伟晟, 吴晓华, 彭麟
, doi: 10.12265/j.cjors.2021309
摘要:
提出一种基于多目标遗传算法的透镜天线优化方法,将透镜天线的增益和1-dB增益带宽作为优化目标,通过算法改变透镜的拓扑结构来实现优化. 设计了一款宽带、高增益的全介质透镜天线,并利用3D打印技术对透镜进行加工,降低了加工成本. 实测结果表明在6~18 GHz内馈源天线的增益提高了6.4~10.0 dB,在18 GHz该透镜天线增益达到了23.8 dBi,最大口径效率为51.9%,1-dB增益带宽40%. 验证了该设计方法的有效性,同时也为透镜天线的优化设计提供一种快捷、便利的方法. 提出一种基于多目标遗传算法的透镜天线优化方法,将透镜天线的增益和1-dB增益带宽作为优化目标,通过算法改变透镜的拓扑结构来实现优化. 设计了一款宽带、高增益的全介质透镜天线,并利用3D打印技术对透镜进行加工,降低了加工成本. 实测结果表明在6~18 GHz内馈源天线的增益提高了6.4~10.0 dB,在18 GHz该透镜天线增益达到了23.8 dBi,最大口径效率为51.9%,1-dB增益带宽40%. 验证了该设计方法的有效性,同时也为透镜天线的优化设计提供一种快捷、便利的方法.
一种求解三维抛物方程的迭代方法
吴晓萍, 梁志禧, 黎子豪, 龙云亮
, doi: 10.12265/j.cjors.2022009
摘要:
为了高效且高精度地求解三维抛物方程(parabolic equation,PE),提出一种求解三维PE的迭代方法. 该方法采用有限差分(finite difference,FD)近似方法,保留交替方向隐式(alternating direction implicit, ADI)方法的计算模式,推导了该方法对应的相对误差关系式,在推导过程中考虑计算式分裂项丢失带来的误差影响. 对比现有的求解三维PE的ADI-PE和克兰克·尼科森求解方法(Crank-Nicolson parabolic equation, CN-PE),该方法能够提高计算精准度,且可通过迭代达到一定计算精度. 该方法保留了ADI的计算高效特性,是一种求解三维PE的高效高精准度的方法. 为了高效且高精度地求解三维抛物方程(parabolic equation,PE),提出一种求解三维PE的迭代方法. 该方法采用有限差分(finite difference,FD)近似方法,保留交替方向隐式(alternating direction implicit, ADI)方法的计算模式,推导了该方法对应的相对误差关系式,在推导过程中考虑计算式分裂项丢失带来的误差影响. 对比现有的求解三维PE的ADI-PE和克兰克·尼科森求解方法(Crank-Nicolson parabolic equation, CN-PE),该方法能够提高计算精准度,且可通过迭代达到一定计算精度. 该方法保留了ADI的计算高效特性,是一种求解三维PE的高效高精准度的方法.
黄海海域低空大气波导发生概率和特征量统计分析
黄立峰, 刘成国, 姜明波, 周育锋, 张利军
, doi: 10.13443/j.cjors.2021311
摘要:
基于2010―2018年全球电信系统(Global Telecommunication System,GTS)发布的探空站数据,对黄海海域周边8个站的低空大气波导发生概率和参数特征量进行了统计分析. 结果显示,黄海海域周边低空大气波导年发生概率为20%~50%,并呈现海域东部站点高于西部的规律;表面波导顶高和强度分别为100 m和10 M左右,截止频率不超过1 500 MHz,穿透角大于0.2°;悬空波导顶高、层底高和底高基本位于1 000~2 000 m,强度在10 M左右,截止频率不超过300 MHz,穿透角大于0.2°;各站点低空大气波导月份发生概率均在冬季最低,海域东部的光州和京畿道站月份发生概率分布比较相似,海域西北部的丹东、大连和成山头站月份发生概率分布比较一致;整个黄海海域的月份发生概率在冬季最低,不超过20%,春季逐渐提高,夏季达到40%以上,10月份开始降低,下降趋势持续到冬季,月份发生概率变化与该海域气象变化密切相关. 统计结果可以为该海域内雷达、通信等无线电系统的设计和运行保障提供参考. 基于2010―2018年全球电信系统(Global Telecommunication System,GTS)发布的探空站数据,对黄海海域周边8个站的低空大气波导发生概率和参数特征量进行了统计分析. 结果显示,黄海海域周边低空大气波导年发生概率为20%~50%,并呈现海域东部站点高于西部的规律;表面波导顶高和强度分别为100 m和10 M左右,截止频率不超过1 500 MHz,穿透角大于0.2°;悬空波导顶高、层底高和底高基本位于1 000~2 000 m,强度在10 M左右,截止频率不超过300 MHz,穿透角大于0.2°;各站点低空大气波导月份发生概率均在冬季最低,海域东部的光州和京畿道站月份发生概率分布比较相似,海域西北部的丹东、大连和成山头站月份发生概率分布比较一致;整个黄海海域的月份发生概率在冬季最低,不超过20%,春季逐渐提高,夏季达到40%以上,10月份开始降低,下降趋势持续到冬季,月份发生概率变化与该海域气象变化密切相关. 统计结果可以为该海域内雷达、通信等无线电系统的设计和运行保障提供参考.
基于单边带时间调制的CMOS有源移相器设计
程国枭, 吴文, 张金栋, 陈峤羽
, doi: 10.12265/j.cjors.2022071
摘要:
为满足低成本相控阵对高精度波束扫描的需求,提出一种基于单边带时间调制(single-sideband time-modulation, STM)的CMOS有源移相器. 基于Global Foundries 0.13 μm CMOS工艺,设计了双相调制单元用于I路和Q路的0°/180°移相,以抑制时间调制所产生的基频和偶次边带;设计了矢量合成与复用放大单元,在不增加功耗的前提下提高了整个电路增益;设计了偏置与时序控制单元,通过对I路和Q路增益的时序控制,实现STM. 仿真结果表明,本设计在1.8 V电源电压下的功耗为15.8 mW,在3-dB带宽(13.2~20.7 GHz)内的增益为−3±1.5 dB;在10~25 GHz频段内,实现小于0.1°的RMS移相偏差和小于0.02 dB的RMS增益偏差,相位分辨率达10比特以上;最大无用边带(−7次边带)的功率抑制比为16.7 dBc. 该有源移相器具有低成本、低功耗、低相位偏差、低幅度偏差和低插入损耗等性能,为时间调制阵列提供了一种新颖的单元结构. 为满足低成本相控阵对高精度波束扫描的需求,提出一种基于单边带时间调制(single-sideband time-modulation, STM)的CMOS有源移相器. 基于Global Foundries 0.13 μm CMOS工艺,设计了双相调制单元用于I路和Q路的0°/180°移相,以抑制时间调制所产生的基频和偶次边带;设计了矢量合成与复用放大单元,在不增加功耗的前提下提高了整个电路增益;设计了偏置与时序控制单元,通过对I路和Q路增益的时序控制,实现STM. 仿真结果表明,本设计在1.8 V电源电压下的功耗为15.8 mW,在3-dB带宽(13.2~20.7 GHz)内的增益为−3±1.5 dB;在10~25 GHz频段内,实现小于0.1°的RMS移相偏差和小于0.02 dB的RMS增益偏差,相位分辨率达10比特以上;最大无用边带(−7次边带)的功率抑制比为16.7 dBc. 该有源移相器具有低成本、低功耗、低相位偏差、低幅度偏差和低插入损耗等性能,为时间调制阵列提供了一种新颖的单元结构.
基于粒子群算法的室外配用电场景射线追踪优化方法
史锐博, 富子豪, 朱博, 于璐嘉, 耿绥燕, 赵雄文, 李清亮
, doi: 10.12265/j.cjors.2022045
摘要:
为高效地利用射线追踪(ray tracing, RT)方法对室外配用电环境毫米波段进行传播特性研究,提出一种将RT方法与粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法相结合的RT优化方法. 首先进行低分辨率RT,利用距离参数筛选出可能到达接收端的射线发射角度,并将其划分成多个搜索区域;然后在每个搜索区域中利用PSO算法寻找最优路径. 该方法的路径损耗仿真结果与传统RT仿真结果以及实测数据都表现出了良好的一致性,场强覆盖预测也和传统RT仿真结果相一致. 结果表明,该方法在保证精确度的同时可以有效提高RT计算效率,并避免了传统RT中的接收球问题,具有一定的工程应用价值. 为高效地利用射线追踪(ray tracing, RT)方法对室外配用电环境毫米波段进行传播特性研究,提出一种将RT方法与粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法相结合的RT优化方法. 首先进行低分辨率RT,利用距离参数筛选出可能到达接收端的射线发射角度,并将其划分成多个搜索区域;然后在每个搜索区域中利用PSO算法寻找最优路径. 该方法的路径损耗仿真结果与传统RT仿真结果以及实测数据都表现出了良好的一致性,场强覆盖预测也和传统RT仿真结果相一致. 结果表明,该方法在保证精确度的同时可以有效提高RT计算效率,并避免了传统RT中的接收球问题,具有一定的工程应用价值.
基于相机位姿估计的局部放电源可视化标注方法研究
刘卫东, 孙晨阳, 白亚坤, 黄玉, 方庆园
, doi: 10.12265/j.cjors.2022036
摘要:
局部放电源的准确、快速定位对科学分析电磁干扰成因,开展电磁干扰预警与防护等具有重要意义。本文将场景图像信息与电磁辐射信息相融合,提出了一种基于P3P(Pespective-3-Point)相机位姿估计的局部放电源可视化标注方法. 该方法在获取局部放电源空间三维坐标的基础上,结合场景图像信息可对其进行可视化标注,有利于直观、快速实现局部放电源的排查与定位。通过模拟测试和交叠率计算,对比分析了局部放电源定位误差、相机位姿参数估计误差以及相机重投影误差等对标注结果准确性的影响,并以高压放电形成的瞬态电磁辐射为研究对象,开展了试验测试与验证。研究结果表明:对处于2个不同位置的高压放电源进行可视化标注,利用半径为10 cm的圆形标注框计算得到的交叠率分别为0.67和0.72,标注结果对高压放电所在区域的指向性好,实现了对放电源的可视化标注。 局部放电源的准确、快速定位对科学分析电磁干扰成因,开展电磁干扰预警与防护等具有重要意义。本文将场景图像信息与电磁辐射信息相融合,提出了一种基于P3P(Pespective-3-Point)相机位姿估计的局部放电源可视化标注方法. 该方法在获取局部放电源空间三维坐标的基础上,结合场景图像信息可对其进行可视化标注,有利于直观、快速实现局部放电源的排查与定位。通过模拟测试和交叠率计算,对比分析了局部放电源定位误差、相机位姿参数估计误差以及相机重投影误差等对标注结果准确性的影响,并以高压放电形成的瞬态电磁辐射为研究对象,开展了试验测试与验证。研究结果表明:对处于2个不同位置的高压放电源进行可视化标注,利用半径为10 cm的圆形标注框计算得到的交叠率分别为0.67和0.72,标注结果对高压放电所在区域的指向性好,实现了对放电源的可视化标注。
带状线组件与射频连接器的键合过渡结构
杜明
, doi: 10.12265/j.cjors.2022018
摘要:
提出了一种带状线组件与射频连接器的键合过渡结构,采用地-信号-地(Ground Signal Ground, GSG)键合方式以及板内垂直互连成功实现了带状线与射频连接器的过渡,同时对此过渡结构尤其是射频连接器键合台面的特性阻抗进行了理论研究,并采用类比法给出了其特性阻抗公式. 为了验证研究结论,对此过渡结构的背靠背形式以及射频连接器进行了加工、测试. 测试结果表明,在0.5~40 GHz频带内,该过渡结构具有良好的驻波以及传输特性. 提出了一种带状线组件与射频连接器的键合过渡结构,采用地-信号-地(Ground Signal Ground, GSG)键合方式以及板内垂直互连成功实现了带状线与射频连接器的过渡,同时对此过渡结构尤其是射频连接器键合台面的特性阻抗进行了理论研究,并采用类比法给出了其特性阻抗公式. 为了验证研究结论,对此过渡结构的背靠背形式以及射频连接器进行了加工、测试. 测试结果表明,在0.5~40 GHz频带内,该过渡结构具有良好的驻波以及传输特性.
多波束高通量卫星的出向链路功率带宽平衡系统
傅云冲, 魏昌宁, 宋振林, 王瑞, 孙利国
, doi: 10.12265/j.cjors.2022028
摘要:
如何合理有效分配资源成为目前卫星频率资源分配的主要问题,本文从工程角度出发,通过整合高通量卫星系统和地面多关口站系统,提出了多波束高通量卫星的出向链路功率带宽平衡反馈系统,通过此系统判断卫星载波功率与带宽是否处于正常监控循环状态。在非正常监控循环状态通过功带平衡闭环反馈算法实现功率带宽平衡的自动调节,系统配置前后星上行波管放大器内的接收电平从1.5 dB的波动压缩到0.5 dB内,小站接收载噪比波动差值从2.3 dB降低到0.4 dB,保证了功率带宽平衡,优化了固定分配造成的局限性,适用于目前的多波束高通量卫星. 如何合理有效分配资源成为目前卫星频率资源分配的主要问题,本文从工程角度出发,通过整合高通量卫星系统和地面多关口站系统,提出了多波束高通量卫星的出向链路功率带宽平衡反馈系统,通过此系统判断卫星载波功率与带宽是否处于正常监控循环状态。在非正常监控循环状态通过功带平衡闭环反馈算法实现功率带宽平衡的自动调节,系统配置前后星上行波管放大器内的接收电平从1.5 dB的波动压缩到0.5 dB内,小站接收载噪比波动差值从2.3 dB降低到0.4 dB,保证了功率带宽平衡,优化了固定分配造成的局限性,适用于目前的多波束高通量卫星.
基于横向扼流法的宽带带状线小室设计
陈乐东, 吴建飞, 王芳, 王宏义, 桂新海
, doi: 10.12265/j.cjors.2022007
摘要:
为扩展带状线小室工作带宽,基于标准IEC61967-8对EM601-6型带状线小室进行改进,提出芯板开缝的方法扼止横向电流,在三维电磁仿真软件CST中建立了带状线小室的三维仿真模型,并计算出改进后带状线小室的S参数和电压驻波比(VSWR). 计算结果表明,芯板开缝的带状线小室的上限可用频率由6 GHz提高到了7 GHz. 根据仿真结果加工制作的实物,虽然S21S11比仿真结果差,但是在标准要求的范围内工作带宽仍提高到了7 GHz以上. 为扩展带状线小室工作带宽,基于标准IEC61967-8对EM601-6型带状线小室进行改进,提出芯板开缝的方法扼止横向电流,在三维电磁仿真软件CST中建立了带状线小室的三维仿真模型,并计算出改进后带状线小室的S参数和电压驻波比(VSWR). 计算结果表明,芯板开缝的带状线小室的上限可用频率由6 GHz提高到了7 GHz. 根据仿真结果加工制作的实物,虽然S21S11比仿真结果差,但是在标准要求的范围内工作带宽仍提高到了7 GHz以上.
无线信道建模中二分K均值聚类多径分簇算法
聂益芳, MBUGUAAllan Wainaina, 李余, 姚行艳, 蔡雪松
, doi: 10.12265/j.cjors.2022021
摘要:
为了对无线信道中的多径分量(multiple path component,MPC)进行合理分簇,提出了一种毫米波信道二分K均值聚类多径分簇方法,解决了传统的K均值聚类分簇方法只能实现局部最优分簇的问题. 研究采用马氏距离(Mahalanobis distance, MD)衡量多径分量距离 (multipath component distance, MCD),以簇分裂和迭代计算的方式对多径进行分簇. 研究采用毫米波室内信道实验测试数据,验证了所提算法的有效性和可行性. 结果表明,所提算法比传统K均值聚类分簇方法获得的分簇结果更合理,能将信道中多径参数相似度较高的多径有效且唯一地分配到同一簇. 为了对无线信道中的多径分量(multiple path component,MPC)进行合理分簇,提出了一种毫米波信道二分K均值聚类多径分簇方法,解决了传统的K均值聚类分簇方法只能实现局部最优分簇的问题. 研究采用马氏距离(Mahalanobis distance, MD)衡量多径分量距离 (multipath component distance, MCD),以簇分裂和迭代计算的方式对多径进行分簇. 研究采用毫米波室内信道实验测试数据,验证了所提算法的有效性和可行性. 结果表明,所提算法比传统K均值聚类分簇方法获得的分簇结果更合理,能将信道中多径参数相似度较高的多径有效且唯一地分配到同一簇.
手臂电磁通道特征研究
王宜颖, 周成贵, 曾昭锋, 范友康, 潘旺华
, doi: 10.12265/j.cjors.2022014
摘要:
依据现有研究结果和未来体域网发展趋势研究了手臂电磁通道特征. 将两个同样工作在5.8 GHz、尺寸为4 cm\begin{document}$ \times $\end{document}4 cm的全织物贴片天线作为收发两端,研究竖直状态下手臂的传输特征;再依据自然行走状态,模拟前摆最大值位置、自然下垂和后摆最大值位置手臂的动态过程. 通过对天线在空气和手臂不同位置上传输特征的对比分析,确定表面波对传输特征的影响,并采用曲线拟合方法获得相对路径损耗预测模型;通过对比手臂三种自然状态的实测结果,建立路径损耗的预测模型. 研究表明,对自然下垂状态下的预测模型进行简单的修正即可较好地预测前摆和后摆时的路径损耗. 依据现有研究结果和未来体域网发展趋势研究了手臂电磁通道特征. 将两个同样工作在5.8 GHz、尺寸为4 cm$ \times $4 cm的全织物贴片天线作为收发两端,研究竖直状态下手臂的传输特征;再依据自然行走状态,模拟前摆最大值位置、自然下垂和后摆最大值位置手臂的动态过程. 通过对天线在空气和手臂不同位置上传输特征的对比分析,确定表面波对传输特征的影响,并采用曲线拟合方法获得相对路径损耗预测模型;通过对比手臂三种自然状态的实测结果,建立路径损耗的预测模型. 研究表明,对自然下垂状态下的预测模型进行简单的修正即可较好地预测前摆和后摆时的路径损耗.
2比特移相电路非理想时间调制的谐波特性研究
向磊, 高彦昌, 罗玉川, 朱昱康, 陈靖峰, 金荣洪, 梁仙灵
, doi: 10.12265/j.cjors.2021321
摘要:
围绕宽带高频高效率时间调制阵列天线,研究基于2比特移相电路的非理想时间调制的谐波特性,建立梯形波和升余弦波时间调制的数学理论模型. 以此分析了射频开关调制波形的变化对2比特移相电路输出信号各次谐波分量的能量占比、幅度、相位的影响;进一步分析了2比特移相电路各种状态的幅度和相位偏差对输出信号各次谐波分量的能量占比、幅度、相位的影响. 该研究为基于2比特移相电路的时间调制阵列提供更为精确的幅度和相位调控技术. 围绕宽带高频高效率时间调制阵列天线,研究基于2比特移相电路的非理想时间调制的谐波特性,建立梯形波和升余弦波时间调制的数学理论模型. 以此分析了射频开关调制波形的变化对2比特移相电路输出信号各次谐波分量的能量占比、幅度、相位的影响;进一步分析了2比特移相电路各种状态的幅度和相位偏差对输出信号各次谐波分量的能量占比、幅度、相位的影响. 该研究为基于2比特移相电路的时间调制阵列提供更为精确的幅度和相位调控技术.
青藏高原东北部双极性窄脉冲放电物理参数模型反演
王彦辉, 刘亚栎, 金旺, 闵应昌, 刘银萍, 赵果
, doi: 10.12265/j.cjors.2021283
摘要:
利用青藏高原东北部青海地区三维定位数据和双极性窄脉冲电场波形同步数据,基于3种模型和粒子群优化算法,拟合并反演了双极性窄脉冲放电通道中电流峰值、通道尺度等特征参数,统计分析了不同传输线模型拟合得到的双极性窄脉冲的物理参数. 结果表明,在基于流光-先导的准静电场传统空气热击穿机制的TL模型和MTLK模型中,相比TL模型,MTLK模型考虑了电流传输过程中能量的损耗,更符合实际;而基于准静电场相对逃逸雪崩击穿机制的MTLEI模型,相比较另两种传输线模型,表现为更窄放电通道内存在长时间随着高度呈指数递增的电流强度. 3种传输线模型反演得到的电偶极矩范围为100~800 C·m,而更高处发生的双极性窄脉冲事件(narrow bipolar event, NBE)通常具有更大电偶极矩. 利用青藏高原东北部青海地区三维定位数据和双极性窄脉冲电场波形同步数据,基于3种模型和粒子群优化算法,拟合并反演了双极性窄脉冲放电通道中电流峰值、通道尺度等特征参数,统计分析了不同传输线模型拟合得到的双极性窄脉冲的物理参数. 结果表明,在基于流光-先导的准静电场传统空气热击穿机制的TL模型和MTLK模型中,相比TL模型,MTLK模型考虑了电流传输过程中能量的损耗,更符合实际;而基于准静电场相对逃逸雪崩击穿机制的MTLEI模型,相比较另两种传输线模型,表现为更窄放电通道内存在长时间随着高度呈指数递增的电流强度. 3种传输线模型反演得到的电偶极矩范围为100~800 C·m,而更高处发生的双极性窄脉冲事件(narrow bipolar event, NBE)通常具有更大电偶极矩.
新型电阻膜吸波体在封装辐射抑制中的应用
霍树云, 李燕, 李尔平
, doi: 10.12265/j.cjors.2022030
摘要:
为了抑制封装系统中无意的电磁辐射,设计了一种单元尺寸为0.079λL× 0.079λL、厚度为0.057λL的新型电阻膜超材料吸波体结构. 该电阻膜超材料吸波体通过在玻璃基板的两侧溅射氧化铟锡薄膜,并在顶层设计图案化的强耦合结构实现了超带宽吸收. 通过仿真和实物测试证实了该吸波体结构在17~41 GHz频率范围内具有90%以上的吸收率. 为了进一步研究其电磁辐射抑制能力,将该吸波体应用于封装系统模型中,仿真结果显示在18~47 GHz频率范围内3 m辐射电场明显降低,最佳抑制效果达到18 dB. 所有结果表明所提出的电阻膜吸波体具有小型化、超宽带、极化不敏感和角度稳定的特性,其良好的辐射抑制能力为封装系统的辐射超标问题提供了新的解决思路. 为了抑制封装系统中无意的电磁辐射,设计了一种单元尺寸为0.079λL× 0.079λL、厚度为0.057λL的新型电阻膜超材料吸波体结构. 该电阻膜超材料吸波体通过在玻璃基板的两侧溅射氧化铟锡薄膜,并在顶层设计图案化的强耦合结构实现了超带宽吸收. 通过仿真和实物测试证实了该吸波体结构在17~41 GHz频率范围内具有90%以上的吸收率. 为了进一步研究其电磁辐射抑制能力,将该吸波体应用于封装系统模型中,仿真结果显示在18~47 GHz频率范围内3 m辐射电场明显降低,最佳抑制效果达到18 dB. 所有结果表明所提出的电阻膜吸波体具有小型化、超宽带、极化不敏感和角度稳定的特性,其良好的辐射抑制能力为封装系统的辐射超标问题提供了新的解决思路.
电磁频谱数据的关联规则挖掘
王圆春, 肖东, 林云
, doi: 10.12265/j.cjors.2021225
摘要:
为更合理利用频谱资源以及更好地评估各类电磁环境,本文提出一种基于关联规则挖掘的频谱数据挖掘方案. 该方案首先基于一般挖掘流程获取了频谱数据中的有用信息,包括异常信息、底噪信息、占用度信息和预定时间功率信息等;再将频谱信息作为关联分析对象,通过构建关联库,构建模糊集,基于模糊关联规则挖掘算法对频谱信息进行了系统性的分析. 本文对传统的算子选择策略加以改进,使用大尺度参数改进模糊隶属函数. 通过实测数据集的验证分析,实验结果表明,频谱信息的强关联规则能反映各种信息之间的隐含的关联性以及各种信息出现的频次;基于频谱信息的关联规则挖掘能有效地简化频谱挖掘工作,通过各种信息的关联性可以通过分析一部分频谱信息而得到另外的频谱信息. 频谱信息的关联规则可以用于进行电磁无线电环境的评估,选择合适的频谱信息该方案可以应用于各类电磁环境的评估. 为更合理利用频谱资源以及更好地评估各类电磁环境,本文提出一种基于关联规则挖掘的频谱数据挖掘方案. 该方案首先基于一般挖掘流程获取了频谱数据中的有用信息,包括异常信息、底噪信息、占用度信息和预定时间功率信息等;再将频谱信息作为关联分析对象,通过构建关联库,构建模糊集,基于模糊关联规则挖掘算法对频谱信息进行了系统性的分析. 本文对传统的算子选择策略加以改进,使用大尺度参数改进模糊隶属函数. 通过实测数据集的验证分析,实验结果表明,频谱信息的强关联规则能反映各种信息之间的隐含的关联性以及各种信息出现的频次;基于频谱信息的关联规则挖掘能有效地简化频谱挖掘工作,通过各种信息的关联性可以通过分析一部分频谱信息而得到另外的频谱信息. 频谱信息的关联规则可以用于进行电磁无线电环境的评估,选择合适的频谱信息该方案可以应用于各类电磁环境的评估.
基于迭代多尺度深度网络的非线性逆散射成像方法
周辉林, 黄鑫, 王玉皞
, doi: 10.12265/j.cjors.2021291
摘要:
传统的迭代多尺度方法(iterative multiscaling approach, IMA)在求解非线性电磁场逆散射问题时,可以自适应提高成像空间的分辨率,缓解逆问题的病态性,但容易陷入局部极小值且无法做到实时重构. 文中提出了一种迭代多尺度深度网络,该网络结合传统IMA和深度网络的优势,将IMA展开成深度网络模型,命名为IMA-Net. 该方法迭代地执行一种感兴趣区域(regions of interest, RoI)提取算法,在不同尺度的RoI内构建目标函数,并将目标函数分解成若干个优化子问题,子问题的迭代更新过程映射到深度网络结构中,交替更新相关分量,求解出目标函数的最优值. 实验结果验证了该方法的有效性和优越性,为目标实时重构提供了一个有效方案. 传统的迭代多尺度方法(iterative multiscaling approach, IMA)在求解非线性电磁场逆散射问题时,可以自适应提高成像空间的分辨率,缓解逆问题的病态性,但容易陷入局部极小值且无法做到实时重构. 文中提出了一种迭代多尺度深度网络,该网络结合传统IMA和深度网络的优势,将IMA展开成深度网络模型,命名为IMA-Net. 该方法迭代地执行一种感兴趣区域(regions of interest, RoI)提取算法,在不同尺度的RoI内构建目标函数,并将目标函数分解成若干个优化子问题,子问题的迭代更新过程映射到深度网络结构中,交替更新相关分量,求解出目标函数的最优值. 实验结果验证了该方法的有效性和优越性,为目标实时重构提供了一个有效方案.
一种高效的雷达信号综合分选算法
成文海, 卢伟, 刘毅, 晁坤, 张群英
, doi: 10.12265/j.cjors.2022020
摘要:
雷达信号分选是雷达对抗研究的重点问题,其性能直接影响雷达对抗系统的效能. 脉冲重复间隔(pulse repetition interval, PRI)变换分选算法是一种经典的雷达信号分选算法,其对PRI抖动和脉冲缺失有良好的适应性,但存在计算量大,无法满足实时计算的需求以及无法分选PRI值相同或相近的脉冲序列的问题. 本文提出一种高效的雷达信号综合分选算法有效解决了上述问题。算法首先利用基于聚类的直方图算法估计出潜在PRI值集合,然后采用PRI识别准则筛选潜在PRI值,进一步利用PRI变换算法估计真实的PRI值,最后采用改进的序列检索算法完成脉冲序列的分离. 仿真实验表明,在PRI抖动率为+10%,脉冲缺失率为10%时、算法能正确分选同时到达的四部雷达信号,验证了所提分选算法的有效性与先进性. 雷达信号分选是雷达对抗研究的重点问题,其性能直接影响雷达对抗系统的效能. 脉冲重复间隔(pulse repetition interval, PRI)变换分选算法是一种经典的雷达信号分选算法,其对PRI抖动和脉冲缺失有良好的适应性,但存在计算量大,无法满足实时计算的需求以及无法分选PRI值相同或相近的脉冲序列的问题. 本文提出一种高效的雷达信号综合分选算法有效解决了上述问题。算法首先利用基于聚类的直方图算法估计出潜在PRI值集合,然后采用PRI识别准则筛选潜在PRI值,进一步利用PRI变换算法估计真实的PRI值,最后采用改进的序列检索算法完成脉冲序列的分离. 仿真实验表明,在PRI抖动率为+10%,脉冲缺失率为10%时、算法能正确分选同时到达的四部雷达信号,验证了所提分选算法的有效性与先进性.
基于数字编码超材料的大视场前视成像方法
高思哲, 马晖, 王国强, 刘宏伟
, doi: 10.12265/j.cjors.2021342
摘要:
雷达前视成像中,成像性能主要依赖于阵列孔径与超分辨成像,针对传统雷达大视场前视成像算法复杂度高、系统造价昂贵等问题,提出了一种基于数字编码超材料的单通道雷达前视成像方法,并提出利用阈值分割方法实现大视场成像区域的精细划分,结合超材料的数字编码来提升空间成像的局域自由度,最终实现了对大视场的快速精细化成像;在此基础上,开展了超材料孔径成像理论与算法性能的统计分析。经仿真验证,本文所提方法在一定程度上解决了传统大视角前视成像问题,形成了一套体系化算法,为数字编码超材料雷达探测与成像系统的设计奠定了基础。 雷达前视成像中,成像性能主要依赖于阵列孔径与超分辨成像,针对传统雷达大视场前视成像算法复杂度高、系统造价昂贵等问题,提出了一种基于数字编码超材料的单通道雷达前视成像方法,并提出利用阈值分割方法实现大视场成像区域的精细划分,结合超材料的数字编码来提升空间成像的局域自由度,最终实现了对大视场的快速精细化成像;在此基础上,开展了超材料孔径成像理论与算法性能的统计分析。经仿真验证,本文所提方法在一定程度上解决了传统大视角前视成像问题,形成了一套体系化算法,为数字编码超材料雷达探测与成像系统的设计奠定了基础。
前视成像中Keystone变换残余距离走动的频域补偿
李泽森, 李悦丽, 张金福
, doi: 10.12265/j.cjors.2021338
摘要:
空载平台采用扫描模式进行前视成像时,平台运动会导致目标积累时间内出现距离走动和多普勒模糊。Keystone变换可以补偿前视扫描时间内目标的跨距离单元走动,但是在发生多普勒模糊的情况下,Keystone校正的模糊数补偿可能引入速度残差,导致目标定位误差。针对此,本文研究了空载平台前视成像的Keystone校正方法,提出一种在频域补偿Keystone变换残余距离走动的方法,即基于速度残差进行距离走动校正降低残余包络误差,实现目标的聚焦与准确定位。基于单脉冲前视成像的理论分析与仿真实验验证了所提出算法的有效性。 空载平台采用扫描模式进行前视成像时,平台运动会导致目标积累时间内出现距离走动和多普勒模糊。Keystone变换可以补偿前视扫描时间内目标的跨距离单元走动,但是在发生多普勒模糊的情况下,Keystone校正的模糊数补偿可能引入速度残差,导致目标定位误差。针对此,本文研究了空载平台前视成像的Keystone校正方法,提出一种在频域补偿Keystone变换残余距离走动的方法,即基于速度残差进行距离走动校正降低残余包络误差,实现目标的聚焦与准确定位。基于单脉冲前视成像的理论分析与仿真实验验证了所提出算法的有效性。
运动调制的间断型长箔条散射特性研究
甘琳, 李健兵, 杨坤龙, 王雪松
, doi: 10.12265/j.cjors.2022005
摘要:
随着高分辨、分布式、组网融合的雷达系统的发展,传统箔条面临着干扰效率不足、三维维形困难等问题. 针对发展低维高效的箔条干扰方式的需求,提出了一种由传统箔条串接而成的间断型长箔条,通过模态分析和数值仿真研究了其在稀薄大气中的运动学特性和散射特性. 该类箔条由考虑了缩短效应的多根传统箔条间隔一定距离依次相连形成,旨在通过约束传统箔条在稀薄大气中的自由扩散,维持雷达距离单元内较高的箔条密度,从而提高干扰效率. 仿真结果表明,在不同指向条件下,单根7.44 m间断型长箔条两分钟内的(radar cross section, RCS)均未出现下降趋势,仅在均值附近上下波动;单根7.44 m间断型长箔条在X波段各频点的平均RCS较同质量的传统箔条均有所提升,10 GHz条件下至少提升了3 dB;100根随机分布的7.44 m间断型长箔条形成的箔条云RCS均值约为−9 dBsm,较相同条件下传统箔条形成的箔条云提升了6~7 dB. 新型间断型长箔条可为典型小RCS目标的高效费比防护提供支撑. 随着高分辨、分布式、组网融合的雷达系统的发展,传统箔条面临着干扰效率不足、三维维形困难等问题. 针对发展低维高效的箔条干扰方式的需求,提出了一种由传统箔条串接而成的间断型长箔条,通过模态分析和数值仿真研究了其在稀薄大气中的运动学特性和散射特性. 该类箔条由考虑了缩短效应的多根传统箔条间隔一定距离依次相连形成,旨在通过约束传统箔条在稀薄大气中的自由扩散,维持雷达距离单元内较高的箔条密度,从而提高干扰效率. 仿真结果表明,在不同指向条件下,单根7.44 m间断型长箔条两分钟内的(radar cross section, RCS)均未出现下降趋势,仅在均值附近上下波动;单根7.44 m间断型长箔条在X波段各频点的平均RCS较同质量的传统箔条均有所提升,10 GHz条件下至少提升了3 dB;100根随机分布的7.44 m间断型长箔条形成的箔条云RCS均值约为−9 dBsm,较相同条件下传统箔条形成的箔条云提升了6~7 dB. 新型间断型长箔条可为典型小RCS目标的高效费比防护提供支撑.
基于射线追踪的TIDs期间电离层高阶效应及多普勒效应仿真
王康宁, 付海洋
, doi: 10.12265/j.cjors.2022008
摘要:
电离层行进式扰动(traveling ionospheric disturbances, TIDs)是一种常见的电离层扰动形式,对电磁波(如卫星导航)信号的传播过程有着重要影响. 为研究TIDs对卫星导航信号传播效应,本文基于三维射线追踪方法对导航信号在空间电离层磁等离子体的传播进行仿真,重点研究TIDs情况下电离层二阶效应和多普勒效应. 首先,通过在NeQuick电离层模型上添加电离层扰动建立TIDs仿真生成模型, 该模型能够模拟多种尺度的TIDs结构. 其次,基于我国南北方两个虚拟站点,仿真模拟得到导航信号在TIDs发生时的传播特性. 然后,计算得到不同仰角和方位角时卫星导航信号的电离层二阶效应和多普勒效应等参数. 最后,分析TIDs参数对电离层二阶效应和多普勒效应的影响. 仿真结果表明,在本文仿真参数下电离层二阶和多普勒效应在低射线仰角情况下更明显,TIDs多普勒效应和TIDs周期相关性明显. 电离层行进式扰动(traveling ionospheric disturbances, TIDs)是一种常见的电离层扰动形式,对电磁波(如卫星导航)信号的传播过程有着重要影响. 为研究TIDs对卫星导航信号传播效应,本文基于三维射线追踪方法对导航信号在空间电离层磁等离子体的传播进行仿真,重点研究TIDs情况下电离层二阶效应和多普勒效应. 首先,通过在NeQuick电离层模型上添加电离层扰动建立TIDs仿真生成模型, 该模型能够模拟多种尺度的TIDs结构. 其次,基于我国南北方两个虚拟站点,仿真模拟得到导航信号在TIDs发生时的传播特性. 然后,计算得到不同仰角和方位角时卫星导航信号的电离层二阶效应和多普勒效应等参数. 最后,分析TIDs参数对电离层二阶效应和多普勒效应的影响. 仿真结果表明,在本文仿真参数下电离层二阶和多普勒效应在低射线仰角情况下更明显,TIDs多普勒效应和TIDs周期相关性明显.
用于口舌驱动系统的双频植入式天线设计
崔文杰, 李子巍, 刘阔, 范超, 王蒙军, 郑宏兴, 李尔平
, doi: 10.12265/j.cjors.2022019
摘要:
口舌驱动系统是一种能够为丧失自主生活能力的患者提供帮助的辅助技术. 为了满足该系统工作需求并为其提供良好的无线通信能力,提出了一种具有双频、柔性、宽频和小型化特性的植入式天线设计方案. 考虑计算时间及设计方案的可行性,天线的设计在单层人体肌肉模型中完成,为了探究天线在口舌驱动系统中的性能表现,提出了多层人体口腔模型. 借助曲流结构和缺陷地结构实现了天线的小型化设计,通过调整天线的馈电点位置,实现了天线的双频和宽带特性,通过在天线上下表面涂覆与介质基板相同材料的保护层,避免了天线与人体的直接接触从而提高了生物安全性. 通过仿真确定了天线的最佳几何结构,并在新鲜猪肉和皮肤仿真液中进行测量,结果表明,该天线能够稳定工作在0.433 GHz和2.45 GHz频段. 天线在两个频段的阻抗带宽分别达到了78.2%和34.2%,而整体尺寸仅为10 mm×10 mm×0.35 mm,同时天线表现出较低的比吸收率值. 在此基础上,进行了远场数据传输测试,结果表明天线具有良好的远场传输能力,能够满足口舌驱动系统的应用需求. 口舌驱动系统是一种能够为丧失自主生活能力的患者提供帮助的辅助技术. 为了满足该系统工作需求并为其提供良好的无线通信能力,提出了一种具有双频、柔性、宽频和小型化特性的植入式天线设计方案. 考虑计算时间及设计方案的可行性,天线的设计在单层人体肌肉模型中完成,为了探究天线在口舌驱动系统中的性能表现,提出了多层人体口腔模型. 借助曲流结构和缺陷地结构实现了天线的小型化设计,通过调整天线的馈电点位置,实现了天线的双频和宽带特性,通过在天线上下表面涂覆与介质基板相同材料的保护层,避免了天线与人体的直接接触从而提高了生物安全性. 通过仿真确定了天线的最佳几何结构,并在新鲜猪肉和皮肤仿真液中进行测量,结果表明,该天线能够稳定工作在0.433 GHz和2.45 GHz频段. 天线在两个频段的阻抗带宽分别达到了78.2%和34.2%,而整体尺寸仅为10 mm×10 mm×0.35 mm,同时天线表现出较低的比吸收率值. 在此基础上,进行了远场数据传输测试,结果表明天线具有良好的远场传输能力,能够满足口舌驱动系统的应用需求.
基于局部搜索的机载外辐射源干扰抑制算法
邓亚琦, 张赛文, 李稳国, 肖卫初
, doi: 10.12265/j.cjors.2021308
摘要:
在机载外辐射源雷达不纯净参考信号条件下,参考通道中的多径与回波匹配得到的干扰将降低空时自适应处理的目标检测能力,而网格失配问题严重影响了干扰的估计性能. 本文针对网格失配下的机载外辐射源干扰抑制问题,提出一种基于局部搜索的干扰估计算法. 该算法在干扰稀疏观测模型的基础上构建全局距离-多普勒字典,从中选择与干扰相匹配的全局网格点;然后以该全局网格点为中心,对多普勒平面精细划分来构建局部多普勒字典,并选择与干扰更匹配的局部网格点;最后估计干扰的距离-多普勒像以实现干扰抑制,克服不纯净参考信号的影响. 仿真结果表明,所提算法可降低网格失配导致的抑制性能损失,有效提高不纯净参考信号下空时处理的目标检测能力. 在机载外辐射源雷达不纯净参考信号条件下,参考通道中的多径与回波匹配得到的干扰将降低空时自适应处理的目标检测能力,而网格失配问题严重影响了干扰的估计性能. 本文针对网格失配下的机载外辐射源干扰抑制问题,提出一种基于局部搜索的干扰估计算法. 该算法在干扰稀疏观测模型的基础上构建全局距离-多普勒字典,从中选择与干扰相匹配的全局网格点;然后以该全局网格点为中心,对多普勒平面精细划分来构建局部多普勒字典,并选择与干扰更匹配的局部网格点;最后估计干扰的距离-多普勒像以实现干扰抑制,克服不纯净参考信号的影响. 仿真结果表明,所提算法可降低网格失配导致的抑制性能损失,有效提高不纯净参考信号下空时处理的目标检测能力.
基于频谱特征分析的多谐波时间调制阵列测向方法
刘晗, 陈靖峰, 杨柳, 倪刚, 贺冲, 金荣洪
, doi: 10.12265/j.cjors.2021275
摘要:
针对基于谐波特征分析的时间调制阵列(time modulated array, TMA)测向技术中信息利用率低的问题,本文提出了一种基于信号频谱特征分析的多谐波TMA测向方法. 通过分析接收信号的频谱特征,构建了基于信号频谱特征多谐波测向模型,推导了基于频谱特征的来波方向最优线性无偏估计(best linear unbiased estimation, BLUE)表达式,从而提高了测向精度及稳定性. 本文以BPSK信号为例,通过仿真实验验证了所提算法的有效性,同时搭建了工作于S频段的二单元TMA测向系统证实了所提方法的可行性. 针对基于谐波特征分析的时间调制阵列(time modulated array, TMA)测向技术中信息利用率低的问题,本文提出了一种基于信号频谱特征分析的多谐波TMA测向方法. 通过分析接收信号的频谱特征,构建了基于信号频谱特征多谐波测向模型,推导了基于频谱特征的来波方向最优线性无偏估计(best linear unbiased estimation, BLUE)表达式,从而提高了测向精度及稳定性. 本文以BPSK信号为例,通过仿真实验验证了所提算法的有效性,同时搭建了工作于S频段的二单元TMA测向系统证实了所提方法的可行性.
基于双向抛物方程模型的雷达低角跟踪误差分析
曹熙, 冯菊, 余洪鑫, 吕德程
, doi: 10.12265/j.cjors.2021304
摘要:
针对雷达跟踪低空目标受地理环境影响的仰角估计误差问题,提出了一种基于双向抛物方程(two-way parabolic equation, 2WPE)模型的低角跟踪误差分析方法。采用2WPE建立综合考虑复杂地理条件和雷达参数影响的多径效应模型,分析电波与环境的相互作用机理,计算获得环境传播因子,将其引入传统测角模型,使之具备复杂地理环境下的确定性仿真分析能力。仿真计算了平滑海面、起伏地形等典型环境下的低角跟踪误差,结果表明:雷达发射波束宽度、雷达信号频率及雷达站周围的地理环境都对仰角估计误差有着较大影响。本文提出的方法原理简单、易于实现,在雷达低角跟踪及其抗多径干扰领域具有广阔的应用前景。 针对雷达跟踪低空目标受地理环境影响的仰角估计误差问题,提出了一种基于双向抛物方程(two-way parabolic equation, 2WPE)模型的低角跟踪误差分析方法。采用2WPE建立综合考虑复杂地理条件和雷达参数影响的多径效应模型,分析电波与环境的相互作用机理,计算获得环境传播因子,将其引入传统测角模型,使之具备复杂地理环境下的确定性仿真分析能力。仿真计算了平滑海面、起伏地形等典型环境下的低角跟踪误差,结果表明:雷达发射波束宽度、雷达信号频率及雷达站周围的地理环境都对仰角估计误差有着较大影响。本文提出的方法原理简单、易于实现,在雷达低角跟踪及其抗多径干扰领域具有广阔的应用前景。
太赫兹光谱成像龋齿检测
才家华, 周江平, 王倩倩, 光梦凯, 金洁琪, 杨玉平, 吴晓君
, doi: 10.12265/j.cjors.2021348
摘要:
龋齿是一种广泛存在的慢性传染病,如果不及时采取治疗措施,可能会引发一系列口腔和人体健康问题,因此龋齿的早期筛查和治疗后的恢复跟踪诊疗非常重要. 太赫兹电磁波对牙齿拥有较强的穿透性和非电离辐射,使其成为未来龋齿早筛的重要潜在手段之一. 本文使用太赫兹时域光谱成像分析仪对含有龋病的牙齿切片进行了二维太赫兹脉冲透射扫描成像. 实验结果表明:由于牙齿中不同组织对太赫兹脉冲的响应不同,该技术可有效对牙釉质、牙本质和牙釉质龋进行区分和检测;采用频域成像分析,也可对牙本质龋进行检测. 太赫兹谱学成像技术可为龋齿早期筛查提供一种无电离辐射、非接触、高可靠性的新手段. 龋齿是一种广泛存在的慢性传染病,如果不及时采取治疗措施,可能会引发一系列口腔和人体健康问题,因此龋齿的早期筛查和治疗后的恢复跟踪诊疗非常重要. 太赫兹电磁波对牙齿拥有较强的穿透性和非电离辐射,使其成为未来龋齿早筛的重要潜在手段之一. 本文使用太赫兹时域光谱成像分析仪对含有龋病的牙齿切片进行了二维太赫兹脉冲透射扫描成像. 实验结果表明:由于牙齿中不同组织对太赫兹脉冲的响应不同,该技术可有效对牙釉质、牙本质和牙釉质龋进行区分和检测;采用频域成像分析,也可对牙本质龋进行检测. 太赫兹谱学成像技术可为龋齿早期筛查提供一种无电离辐射、非接触、高可靠性的新手段.
基于原子范数最小化的单比特稀疏双极子阵列的波达角估计
程智勇, 陈胜垚, 吴文, 刘中
, doi: 10.12265/j.cjors.2022022
摘要:
现有的单比特稀疏双极子阵列的波达角估计方法为子空间方法,其估计精度依赖于信号的统计特征,并且没有充分利用协方差矩阵的结构,导致其估计精度较低。为了提高该阵列的波达角估计精度,本文提出了一种基于原子范数最小化的无网格稀疏化波达角估计方法。该方法将稀疏双极子阵列的波达角估计转化为标量阵波达角估计,并根据参数空间的连续性构造基于原子集的阵列信号稀疏模型,随后利用单比特采样下噪声的稀疏特征,将该波达角估计问题转化为\begin{document}${l_1}$\end{document}范数约束下的原子范数最小化问题,并且给出一种基于交替方向乘子法的快速迭代求解方法。仿真结果表明:相较于现有的方法,本文所提方法有着更高的估计精度,在嵌套阵上,当信噪比为-5 dB时,其估计精度均方误差降低了17.9 dB;并且将求解原子范数最小化的计算复杂度由\begin{document}$O({N^{6.5}})$\end{document}降低为\begin{document}$O({N^3})$\end{document},其中\begin{document}$N$\end{document}为与稀疏阵具有相同孔径和相同阵元间距的均匀线阵的阵元个数。 现有的单比特稀疏双极子阵列的波达角估计方法为子空间方法,其估计精度依赖于信号的统计特征,并且没有充分利用协方差矩阵的结构,导致其估计精度较低。为了提高该阵列的波达角估计精度,本文提出了一种基于原子范数最小化的无网格稀疏化波达角估计方法。该方法将稀疏双极子阵列的波达角估计转化为标量阵波达角估计,并根据参数空间的连续性构造基于原子集的阵列信号稀疏模型,随后利用单比特采样下噪声的稀疏特征,将该波达角估计问题转化为${l_1}$范数约束下的原子范数最小化问题,并且给出一种基于交替方向乘子法的快速迭代求解方法。仿真结果表明:相较于现有的方法,本文所提方法有着更高的估计精度,在嵌套阵上,当信噪比为-5 dB时,其估计精度均方误差降低了17.9 dB;并且将求解原子范数最小化的计算复杂度由$O({N^{6.5}})$降低为$O({N^3})$,其中$N$为与稀疏阵具有相同孔径和相同阵元间距的均匀线阵的阵元个数。
基于深度迭代网络的穿墙雷达成像方法
王玉皞, 张玥, 周辉林, 刘且根, 蔡琦
, doi: 10.12265/j.cjors.2021325
摘要:
联合墙杂波去除及图像重建迭代求解方法为当前较前沿的穿墙雷达成像(through-the-wall radar imaging, TWRI)算法,能够同时滤除墙体杂波和重构目标图像,但仍存在收敛速度慢、人工干预过多以及对初值的选取敏感等问题,难以快速精确地进行目标成像. 针对上述问题,本文提出一种联合低秩与稀疏分解驱动的可学习深度迭代网络的TWRI方法. 该方法利用穿墙雷达场景下墙体杂波的低秩特性以及待重建目标图像的稀疏特性,首先将问题建模为联合低秩与稀疏分解的正则化优化问题,然后采用变分框架和轮换策略将优化问题转化成两个准线性优化子问题并推导其更新公式,最后将上述迭代更新公式映射到网络结构中,展开成深度迭代网络模型并采用端到端学习策略,形成融合物理模型的可学习深度迭代网络框架. 仿真结果表明该方法能够有效去除墙体杂波,相对于其他方法显著提高了目标成像精度和速度. 联合墙杂波去除及图像重建迭代求解方法为当前较前沿的穿墙雷达成像(through-the-wall radar imaging, TWRI)算法,能够同时滤除墙体杂波和重构目标图像,但仍存在收敛速度慢、人工干预过多以及对初值的选取敏感等问题,难以快速精确地进行目标成像. 针对上述问题,本文提出一种联合低秩与稀疏分解驱动的可学习深度迭代网络的TWRI方法. 该方法利用穿墙雷达场景下墙体杂波的低秩特性以及待重建目标图像的稀疏特性,首先将问题建模为联合低秩与稀疏分解的正则化优化问题,然后采用变分框架和轮换策略将优化问题转化成两个准线性优化子问题并推导其更新公式,最后将上述迭代更新公式映射到网络结构中,展开成深度迭代网络模型并采用端到端学习策略,形成融合物理模型的可学习深度迭代网络框架. 仿真结果表明该方法能够有效去除墙体杂波,相对于其他方法显著提高了目标成像精度和速度.
一种抑制多径影响的全向高增益天线
傅强之, 赵云
, doi: 10.12265/j.cjors.2021281
摘要:
为抑制机载异形地板多径效应对天线方向图的影响,本文提出了一种抑制多径影响的全向高增益垂直极化天线. 该天线由四个对称分布的蝶形偶极子单元构成,阵子臂采用渐变结构来展宽带宽. 蝶形电偶极子依次布置于微带地板走线两侧,可优化水平面方向图不圆度. 设置四个垂直分布的蝶形电偶极子的馈电相位来降低天线方向图的打地电平,进而抑制地板多径效应的影响. 通过理论分析及电磁仿真计算,确定了天线的最优结构以及单元馈电相位差,并进行了实物加工和测量. 实测结果表明,在约束尺寸下四单元相位差为25°时能够有效抑制由Y轴长地板引起的多径零深,实测与仿真结果吻合较好. 该天线的提出为安装于异形地板上的高增益天线阵提供了一种抑制多径影响的方案. 为抑制机载异形地板多径效应对天线方向图的影响,本文提出了一种抑制多径影响的全向高增益垂直极化天线. 该天线由四个对称分布的蝶形偶极子单元构成,阵子臂采用渐变结构来展宽带宽. 蝶形电偶极子依次布置于微带地板走线两侧,可优化水平面方向图不圆度. 设置四个垂直分布的蝶形电偶极子的馈电相位来降低天线方向图的打地电平,进而抑制地板多径效应的影响. 通过理论分析及电磁仿真计算,确定了天线的最优结构以及单元馈电相位差,并进行了实物加工和测量. 实测结果表明,在约束尺寸下四单元相位差为25°时能够有效抑制由Y轴长地板引起的多径零深,实测与仿真结果吻合较好. 该天线的提出为安装于异形地板上的高增益天线阵提供了一种抑制多径影响的方案.
基于多站观测的短波电离层信道一致性与相参性研究
刘桐辛, 周晨, 杨国斌, 姜春华, 赵正予, 张宏
, doi: 10.12265/j.cjors.2021127
摘要:
对分布式短波雷达系统与短波时差定位而言,短波电离层信道特性参数的一致性与相参性是需要重点考虑的因素. 本文利用自主设备在武汉、道孚、乐山三处初步开展了同步组网的多站短波电离层信道斜向探测实验. 结果表明,太阳地磁活动平静期间,武汉-道孚、武汉-乐山两条相近链路信道群距离日变化、群距离展宽、多普勒频移、多普勒展宽等相关特性的统计特征基本相同,道孚、乐山接收到的武汉所发信号经电离层传播后仍可得到明显的相关峰,并同时具有线性相位变化规律和稳定的相位差. 研究表明,在相距不远的范围上,临近的短波电离层信道可以有着较好的参数一致性和相参性. 对分布式短波雷达系统与短波时差定位而言,短波电离层信道特性参数的一致性与相参性是需要重点考虑的因素. 本文利用自主设备在武汉、道孚、乐山三处初步开展了同步组网的多站短波电离层信道斜向探测实验. 结果表明,太阳地磁活动平静期间,武汉-道孚、武汉-乐山两条相近链路信道群距离日变化、群距离展宽、多普勒频移、多普勒展宽等相关特性的统计特征基本相同,道孚、乐山接收到的武汉所发信号经电离层传播后仍可得到明显的相关峰,并同时具有线性相位变化规律和稳定的相位差. 研究表明,在相距不远的范围上,临近的短波电离层信道可以有着较好的参数一致性和相参性.
曲靖非相干散射雷达电离层E-F谷区电子密度日间变化特征初步分析
丁宗华, 代连东, 杨嵩, 苗建苏, 吴健
, doi: 10.12265/j.cjors.2021091
摘要:
电离层E-F谷区是电离层探测和研究的薄弱环节之一. 文中利用曲靖非相干散射雷达日间120~200 km的电子密度观测数据,初步分析了曲靖地区电离层E-F谷区的变化特征. 发现E-F谷区结构依赖于地方时与季节,相对于正午存在对称性,同时表现为两种形态:一种在120~160 km存在明显谷区结构,谷底位于134~144 km;另一种的谷区很宽,谷底位于约130 m,在120~150 km电子密度随高度缓慢变化,160 km以上电子密度快速单调增加. 一次耀斑爆发后129 km以下电子密度迅速增加,D层电子密度突然增强,而134 km以上变化不明显,可能与X射线增强有关. 一次磁暴期间 139~158 km电子密度变化不明显,177~196 km的电子密度出现了增强现象,可能与氧原子含量增加有关. 电离层E-F谷区是电离层探测和研究的薄弱环节之一. 文中利用曲靖非相干散射雷达日间120~200 km的电子密度观测数据,初步分析了曲靖地区电离层E-F谷区的变化特征. 发现E-F谷区结构依赖于地方时与季节,相对于正午存在对称性,同时表现为两种形态:一种在120~160 km存在明显谷区结构,谷底位于134~144 km;另一种的谷区很宽,谷底位于约130 m,在120~150 km电子密度随高度缓慢变化,160 km以上电子密度快速单调增加. 一次耀斑爆发后129 km以下电子密度迅速增加,D层电子密度突然增强,而134 km以上变化不明显,可能与X射线增强有关. 一次磁暴期间 139~158 km电子密度变化不明显,177~196 km的电子密度出现了增强现象,可能与氧原子含量增加有关.
一种宽带双极化共享折合臂天线设计
任晓飞, 王琼, 贺双
, doi: 10.12265/j.cjors.2021280
摘要:
针对L、S波段双极化信号宽带监测,提出了一种宽带双极化共享折合臂(dual-polarized shared-folded-dipole,DPSFD)天线. 天线采用宽度渐变振子臂和共享折合枝节结构,这种设计使天线的相对带宽由原来的57.8%拓宽到85.7%,并改善了天线高频段方向图分裂的问题. 理论和实验测试表明:天线在1.6~4 GHz频带范围内,电压驻波比小于2,典型增益为8.3 dBi,天线尺寸仅为最低工作频率对应的波长的28%. 新设计的天线可应用于通信信号宽带双极化监测系统中. 针对L、S波段双极化信号宽带监测,提出了一种宽带双极化共享折合臂(dual-polarized shared-folded-dipole,DPSFD)天线. 天线采用宽度渐变振子臂和共享折合枝节结构,这种设计使天线的相对带宽由原来的57.8%拓宽到85.7%,并改善了天线高频段方向图分裂的问题. 理论和实验测试表明:天线在1.6~4 GHz频带范围内,电压驻波比小于2,典型增益为8.3 dBi,天线尺寸仅为最低工作频率对应的波长的28%. 新设计的天线可应用于通信信号宽带双极化监测系统中.
基于能量检测与Sevcik分形维数的协作频谱感知算法
彭艺, 朱桢以, 魏翔, 谢钊萍
, doi: 10.12265/j.cjors.2021313
摘要:
在认知无线网络中,针对单节点频谱感知易受到噪声不确定性的影响,传统的能量检测法在高噪声功率场景中检测性能较差等问题,根据Sevcik分形维数(Sevcik fractal dimension, SFD)对噪声不敏感、能够区分信号与噪声波形的特点,提出一种将自适应门限的能量检测法与SFD相结合的协作频谱感知方法.通过能量检测法对接收信号进行检测判决,然后由SFD对判定为主用户不存在的信号进行复检,并将所有检测结果进行K秩融合,根据融合结果得出最终判决. 仿真结果表明,本文提出的频谱感知方法对噪声不敏感,在低信噪比下的检测性能得到显著提高. 在认知无线网络中,针对单节点频谱感知易受到噪声不确定性的影响,传统的能量检测法在高噪声功率场景中检测性能较差等问题,根据Sevcik分形维数(Sevcik fractal dimension, SFD)对噪声不敏感、能够区分信号与噪声波形的特点,提出一种将自适应门限的能量检测法与SFD相结合的协作频谱感知方法.通过能量检测法对接收信号进行检测判决,然后由SFD对判定为主用户不存在的信号进行复检,并将所有检测结果进行K秩融合,根据融合结果得出最终判决. 仿真结果表明,本文提出的频谱感知方法对噪声不敏感,在低信噪比下的检测性能得到显著提高.
基于IRI电离层模型的低频天波信号特性分析
赵珍珠, 刘江凡, 蒲玉蓉, 张金生, 席晓莉
, doi: 10.12265/j.cjors.2021269
摘要:
研究电离层对低频天波信号的影响对其在远程导航授时中的应用具有重要意义. 文中结合IRI电子密度模型和NRLMSISE-00大气模型,采用分层半空间中平面波传播的准一维双线性变换时域有限差分方法,计算了低频天波经电离层的反射信号,分析了反射信号幅度、时延、多径随入射角度、一天中的时间及季节的变化. 仿真结果表明:对于TE波,随着入射角度的增大,反射系数幅度先减小后增大;一天中经电离层反射的罗兰C低频天波信号幅度相差最大可达32.22 dB,时延差可达69.03 \begin{document}${\text{μ s}}$\end{document};经电离层反射的罗兰C低频天波信号一般包含一个完整的罗兰信号,在昼夜过渡时会出现两个信号. 研究电离层对低频天波信号的影响对其在远程导航授时中的应用具有重要意义. 文中结合IRI电子密度模型和NRLMSISE-00大气模型,采用分层半空间中平面波传播的准一维双线性变换时域有限差分方法,计算了低频天波经电离层的反射信号,分析了反射信号幅度、时延、多径随入射角度、一天中的时间及季节的变化. 仿真结果表明:对于TE波,随着入射角度的增大,反射系数幅度先减小后增大;一天中经电离层反射的罗兰C低频天波信号幅度相差最大可达32.22 dB,时延差可达69.03 ${\text{μ s}}$;经电离层反射的罗兰C低频天波信号一般包含一个完整的罗兰信号,在昼夜过渡时会出现两个信号.
一种基于LSTM与IRI模型的电离层层析TEC组合预测方法
尹萍, 闫晓鹏, 宁泽浩
, doi: 10.12265/j.cjors.2021271
摘要:
电离层总电子含量(total electron content, TEC)作为评估无线电波穿过电离层时产生误差的主要物理量,对其准确的估算以及预测具有重要的研究意义. 本文结合电离层层析算法反演重构的TEC数据,分别采用国际参考电离层(international reference ionosphere, IRI)梯度法、长短期记忆(long short-term memory, LSTM)网络以及本文最新提出的一种基于LSTM与IRI模型的组合预测模型实现了对欧洲上空平静态电离层的TEC预测. 实验结果表明,IRI梯度法提前1 h能够产生理想的预测结果,提前2 h与3 h的预测精度明显下降. LSTM模型在提前2天的预测结果表现良好,但随着迭代预测时长的增加预测结果中出现较多异常值. 统计误差显示,本文所提出的组合预测模型相比于IRI梯度法预测性能更为稳定,对单一LSTM模型修正效果明显,消除了预测结果中大部分异常值,有效提高了单一模型的预测精度. 组合预测模型与实际层析TEC之间的预测均方根误差 (root mean squared error, RMSE)为1.10 TECu,与欧洲定轨中心提供的TEC预测RMSE为1.70 TECu. 电离层总电子含量(total electron content, TEC)作为评估无线电波穿过电离层时产生误差的主要物理量,对其准确的估算以及预测具有重要的研究意义. 本文结合电离层层析算法反演重构的TEC数据,分别采用国际参考电离层(international reference ionosphere, IRI)梯度法、长短期记忆(long short-term memory, LSTM)网络以及本文最新提出的一种基于LSTM与IRI模型的组合预测模型实现了对欧洲上空平静态电离层的TEC预测. 实验结果表明,IRI梯度法提前1 h能够产生理想的预测结果,提前2 h与3 h的预测精度明显下降. LSTM模型在提前2天的预测结果表现良好,但随着迭代预测时长的增加预测结果中出现较多异常值. 统计误差显示,本文所提出的组合预测模型相比于IRI梯度法预测性能更为稳定,对单一LSTM模型修正效果明显,消除了预测结果中大部分异常值,有效提高了单一模型的预测精度. 组合预测模型与实际层析TEC之间的预测均方根误差 (root mean squared error, RMSE)为1.10 TECu,与欧洲定轨中心提供的TEC预测RMSE为1.70 TECu.
Ka频段宽带圆极化微带天线
李小刚, 金荣洪, 梁仙灵, 金泽阳, 李建平, 贺冲, 陈靖峰
, doi: 10.12265/j.cjors.2021312
摘要:
面向Ka频段高通量卫星对天线的需求,设计了一种Ka频段宽带圆极化微带天线. 天线单元主要由圆形辐射贴片和缝隙耦合馈电结构组成,通过两个类T形缝隙结合实现宽带圆极化. 天线仅有三层金属层,结构简单. 仿真结果显示,天线单元的相对阻抗带宽为31.5%(25.1~34.5 GHz),相对3 dB轴比带宽为20.3%(26.5~32.5 GHz). 由于单元尺寸较小,不便于对其性能进行验证,因此利用该天线单元组成2×2天线阵列,并进行加工测试. 仿真与试验结果表明,天线阵列阻抗带宽以及3 dB轴比带宽可以覆盖25.6~33.1 GHz频率范围,实测结果与仿真结果一致性良好. 面向Ka频段高通量卫星对天线的需求,设计了一种Ka频段宽带圆极化微带天线. 天线单元主要由圆形辐射贴片和缝隙耦合馈电结构组成,通过两个类T形缝隙结合实现宽带圆极化. 天线仅有三层金属层,结构简单. 仿真结果显示,天线单元的相对阻抗带宽为31.5%(25.1~34.5 GHz),相对3 dB轴比带宽为20.3%(26.5~32.5 GHz). 由于单元尺寸较小,不便于对其性能进行验证,因此利用该天线单元组成2×2天线阵列,并进行加工测试. 仿真与试验结果表明,天线阵列阻抗带宽以及3 dB轴比带宽可以覆盖25.6~33.1 GHz频率范围,实测结果与仿真结果一致性良好.
基于电谐振器加载的5G多频段小型化准全向天线
张建军, 袁家德
, doi: 10.12265/j.cjors.2021273
摘要:
本文提出了一种偏心馈电基于电谐振(electric-LC, ELC)结构加载的5G多频段小型化准全向天线,利用分支贴片实现了多频段. 通过缺陷地结构(defective ground structure, DGS)和梳状结构,调节天线的阻抗匹配,结合弯折结构和ELC结构,实现了良好的全向辐射特性. 测试了天线S参数、增益和方向图. 测试结果表明:|S11|≤ −10 dB的阻抗带宽分别为0.82~0.94 GHz、1.76~3.63 GHz和4.80~4.90 GHz,覆盖了移动通信2G、3G、4G、5G等频段. 本文所提出的天线具有结构紧凑、频带宽、准全向辐射等特点,适用于移动通信终端设备. 本文提出了一种偏心馈电基于电谐振(electric-LC, ELC)结构加载的5G多频段小型化准全向天线,利用分支贴片实现了多频段. 通过缺陷地结构(defective ground structure, DGS)和梳状结构,调节天线的阻抗匹配,结合弯折结构和ELC结构,实现了良好的全向辐射特性. 测试了天线S参数、增益和方向图. 测试结果表明:|S11|≤ −10 dB的阻抗带宽分别为0.82~0.94 GHz、1.76~3.63 GHz和4.80~4.90 GHz,覆盖了移动通信2G、3G、4G、5G等频段. 本文所提出的天线具有结构紧凑、频带宽、准全向辐射等特点,适用于移动通信终端设备.
改进的近地谐波探测传播模型
李远哲, 胡卫东, 范红旗, 杜小勇
, doi: 10.12265/j.cjors.2021282
摘要:
对工作于近地条件的谐波探测系统,自由空间假设下导出的谐波雷达方程已经不足以预测和解释观测过程中的诸多现象,故本文基于目标特性和环境因素研究了这类系统的修正传播模型。一是引入目标谐波特性修正,使得接收谐波随距离的衰减率更加符合实际测量;二是引入基波和谐波的多径效应分析,使得模型具备预测和解释近地观测的接收功率振荡现象。此外进行仿真分析并搭设了测量系统,设计了室内近程和室外长程的实测实验,验证了传播模型所预测的探测盲区现象,并提出了对其加以缓解和利用的思路构想,对近地谐波探测系统设计和性能评估具有积极意义. 对工作于近地条件的谐波探测系统,自由空间假设下导出的谐波雷达方程已经不足以预测和解释观测过程中的诸多现象,故本文基于目标特性和环境因素研究了这类系统的修正传播模型。一是引入目标谐波特性修正,使得接收谐波随距离的衰减率更加符合实际测量;二是引入基波和谐波的多径效应分析,使得模型具备预测和解释近地观测的接收功率振荡现象。此外进行仿真分析并搭设了测量系统,设计了室内近程和室外长程的实测实验,验证了传播模型所预测的探测盲区现象,并提出了对其加以缓解和利用的思路构想,对近地谐波探测系统设计和性能评估具有积极意义.
相对运动等离子体平板与电磁波相互作用研究
满良, 邓浩川, 薄勇, 肖志河, 杨利霞
, doi: 10.12265/j.cjors.2022003
摘要:
高超声速飞行器在飞行过程中,由于高温高压的作用,会在飞行器表面形成一层等离子体鞘层,飞行器及其等离子体鞘层相对于地面测控中心做高速相对运动,对目标物电磁回波会带来严重影响. 此外,等离子体鞘层的时变特性,也会对目标物雷达回波进行调制,使测控中心难以识别、跟踪目标. 本文利用Lorentz-FDTD方法研究了相对运动等离子体鞘层与电磁波之间的相互作用,并分析了等离子体鞘层的相对运动特性和时变特性对电磁波造成的影响,发现运动的时变等离子体除了对电磁波造成多普勒频移外,还会对入射波频谱进行调制. 高超声速飞行器在飞行过程中,由于高温高压的作用,会在飞行器表面形成一层等离子体鞘层,飞行器及其等离子体鞘层相对于地面测控中心做高速相对运动,对目标物电磁回波会带来严重影响. 此外,等离子体鞘层的时变特性,也会对目标物雷达回波进行调制,使测控中心难以识别、跟踪目标. 本文利用Lorentz-FDTD方法研究了相对运动等离子体鞘层与电磁波之间的相互作用,并分析了等离子体鞘层的相对运动特性和时变特性对电磁波造成的影响,发现运动的时变等离子体除了对电磁波造成多普勒频移外,还会对入射波频谱进行调制.
双频带可重构功率放大器设计
冀常鹏, 张凯威, 南敬昌
, doi: 10.12265/j.cjors.2021207
摘要:
为解决5G无线通信系统中频谱资源日益紧张的问题,提出了一种新颖的双频带可重构电路结构. 该结构在输出匹配上使用PIN开关控制支路的工作状态,可完成不同工作波段的切换. 首先,基于宽带滤波器理论设计了输入匹配,实现了1.5~4.5 GHz的良好匹配;然后使用LC谐振理论和π等效,将集总电路转化为分布电路,优化了电路在高频处的性能;最后,设计并制作了一种部分覆盖L、S和C波段的可重构功率放大器. 测试结果表明,在1.50~2.85 GHz时输出功率大于39.5 dBm,功率附加效率(power added efficiency,PAE)高于39.5%;在3.15~4.50 GHz输出功率大于38.1 dBm,PAE大于43.5%. 测试结果满足设计要求,验证了理论的正确性. 该结构综合了可重构和宽带技术的优点,对无线通信系统未来的发展有着重要的意义. 为解决5G无线通信系统中频谱资源日益紧张的问题,提出了一种新颖的双频带可重构电路结构. 该结构在输出匹配上使用PIN开关控制支路的工作状态,可完成不同工作波段的切换. 首先,基于宽带滤波器理论设计了输入匹配,实现了1.5~4.5 GHz的良好匹配;然后使用LC谐振理论和π等效,将集总电路转化为分布电路,优化了电路在高频处的性能;最后,设计并制作了一种部分覆盖L、S和C波段的可重构功率放大器. 测试结果表明,在1.50~2.85 GHz时输出功率大于39.5 dBm,功率附加效率(power added efficiency,PAE)高于39.5%;在3.15~4.50 GHz输出功率大于38.1 dBm,PAE大于43.5%. 测试结果满足设计要求,验证了理论的正确性. 该结构综合了可重构和宽带技术的优点,对无线通信系统未来的发展有着重要的意义.
平衡式并发双波段功率放大器的设计与实现
南敬昌, 李政, 卢永, 王姝婷
, doi: 10.12265/j.cjors.20211227
摘要:
并发式双波段功率放大器一直是5G通信技术研究的热点之一. 当双频激励信号同时出现时,传统的双波段功放会由于双频信号所产生的调制效应导致阻抗匹配恶化,甚至出现失配的情况. 针对以上问题,文中提出的功放利用平衡结构,优化其匹配特性,将阻抗失配所产生的反射分量通过双频耦合器消除,从而很大程度上改善调制效应所导致的失配问题,改善输出、输入端口的驻波情况,提升功放的性能以及稳定性,基于上述方法设计了一款能够同时在GSM900和TD-LTE频段工作的功率放大器. 在本文首先基于π型阻抗变换结构,设计了一款并发双波段3 dB定向耦合器,此外为避免出现双频阻抗变换器计算繁琐和空间布局困难的情况,在支路放大电路采用π型和T型结合的双频阻抗变换器,经过理论推导和仿真,可实现任意频率的两个不同阻抗变换,最终实现了工作在GSM900和TD-LTE频段的平衡式并发双波段功率放大器. 本设计基于ADS仿真平台,选用GaN晶体管CGH40010F进行设计仿真,并以Rogers4350b板材制作实物. 实测结果显示,在900 MHz和2.6 GHz两个频段上匹配良好,与传统并发双波段功放相比较,本文提出的功放结构能够显著优化匹配性能,驻波系数有明显降低,饱和输出功率为44.6 dBm和43.3 dBm,相比于单管功放的饱和输出功率提升了一倍,两个工作频段上功率附加效率(power added efficiency, PAE)分别为62%和64%,实测与仿真差距较小,具有较好的一致性. 通过分析与测试,该功放结构能够很好地适应无线通信系统的发展需求. 并发式双波段功率放大器一直是5G通信技术研究的热点之一. 当双频激励信号同时出现时,传统的双波段功放会由于双频信号所产生的调制效应导致阻抗匹配恶化,甚至出现失配的情况. 针对以上问题,文中提出的功放利用平衡结构,优化其匹配特性,将阻抗失配所产生的反射分量通过双频耦合器消除,从而很大程度上改善调制效应所导致的失配问题,改善输出、输入端口的驻波情况,提升功放的性能以及稳定性,基于上述方法设计了一款能够同时在GSM900和TD-LTE频段工作的功率放大器. 在本文首先基于π型阻抗变换结构,设计了一款并发双波段3 dB定向耦合器,此外为避免出现双频阻抗变换器计算繁琐和空间布局困难的情况,在支路放大电路采用π型和T型结合的双频阻抗变换器,经过理论推导和仿真,可实现任意频率的两个不同阻抗变换,最终实现了工作在GSM900和TD-LTE频段的平衡式并发双波段功率放大器. 本设计基于ADS仿真平台,选用GaN晶体管CGH40010F进行设计仿真,并以Rogers4350b板材制作实物. 实测结果显示,在900 MHz和2.6 GHz两个频段上匹配良好,与传统并发双波段功放相比较,本文提出的功放结构能够显著优化匹配性能,驻波系数有明显降低,饱和输出功率为44.6 dBm和43.3 dBm,相比于单管功放的饱和输出功率提升了一倍,两个工作频段上功率附加效率(power added efficiency, PAE)分别为62%和64%,实测与仿真差距较小,具有较好的一致性. 通过分析与测试,该功放结构能够很好地适应无线通信系统的发展需求.
一种适用于波束扫描的宽带低剖面介质谐振器天线
崔伦雪, 范鑫, 余洋, 杨汶汶, 陈建新
, doi: 10.12265/j.cjors.2021239
摘要:
近年来,为解决传统介质谐振器天线(dielectric resonator antenna, DRA)体积庞大等问题,新颖的低剖面DRA如介质贴片天线和平面介质天线被提出并迅速成为研究热点. 然而,现有的低剖面DRA设计要么平面尺寸较大(>0.5 λ0 × 0.5 λ0),要么带宽较窄(<10%),限制了它们的实际应用. 文中提出了一种具有小型化平面尺寸的宽带低剖面DRA. 本天线采用介质贴片设计,顶部为高介电常数的介质贴片,中间为低介电常数的介质基板,底部为缝隙馈电结构. 缝隙馈电结构可激励起介质贴片谐振器的基模TE111和高次模TE131两种工作模式,这两种模式的场分布在贴片边缘部分存在基模场强较弱而高次模场强较强的显著区别. 本设计巧妙地利用了该区域的模式场强区别,通过略微增加贴片边缘部分高度来显著影响高次模谐振频率而轻微影响基模谐振频率,从而将高次模TE131的谐振频率迅速下拉并与基模TE111的谐振频率靠近合并,在不增大介质贴片平面尺寸的前提条件下获得宽带工作效果. 本天线的三维尺寸为0.35 λ0 × 0.35 λ0 × 0.08 λ0 (λ0为中心频率处的空气中波长),线极化实物案例测试结果表明该天线具有18.5%的-10 dB阻抗带宽以及7.3 dBi的最大增益. 该天线平面尺寸小,适用于具有波束扫描功能的阵列天线设计;且提出的设计理念还可进一步拓展应用于圆极化天线设计. 近年来,为解决传统介质谐振器天线(dielectric resonator antenna, DRA)体积庞大等问题,新颖的低剖面DRA如介质贴片天线和平面介质天线被提出并迅速成为研究热点. 然而,现有的低剖面DRA设计要么平面尺寸较大(>0.5 λ0 × 0.5 λ0),要么带宽较窄(<10%),限制了它们的实际应用. 文中提出了一种具有小型化平面尺寸的宽带低剖面DRA. 本天线采用介质贴片设计,顶部为高介电常数的介质贴片,中间为低介电常数的介质基板,底部为缝隙馈电结构. 缝隙馈电结构可激励起介质贴片谐振器的基模TE111和高次模TE131两种工作模式,这两种模式的场分布在贴片边缘部分存在基模场强较弱而高次模场强较强的显著区别. 本设计巧妙地利用了该区域的模式场强区别,通过略微增加贴片边缘部分高度来显著影响高次模谐振频率而轻微影响基模谐振频率,从而将高次模TE131的谐振频率迅速下拉并与基模TE111的谐振频率靠近合并,在不增大介质贴片平面尺寸的前提条件下获得宽带工作效果. 本天线的三维尺寸为0.35 λ0 × 0.35 λ0 × 0.08 λ0 (λ0为中心频率处的空气中波长),线极化实物案例测试结果表明该天线具有18.5%的-10 dB阻抗带宽以及7.3 dBi的最大增益. 该天线平面尺寸小,适用于具有波束扫描功能的阵列天线设计;且提出的设计理念还可进一步拓展应用于圆极化天线设计.
带限周期函数的Fourier插值法在天线测量中的应用
付煜洲, 杨佳蔚, 王朕, 商锋
, doi: 10.12265/j.cjors.2021157
摘要:
天线远场测量是获得其辐射特性的一种常用方法,为得到方向图的细节,测量方向图的角度间隔一般应小于待测天线半功率波束宽度的1/10,否则会导致方向图相关参数如半功率波束宽度、副瓣电平等的不准确. 针对高增益、窄波束天线的远场测量,为了得到精确测量结果,测量间隔要求非常小,导致测试时间长,测试效率低下. 文中提出了一种基于带限周期函数的Fourier插值法的高效率方向图测试方法,此方法将采样间隔增加到待测天线半功率波束宽度量级,仍然可以准确重构出角度间隔任意小的方向图,从而能够显著提高测试效率. 仿真和实测结果证明了本方法的可行性. 天线远场测量是获得其辐射特性的一种常用方法,为得到方向图的细节,测量方向图的角度间隔一般应小于待测天线半功率波束宽度的1/10,否则会导致方向图相关参数如半功率波束宽度、副瓣电平等的不准确. 针对高增益、窄波束天线的远场测量,为了得到精确测量结果,测量间隔要求非常小,导致测试时间长,测试效率低下. 文中提出了一种基于带限周期函数的Fourier插值法的高效率方向图测试方法,此方法将采样间隔增加到待测天线半功率波束宽度量级,仍然可以准确重构出角度间隔任意小的方向图,从而能够显著提高测试效率. 仿真和实测结果证明了本方法的可行性.
基于平面波斜入射的人体信道远场路径损耗建模
陈志英, 林峰, 龚赞, 杜民
, doi: 10.12265/j.cjors.2021264
摘要:
人体信道路径损耗计算对植入式通信链路预估具有重要意义。文章利用有耗媒质的电磁场边界条件、反射和透射定理并引入切向等效波阻抗定义,推导出平面波向人体斜入射时各人体组织分界面上的入射角、透射角、反射系数、透射系数、切向等效波阻抗以及各人体组织中的电磁合成波,提出了一种基于平面波向多层有耗媒质斜入射的人体信道远场路径损耗解析模型。然后以植入在肌肉为例,计算了TM波和TE波在5个常用工业通信频率以不同角度斜入射的人体信道电磁场分布与路径损耗,结果显示,电磁波在入射面的反射是影响人体信道路径损耗的关键因素,当频率在1.4 GHz附近时总路径损耗最小,TM波性能优于TE波,且当入射角小于等于30°时,总路径损耗基本保持不变。最后采用COMSOL Multiphysics建立了有限元仿真模型验证解析模型,二者结果高度吻合,最大误差仅为0.039,有力证明了解析模型的正确性和有效性。 人体信道路径损耗计算对植入式通信链路预估具有重要意义。文章利用有耗媒质的电磁场边界条件、反射和透射定理并引入切向等效波阻抗定义,推导出平面波向人体斜入射时各人体组织分界面上的入射角、透射角、反射系数、透射系数、切向等效波阻抗以及各人体组织中的电磁合成波,提出了一种基于平面波向多层有耗媒质斜入射的人体信道远场路径损耗解析模型。然后以植入在肌肉为例,计算了TM波和TE波在5个常用工业通信频率以不同角度斜入射的人体信道电磁场分布与路径损耗,结果显示,电磁波在入射面的反射是影响人体信道路径损耗的关键因素,当频率在1.4 GHz附近时总路径损耗最小,TM波性能优于TE波,且当入射角小于等于30°时,总路径损耗基本保持不变。最后采用COMSOL Multiphysics建立了有限元仿真模型验证解析模型,二者结果高度吻合,最大误差仅为0.039,有力证明了解析模型的正确性和有效性。
基于2比特结构的时间调制模块小型化设计
李子恒, 高彦昌, 陈靖峰, 贺冲, 梁仙灵, 金荣洪
, doi: 10.12265/j.cjors.2021316
摘要:
针对时间调制阵列中调制模块的小型化问题,采用多层板结构,将模块中开关的谐振单元和偏置电路以及射频信号电路放置在不同层,并通过类同轴耦合线和缺陷地等不同的技术措施结合,解决不同射频通道之间的幅相不平衡以及谐振等问题,在实现小型化的同时兼顾了电性能. 据此设计了2比特结构的时间调制模块,该模块工作频段为14.2~16.4 GHz,尺寸为1.2λ×0.96λ@15.3 GHz,相邻状态相移为90±5°,幅度差±0.5 dB. 在载波频率为15.3 GHz、调制频率为1 MHz时可达到34 dB谐波抑制,最大信号带宽则可达200 MHz,验证了本文设计方法的有效性. 针对时间调制阵列中调制模块的小型化问题,采用多层板结构,将模块中开关的谐振单元和偏置电路以及射频信号电路放置在不同层,并通过类同轴耦合线和缺陷地等不同的技术措施结合,解决不同射频通道之间的幅相不平衡以及谐振等问题,在实现小型化的同时兼顾了电性能. 据此设计了2比特结构的时间调制模块,该模块工作频段为14.2~16.4 GHz,尺寸为1.2λ×0.96λ@15.3 GHz,相邻状态相移为90±5°,幅度差±0.5 dB. 在载波频率为15.3 GHz、调制频率为1 MHz时可达到34 dB谐波抑制,最大信号带宽则可达200 MHz,验证了本文设计方法的有效性.
等离子体中的涡旋电磁波传播研究
郑翰, 刘默然, 周晨
, doi: 10.12265/j.cjors.2021310
摘要:
目前对涡旋电磁波的产生方法及应用已经有很多理论及实验上的研究,但对于其传播过程的研究还非常缺乏,尤其是在电离层等离子体中的传播过程的研究. 本文建立了柱坐标系下的时域有限差分方法模型,推导了柱坐标系下的边界吸收方法,在此基础上计算了涡旋电磁波在真空及等离子体中的传播过程,同时模拟了等离子体密度在涡旋电磁波作用下的时空演化过程. 模拟的结果表明:通过阵列天线模型产生的涡旋电磁波在真空中传播时涡旋的形状不会改变;在等离子体介质中,涡旋波的传播依然遵循线性理论,当涡旋电磁波遇到截止频率的等离子体时也会有明显的反射,并产生驻波;同时,在等离子体中涡旋波依然可以保持涡旋形态;涡旋波对等离子体的线性作用使得等离子体也呈现出涡旋态,与实验中的观测相符. 以上的模拟结果能为涡旋电磁波加热电离层的实验以及未来在短波通信方面的应用提供理论支持. 本文建立的涡旋波在等离子体中的传播模型也为进一步研究涡旋波与等离子体的非线性相互作用打下了基础. 目前对涡旋电磁波的产生方法及应用已经有很多理论及实验上的研究,但对于其传播过程的研究还非常缺乏,尤其是在电离层等离子体中的传播过程的研究. 本文建立了柱坐标系下的时域有限差分方法模型,推导了柱坐标系下的边界吸收方法,在此基础上计算了涡旋电磁波在真空及等离子体中的传播过程,同时模拟了等离子体密度在涡旋电磁波作用下的时空演化过程. 模拟的结果表明:通过阵列天线模型产生的涡旋电磁波在真空中传播时涡旋的形状不会改变;在等离子体介质中,涡旋波的传播依然遵循线性理论,当涡旋电磁波遇到截止频率的等离子体时也会有明显的反射,并产生驻波;同时,在等离子体中涡旋波依然可以保持涡旋形态;涡旋波对等离子体的线性作用使得等离子体也呈现出涡旋态,与实验中的观测相符. 以上的模拟结果能为涡旋电磁波加热电离层的实验以及未来在短波通信方面的应用提供理论支持. 本文建立的涡旋波在等离子体中的传播模型也为进一步研究涡旋波与等离子体的非线性相互作用打下了基础.
大气折射引起的卫星测控系统速度误差分析
孙方, 朱庆林, 刘琨, 王红光, 林乐科
, doi: 10.12265/j.cjors.2021240
摘要:
由于大气各高度层介电特性的不均匀性,无线电波沿地空链路传播时会产生折射效应,为卫星的定轨测控系统引来不同程度的折射误差. 针对单频单站卫星系统的定轨方式,给出了基于多普勒频移测速原理的高精度速度误差修正算法,并与基于距离误差变化率原理的测速算法和实测数据进行了比较,验证了算法的准确性. 利用修正算法分别仿真计算了大气折射时延效应和弯曲效应导致的速度误差;基于不同频段、不同轨道高度的卫星系统参数,比较分析了对流层、电离层折射效应造成的速度误差变化特性. 分析结果可为当前地空链路的卫星测控系统提供准确的速度误差修正量参考,进而合理准确地评估大气折射对星载单频接收机测速误差的影响. 由于大气各高度层介电特性的不均匀性,无线电波沿地空链路传播时会产生折射效应,为卫星的定轨测控系统引来不同程度的折射误差. 针对单频单站卫星系统的定轨方式,给出了基于多普勒频移测速原理的高精度速度误差修正算法,并与基于距离误差变化率原理的测速算法和实测数据进行了比较,验证了算法的准确性. 利用修正算法分别仿真计算了大气折射时延效应和弯曲效应导致的速度误差;基于不同频段、不同轨道高度的卫星系统参数,比较分析了对流层、电离层折射效应造成的速度误差变化特性. 分析结果可为当前地空链路的卫星测控系统提供准确的速度误差修正量参考,进而合理准确地评估大气折射对星载单频接收机测速误差的影响.
一种可选的电离层TEC区域重构方法
车磊, 欧明, 陈奇东, 蔡红涛, 甄卫民, 陈龙江, 靳睿敏
, doi: 10.12265/j.cjors.2021241
摘要:
已知某一区域内有限个GPS台站电离层总电子含量(TEC)实测值的情况下,通过空间插值方法得到整个区域TEC预测值称为电离层TEC区域重构. 电离层TEC区域重构常采用克里金空间插值方法,该方法基于电离层TEC数据的位置关系及相关性等特征,同时满足空间加权估计的无偏性和最优性特征,因此被广泛应用. 但克里金空间插值方法拟合变异函数时,传统理论变异函数模型面临函数曲线固定、空间细节变化无法反映以及模型选取人为主观等问题. 为解决上述问题,文中提出一种可选的电离层TEC区域重构方法,从TEC数据的空间变化特征出发,采用LS-SVM拟合实验变异函数,能够更精确地刻画变异函数,反映电离层TEC空间变化趋势. 为对比验证本方法的准确性,本文选用中国陆态网地基GNSS台站三组不同时刻穿刺点VTEC值作为实测数据,同时选用普通克里金空间插值方法中的指数理论变异函数模型、球状理论变异函数模型以及最小二乘支持向量机(least squares support vector machine, LS-SVM)理论变异函数模型进行实验. 三组实验结果表明,本文提供的电离层TEC区域重构方法计算的RMSE误差分别为1.54 TECu、1.76 TECu和2.45 TECu,MAE误差分别为1.21 TECu、1.23 TECu和1.62 TECu,误差均小于其他两种理论变异函数模型,重构效果最好,为电离层TEC区域重构提供了一种可选的思路. 已知某一区域内有限个GPS台站电离层总电子含量(TEC)实测值的情况下,通过空间插值方法得到整个区域TEC预测值称为电离层TEC区域重构. 电离层TEC区域重构常采用克里金空间插值方法,该方法基于电离层TEC数据的位置关系及相关性等特征,同时满足空间加权估计的无偏性和最优性特征,因此被广泛应用. 但克里金空间插值方法拟合变异函数时,传统理论变异函数模型面临函数曲线固定、空间细节变化无法反映以及模型选取人为主观等问题. 为解决上述问题,文中提出一种可选的电离层TEC区域重构方法,从TEC数据的空间变化特征出发,采用LS-SVM拟合实验变异函数,能够更精确地刻画变异函数,反映电离层TEC空间变化趋势. 为对比验证本方法的准确性,本文选用中国陆态网地基GNSS台站三组不同时刻穿刺点VTEC值作为实测数据,同时选用普通克里金空间插值方法中的指数理论变异函数模型、球状理论变异函数模型以及最小二乘支持向量机(least squares support vector machine, LS-SVM)理论变异函数模型进行实验. 三组实验结果表明,本文提供的电离层TEC区域重构方法计算的RMSE误差分别为1.54 TECu、1.76 TECu和2.45 TECu,MAE误差分别为1.21 TECu、1.23 TECu和1.62 TECu,误差均小于其他两种理论变异函数模型,重构效果最好,为电离层TEC区域重构提供了一种可选的思路.
基于CFS-PML的高阶有限元在地质雷达数值模拟中的应用研究
韩晓冰, 郭涛, 李航, 梁冰洋, 周远国
, doi: 10.12265/j.cjors.2021258
摘要:
为衰减地质雷达数值模拟时因截断区域厚度或者参数影响产生的倏逝波,提出了一种利用复频移完美匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer,CFS-PML)作为吸收边界,并结合频域高阶有限元算法(higher order finite element method,HO-FEM)求解电磁总场分量分布情况的新方法. 该方法改善了截断域介质本构张量矩阵的特性,利用矩阵频移参量\begin{document}$ \alpha $\end{document}吸收倏逝波,提高掠射角处吸收性能. 数值实验结果表明,与传统PML相比,结合CFS-PML的HO-FEM方法精度得到明显提高,反射误差额外降低10~30 dB,节省了17%~30%的计算时间. 此外,该方法能应用于复杂地质结构模型的电磁总场计算,为地质雷达数值模拟提供了一种新的方法. 为衰减地质雷达数值模拟时因截断区域厚度或者参数影响产生的倏逝波,提出了一种利用复频移完美匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer,CFS-PML)作为吸收边界,并结合频域高阶有限元算法(higher order finite element method,HO-FEM)求解电磁总场分量分布情况的新方法. 该方法改善了截断域介质本构张量矩阵的特性,利用矩阵频移参量$ \alpha $吸收倏逝波,提高掠射角处吸收性能. 数值实验结果表明,与传统PML相比,结合CFS-PML的HO-FEM方法精度得到明显提高,反射误差额外降低10~30 dB,节省了17%~30%的计算时间. 此外,该方法能应用于复杂地质结构模型的电磁总场计算,为地质雷达数值模拟提供了一种新的方法.
基于掩星观测的全球低纬地区电离层不均匀体形态分析
於晓, 王妍, 甄卫民, 刘钝, 蔡红涛
, doi: 10.12265/j.cjors.2021201
摘要:
基于气象、电离层和气候星座观测系统(constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate, COSMIC)掩星闪烁指数观测数据,将遮掩点的位置作为电离层不均匀体出现的位置,对比分析了电离层E区不均匀体和F区不均匀体随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化. 发现E区闪烁主要出现于夏季半球的中纬地区;而F区闪烁主要出现于春秋季的磁赤道和低纬地区,受到地磁场的强烈控制. 除季节因素外,太阳活动对E区闪烁的影响并不是基本的,而赤道异常和赤道附近的F区闪烁受到太阳活动的显著控制:相比太阳活动低年,高年的F区闪烁强度更大,且扩展至更高的纬度. 地磁扰动时,中低纬地区电离层E区闪烁的全球分布与地磁平静时相似,但是闪烁的强度总体上略有增加,尤其是凌晨时段(00:00—06:00LT);中低纬地区电离层F区闪烁的全球分布也与地磁平静时相似,但是闪烁强度明显增加,且扩展至更高的纬度,尤其是00:00—06:00LT及18:00—24:00LT的太平洋扇区. 两者对比表明,电离层F区闪烁对地磁活动更为敏感. 将COSMIC掩星与天基原位观测的闪烁出现率结果进行对比,发现掩星手段不仅可以反映全球尺度的电离层不均匀体变化特征,包括它随季节/经度、地方时、太阳活动和地磁纬度的变化,而且可以反映电离层不均匀体随高度的变化,这是以往的观测手段难以拥有的. 基于气象、电离层和气候星座观测系统(constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate, COSMIC)掩星闪烁指数观测数据,将遮掩点的位置作为电离层不均匀体出现的位置,对比分析了电离层E区不均匀体和F区不均匀体随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化. 发现E区闪烁主要出现于夏季半球的中纬地区;而F区闪烁主要出现于春秋季的磁赤道和低纬地区,受到地磁场的强烈控制. 除季节因素外,太阳活动对E区闪烁的影响并不是基本的,而赤道异常和赤道附近的F区闪烁受到太阳活动的显著控制:相比太阳活动低年,高年的F区闪烁强度更大,且扩展至更高的纬度. 地磁扰动时,中低纬地区电离层E区闪烁的全球分布与地磁平静时相似,但是闪烁的强度总体上略有增加,尤其是凌晨时段(00:00—06:00LT);中低纬地区电离层F区闪烁的全球分布也与地磁平静时相似,但是闪烁强度明显增加,且扩展至更高的纬度,尤其是00:00—06:00LT及18:00—24:00LT的太平洋扇区. 两者对比表明,电离层F区闪烁对地磁活动更为敏感. 将COSMIC掩星与天基原位观测的闪烁出现率结果进行对比,发现掩星手段不仅可以反映全球尺度的电离层不均匀体变化特征,包括它随季节/经度、地方时、太阳活动和地磁纬度的变化,而且可以反映电离层不均匀体随高度的变化,这是以往的观测手段难以拥有的.
适用于ILA结构的功率放大器线性化算法
张红升, 易胜宏, 马小东, 卫中阳, 杨虹
, doi: 10.12265/j.cjors.2021191
摘要:
针对目前基于间接学习结构(indirect learning architecture, ILA)的线性化算法对于功率放大器的非线性补偿效果较差、频谱失真改善效果不明显的缺点,提出了一种基于功率检测模块的交替迭代算法,该算法利用数据窗截取ILA结构中后失真(aft-distortion, AD)器反馈回来的数据流并通过功率检测模块计算其功率大小,筛选出功率最大的信号数据流,根据迭代次数,使得其输出在大功率信号流与随机信号流之间相互切换并送至AD模块进行训练. 预失真(pre-distortion, PD)模块和AD模块均采用记忆多项式模型. 采用峰均比为9 dB的LTE信号通过在线测试平台RF WebLab对真实GaN功放进行仿真. 仿真结果表明,新提出的算法的带外抑制效果相对于传统的顺序数据流处理算法与大功率数据流处理算法分别优化了5 dB与2.5 dB左右,其平均归一化均方误差也分别优化了1 dB与0.6 dB左右. 针对目前基于间接学习结构(indirect learning architecture, ILA)的线性化算法对于功率放大器的非线性补偿效果较差、频谱失真改善效果不明显的缺点,提出了一种基于功率检测模块的交替迭代算法,该算法利用数据窗截取ILA结构中后失真(aft-distortion, AD)器反馈回来的数据流并通过功率检测模块计算其功率大小,筛选出功率最大的信号数据流,根据迭代次数,使得其输出在大功率信号流与随机信号流之间相互切换并送至AD模块进行训练. 预失真(pre-distortion, PD)模块和AD模块均采用记忆多项式模型. 采用峰均比为9 dB的LTE信号通过在线测试平台RF WebLab对真实GaN功放进行仿真. 仿真结果表明,新提出的算法的带外抑制效果相对于传统的顺序数据流处理算法与大功率数据流处理算法分别优化了5 dB与2.5 dB左右,其平均归一化均方误差也分别优化了1 dB与0.6 dB左右.
非对称毫米波大规模MIMO系统信道特性研究
薛鹏飞, 郭嘉琦, 赵友平
, doi: 10.12265/j.cjors.2021185
摘要:
为了满足下一代无线通信的需求,基于最近提出的非对称毫米波大规模多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)系统架构,研究了非对称毫米波大规模MIMO系统信道特性——信道非对称性. 根据非对称毫米波大规模MIMO系统架构和影响毫米波信道非对称性的主要因素,提出了刻画上下行信道非对称性的新参数——非对称因子. 同时利用实验室自行研发的射线跟踪平台对非对称毫米波信道进行仿真分析. 结果表明,基站收发天线阵列配置不同是导致信道非对称性的根本原因,复杂的传播环境使得这种非对称性更加突出,严重情况下室内场景非对称因子可达到−30 dB左右. 同时室外视距(line-of-sight, LOS)和非视距(non-line-of-sight, NLOS)场景下的非对称因子累积分布函数(cumulative distribution function, CDF)与高斯分布拟合程度较好,而NLOS场景下明显比LOS场景下的非对称因子小. 非对称毫米波大规模MIMO系统信道特性分析应以场景为导向,非对称因子能直观地描述出该系统上下行信道的非对称程度. 为了满足下一代无线通信的需求,基于最近提出的非对称毫米波大规模多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)系统架构,研究了非对称毫米波大规模MIMO系统信道特性——信道非对称性. 根据非对称毫米波大规模MIMO系统架构和影响毫米波信道非对称性的主要因素,提出了刻画上下行信道非对称性的新参数——非对称因子. 同时利用实验室自行研发的射线跟踪平台对非对称毫米波信道进行仿真分析. 结果表明,基站收发天线阵列配置不同是导致信道非对称性的根本原因,复杂的传播环境使得这种非对称性更加突出,严重情况下室内场景非对称因子可达到−30 dB左右. 同时室外视距(line-of-sight, LOS)和非视距(non-line-of-sight, NLOS)场景下的非对称因子累积分布函数(cumulative distribution function, CDF)与高斯分布拟合程度较好,而NLOS场景下明显比LOS场景下的非对称因子小. 非对称毫米波大规模MIMO系统信道特性分析应以场景为导向,非对称因子能直观地描述出该系统上下行信道的非对称程度.
人造目标散射结构的零极化辨识与应用
吴国庆, 陈思伟, 李永祯, 王雪松
, doi: 10.12265/j.cjors.2021217
摘要:
目标最优极化是雷达极化问题研究的重要理论基础. 目标零极化又称共极化零点,是目标最优极化的重要组成部分. 通过目标零极化可以推导出目标的其他最优极化状态. 目标零极化广泛应用于目标极化匹配接收、目标对比增强等领域. 文中从目标结构辨识角度首次揭示了零极化理论方法在人造目标散射结构辨识方面具有独特优势,基于人造目标典型散射结构从理论上推导典型散射结构的零极化矢量. 将复极化比平面的极化表征方法与极化响应特征相结合,提出了零极化三维响应特征图可视化表征方法,揭示了典型散射结构的零极化差异,得到了零极化响应特征矢量. 在此基础上提出了一种人造目标散射结构的零极化辨识方法,通过提取极化雷达图像中人造目标的强散射中心,将散射中心的零极化响应特征矢量与典型散射结构进行匹配,从而确定散射中心的散射结构类型,实现人造目标结构辨识. 结合车辆和无人机等典型人造目标的电磁计算数据,开展了目标结构辨识对比实验. 与Cameron分解方法相比,本文提出的零极化散射结构辨识方法能够准确识别出散射中心的散射结构类型. 特别对结构对称型人造目标,本文方法识别结果的呈现的对称性更准确,更符合目标实际的散射特性. 目标最优极化是雷达极化问题研究的重要理论基础. 目标零极化又称共极化零点,是目标最优极化的重要组成部分. 通过目标零极化可以推导出目标的其他最优极化状态. 目标零极化广泛应用于目标极化匹配接收、目标对比增强等领域. 文中从目标结构辨识角度首次揭示了零极化理论方法在人造目标散射结构辨识方面具有独特优势,基于人造目标典型散射结构从理论上推导典型散射结构的零极化矢量. 将复极化比平面的极化表征方法与极化响应特征相结合,提出了零极化三维响应特征图可视化表征方法,揭示了典型散射结构的零极化差异,得到了零极化响应特征矢量. 在此基础上提出了一种人造目标散射结构的零极化辨识方法,通过提取极化雷达图像中人造目标的强散射中心,将散射中心的零极化响应特征矢量与典型散射结构进行匹配,从而确定散射中心的散射结构类型,实现人造目标结构辨识. 结合车辆和无人机等典型人造目标的电磁计算数据,开展了目标结构辨识对比实验. 与Cameron分解方法相比,本文提出的零极化散射结构辨识方法能够准确识别出散射中心的散射结构类型. 特别对结构对称型人造目标,本文方法识别结果的呈现的对称性更准确,更符合目标实际的散射特性.
电离层虚高对超视距雷达多站联合定位精度的影响
张旭辉, 姜春华, 刘桐辛, 杨国斌, 赵正予
, doi: 10.12265/j.cjors.2021236
摘要:
在天波超视距雷达系统的短基线多站联合定位中,一般假设多站点电离层反射虚高保持一致,为确定这一假设对定位结果的影响,本文进行电离层探测试验,以研究电离层虚高对多站联合定位精度的影响。试验时分别架设两个接收站模拟短基线超视距雷达系统的接收站点,再在较远距离架设目标站点,利用来自目标站点的发射信号模拟目标的返回信号。本文假设参考站点到目标站点链路的电离层反射虚高和大圆距离是已知的,对于同一工作频率,利用参考站点-目标站点链路上的电离层虚高,去解算定位站点-目标站点之间的大圆距离。参考站点和定位站点相距约90 km情况下,结果显示:目标和定位站(道孚-武汉)大圆距离约为1 260 km时,两条链路的虚高均方根误差约为5.82 km,相应的大圆距离的定位均方根误差约为5.02 km,相对误差约为0.34%,当目标和定位站(乐山-武汉)大圆距离约为1 000 km时,误差分别约为5.5 km, 5.69 km和0.46%。试验结果和理论分析表明,可以从缩短接收站点的布局和降低电离层反射虚高两个方面进一步提高目标定位的精度。本文试验结果可为短基线天波超视距雷达的建设提供较为重要的参考价值。 在天波超视距雷达系统的短基线多站联合定位中,一般假设多站点电离层反射虚高保持一致,为确定这一假设对定位结果的影响,本文进行电离层探测试验,以研究电离层虚高对多站联合定位精度的影响。试验时分别架设两个接收站模拟短基线超视距雷达系统的接收站点,再在较远距离架设目标站点,利用来自目标站点的发射信号模拟目标的返回信号。本文假设参考站点到目标站点链路的电离层反射虚高和大圆距离是已知的,对于同一工作频率,利用参考站点-目标站点链路上的电离层虚高,去解算定位站点-目标站点之间的大圆距离。参考站点和定位站点相距约90 km情况下,结果显示:目标和定位站(道孚-武汉)大圆距离约为1 260 km时,两条链路的虚高均方根误差约为5.82 km,相应的大圆距离的定位均方根误差约为5.02 km,相对误差约为0.34%,当目标和定位站(乐山-武汉)大圆距离约为1 000 km时,误差分别约为5.5 km, 5.69 km和0.46%。试验结果和理论分析表明,可以从缩短接收站点的布局和降低电离层反射虚高两个方面进一步提高目标定位的精度。本文试验结果可为短基线天波超视距雷达的建设提供较为重要的参考价值。
一种面向CR-NOMA系统的动态功率分配算法
彭艺, 范泽昊, 杨青青, 彭游
, doi: 10.12265/j.cjors.2021246
摘要:
在密集小区的认知非正交多址(cognitive radio non-orthogonal multiple access, CR-NOMA)网络场景下,针对用户采取Underlay方式复用时信道频带利用率低问题,提出了一种基于能效的组合用户动态功率分配算法. 该算法在保证主用户服务质量前提下,基于用户之间的干扰和信干噪比,优化了组合多用户的接入方案,使信道接入用户数量最大且提高了频带利用率. 同时,根据增益排序下的功率差额配比改进了剩余功率再分配方案,使空闲功率重新利用更加合理和有效. 仿真结果表明,本文算法可以有效实现接入用户数量最大化的同时提高频谱利用率. 在密集小区的认知非正交多址(cognitive radio non-orthogonal multiple access, CR-NOMA)网络场景下,针对用户采取Underlay方式复用时信道频带利用率低问题,提出了一种基于能效的组合用户动态功率分配算法. 该算法在保证主用户服务质量前提下,基于用户之间的干扰和信干噪比,优化了组合多用户的接入方案,使信道接入用户数量最大且提高了频带利用率. 同时,根据增益排序下的功率差额配比改进了剩余功率再分配方案,使空闲功率重新利用更加合理和有效. 仿真结果表明,本文算法可以有效实现接入用户数量最大化的同时提高频谱利用率.
镜像综合孔径辐射计接收机的单双边带选择
朱四华, 李育芳, 刘丹丹
, doi: 10.12265/j.cjors.2021234
摘要:
与综合孔径复相关接收不同,镜像综合孔径辐射计只需测量同相相关输出,为此镜像综合孔径辐射计与综合孔径辐射计的接收机结构也有明显区别,而镜像干扰分析对于辐射计接收机结构及单双边带选择尤为重要。为了分析镜像综合孔径辐射计接收机结构及单双边带选择,本文首先介绍了镜像综合孔径辐射计的接收机结构。然后,从镜像综合孔径接收信号角度出发推导了镜像综合孔径辐射计接收机结构分别选择单、双边带工作模式下接收机通道相关函数表达式,分析其是否会产生镜频干扰。理论推导发现,镜像综合孔径辐射计在单、双边带工作模式下,都不会产生镜像干扰, 唯一的区别在于双边带重建亮温的幅度是单边带的2倍。这是与综合孔径辐射计接收机结构在下变频、再I/Q解调且选择双边带模式时会产生镜像干扰最大的不同。最后,通过双点源和展源仿真验证了理论的正确性。研究结果可为实际应用中镜像综合孔径辐射计接收机单双边带选择提供参考。 与综合孔径复相关接收不同,镜像综合孔径辐射计只需测量同相相关输出,为此镜像综合孔径辐射计与综合孔径辐射计的接收机结构也有明显区别,而镜像干扰分析对于辐射计接收机结构及单双边带选择尤为重要。为了分析镜像综合孔径辐射计接收机结构及单双边带选择,本文首先介绍了镜像综合孔径辐射计的接收机结构。然后,从镜像综合孔径接收信号角度出发推导了镜像综合孔径辐射计接收机结构分别选择单、双边带工作模式下接收机通道相关函数表达式,分析其是否会产生镜频干扰。理论推导发现,镜像综合孔径辐射计在单、双边带工作模式下,都不会产生镜像干扰, 唯一的区别在于双边带重建亮温的幅度是单边带的2倍。这是与综合孔径辐射计接收机结构在下变频、再I/Q解调且选择双边带模式时会产生镜像干扰最大的不同。最后,通过双点源和展源仿真验证了理论的正确性。研究结果可为实际应用中镜像综合孔径辐射计接收机单双边带选择提供参考。
一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层层析成像新算法
欧明, 吴家燕, 陈龙江, 甄卫民, 吕梦海
, doi: 10.12265/j.cjors.2021213
摘要:
电离层层析成像(computerized tomography, CT)技术是获取区域大范围电离层三维结构非常重要的手段之一. 针对单独使用地基GNSS进行电离层三维层析成像的不足,提出了一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层三维层析成像方法,综合了测高仪探测电离层垂直分辨率较高和地基GNSS电离层CT水平分辨率较高的优点,以测高仪数据驱动更新IRI模型,将更新后的IRI模型作为背景电离层模型,再利用改进的ART算法结合地基GNSS TEC进行CT;基于IGS、中国陆态网地基GNSS台站及GIRO测高仪数据实现了中国及周边区域电离层三维CT. 分别采用Madrigal TEC数据和中国区域独立的测高仪数据对CT结果获取的TEC和电子密度进行评估. TEC精度评估结果表明,CT算法的TEC平均误差和标准差相比,IRI模型及CODE GIM数据均有明显降低;而电子密度评估结果表明,单纯依赖地基GNSS进行电离层CT可以提升foF2的精度但无法有效提升hmF2的精度;联合测高仪数据后,电离层foF2hmF2的重构精度均有明显提升,其中hmF2的平均误差和标准差从20.6 km和16.5 km下降为14.8 km和11.7 km,说明测高仪数据对电离层CT垂直分辨率的提升作用明显. 电离层层析成像(computerized tomography, CT)技术是获取区域大范围电离层三维结构非常重要的手段之一. 针对单独使用地基GNSS进行电离层三维层析成像的不足,提出了一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层三维层析成像方法,综合了测高仪探测电离层垂直分辨率较高和地基GNSS电离层CT水平分辨率较高的优点,以测高仪数据驱动更新IRI模型,将更新后的IRI模型作为背景电离层模型,再利用改进的ART算法结合地基GNSS TEC进行CT;基于IGS、中国陆态网地基GNSS台站及GIRO测高仪数据实现了中国及周边区域电离层三维CT. 分别采用Madrigal TEC数据和中国区域独立的测高仪数据对CT结果获取的TEC和电子密度进行评估. TEC精度评估结果表明,CT算法的TEC平均误差和标准差相比,IRI模型及CODE GIM数据均有明显降低;而电子密度评估结果表明,单纯依赖地基GNSS进行电离层CT可以提升foF2的精度但无法有效提升hmF2的精度;联合测高仪数据后,电离层foF2hmF2的重构精度均有明显提升,其中hmF2的平均误差和标准差从20.6 km和16.5 km下降为14.8 km和11.7 km,说明测高仪数据对电离层CT垂直分辨率的提升作用明显.
基于BP神经网络的RSSI测距优化算法
姚军, 甄梓越, 马宇静
, doi: 10.12265/j.cjors.2021177
摘要:
基于接收信号强度指示(received signal strength indication, RSSI)测距的研究应用领域很广泛,一直是物联网研究的热点. 为降低传统基于反向传播(back propagation,BP)神经网络的RSSI测距误差,文中提出一种基于K-means聚类算法对样本数据进行预处理的BP神经网络测距方法,来解决由于RSSI值衰减程度不同引起的不同距离区间RSSI值和真实距离之间映射关系不均匀的问题. 将K-means聚类算法应用在BP神经网络模型中,对样本数据进行距离区间划分,然后将已经分类好的数据分别输入BP神经网络建立网络模型并进行实验仿真. 结果显示,基于BP神经网络的RSSI测距算法的均方根误差为1.425 7 m,而经过K-means算法改进后的BP神经网络测距方法的均方根误差为1.288 7 m,降低了测距误差,并优化了目标RSSI与真实距离的映射关系. 基于接收信号强度指示(received signal strength indication, RSSI)测距的研究应用领域很广泛,一直是物联网研究的热点. 为降低传统基于反向传播(back propagation,BP)神经网络的RSSI测距误差,文中提出一种基于K-means聚类算法对样本数据进行预处理的BP神经网络测距方法,来解决由于RSSI值衰减程度不同引起的不同距离区间RSSI值和真实距离之间映射关系不均匀的问题. 将K-means聚类算法应用在BP神经网络模型中,对样本数据进行距离区间划分,然后将已经分类好的数据分别输入BP神经网络建立网络模型并进行实验仿真. 结果显示,基于BP神经网络的RSSI测距算法的均方根误差为1.425 7 m,而经过K-means算法改进后的BP神经网络测距方法的均方根误差为1.288 7 m,降低了测距误差,并优化了目标RSSI与真实距离的映射关系.
柔性人工表面等离激元传输线的小型化设计
王霞, 李雅楠, 李艳禄, 罗海鹏, 管政涛, 马玉凤, 魏豪毅, 王蒙军
, doi: 10.12265/j.cjors.2021212
摘要:
为了实现高集成度通信系统中高频信号的可靠传输,提出了一种小型化叉指H形人工表面等离激元传输线结构. 采用共面双导体形式,并在金属矩形凹槽处添加叉指结构,实现色散特性调控和尺寸缩减. 同时给出单元结构的等效电路模型,验证了小型化结构的设计原理,分析了力学形变时传输线的性能. 仿真与测试结果表明,与常规的人工表面等离激元相比,叉指H形人工表面等离激元传输线可在保持相同带宽(3~15.25 GHz)的同时,线宽减少79.5%,尺寸仅为2.28λg×0.098λgλg为中心频率对应的波长). 在平坦和变形时加工实物的带宽保持在3~12.90 GHz左右,与仿真结果较吻合. 设计的结构具有高频、小型化和柔性超薄等特点,在超小型高速通信系统中具有潜在的应用前景. 为了实现高集成度通信系统中高频信号的可靠传输,提出了一种小型化叉指H形人工表面等离激元传输线结构. 采用共面双导体形式,并在金属矩形凹槽处添加叉指结构,实现色散特性调控和尺寸缩减. 同时给出单元结构的等效电路模型,验证了小型化结构的设计原理,分析了力学形变时传输线的性能. 仿真与测试结果表明,与常规的人工表面等离激元相比,叉指H形人工表面等离激元传输线可在保持相同带宽(3~15.25 GHz)的同时,线宽减少79.5%,尺寸仅为2.28λg×0.098λgλg为中心频率对应的波长). 在平坦和变形时加工实物的带宽保持在3~12.90 GHz左右,与仿真结果较吻合. 设计的结构具有高频、小型化和柔性超薄等特点,在超小型高速通信系统中具有潜在的应用前景.
基于T型谐振器的抗干扰矩形波导缝隙阵列天线设计
陈雪盟, 梁仙灵, 张晓汉, 李洪吉, 耿军平, 金荣洪, 汪伟
, doi: 10.12265/j.cjors.2021216
摘要:
介绍了一种抗干扰矩形波导缝隙阵列天线的设计方法. 通过在矩形波导下壁引入周期性的T型谐振器,有效提升了天线的抗干扰能力. 仿真、设计并加工了一款基于T型谐振器的四缝隙矩形波导缝隙阵列天线. 测试结果表明,该天线的−10 dB阻抗带宽为10.3%(5.5~6.1 GHz),增益为11.5~12.8 dBi,口径效率为72.1%~87.3%。与传统矩形波导缝隙阵列天线相比较,本文设计天线在抑制频段 7.9~9.6 GHz的抗干扰能力提升了32.2~69.3 dB,适用于多频段、多任务的无线通信、雷达系统等. 介绍了一种抗干扰矩形波导缝隙阵列天线的设计方法. 通过在矩形波导下壁引入周期性的T型谐振器,有效提升了天线的抗干扰能力. 仿真、设计并加工了一款基于T型谐振器的四缝隙矩形波导缝隙阵列天线. 测试结果表明,该天线的−10 dB阻抗带宽为10.3%(5.5~6.1 GHz),增益为11.5~12.8 dBi,口径效率为72.1%~87.3%。与传统矩形波导缝隙阵列天线相比较,本文设计天线在抑制频段 7.9~9.6 GHz的抗干扰能力提升了32.2~69.3 dB,适用于多频段、多任务的无线通信、雷达系统等.
基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线
戴勇, 李伟, 江凇, 王鹏程, 王正斌
, doi: 10.12265/j.cjors.2021206
摘要:
为了增加贴片天线的工作带宽和改善其辐射特性,提出了一种基于多模谐振的低剖面贴片天线。通过在矩形贴片的非辐射边加载短路壁降低H面的高交叉极化,在贴片下方加载短路销钉提高TM1/2,0模式的谐振频率(f1/2,0);然后在TM3/2,0模式的零电流位置处切割一个矩形缝隙来激发辐射缝隙模式(TMRS),得到低剖面、宽频带和低交叉极化的三模谐振贴片天线;最后通过增加贴片宽度和调整天线结构,降低TM1/2,2模式的频率(f 1/2,2),实现了四模谐振。仿真和实测结果表明该四模谐振贴片天线在0.03λ0的厚度下可将带宽增加到21.7% (2.67~3.32 GHz). 为了增加贴片天线的工作带宽和改善其辐射特性,提出了一种基于多模谐振的低剖面贴片天线。通过在矩形贴片的非辐射边加载短路壁降低H面的高交叉极化,在贴片下方加载短路销钉提高TM1/2,0模式的谐振频率(f1/2,0);然后在TM3/2,0模式的零电流位置处切割一个矩形缝隙来激发辐射缝隙模式(TMRS),得到低剖面、宽频带和低交叉极化的三模谐振贴片天线;最后通过增加贴片宽度和调整天线结构,降低TM1/2,2模式的频率(f 1/2,2),实现了四模谐振。仿真和实测结果表明该四模谐振贴片天线在0.03λ0的厚度下可将带宽增加到21.7% (2.67~3.32 GHz).
计算机线缆的电磁信息泄漏智能分析方法
茅剑, 唐妮, 刘晋明, 马通边
, doi: 10.12265/j.cjors.2021196
摘要:
计算机系统中的各型线缆会通过电磁传导发射泄漏内部信息,导致信息安全问题. 为了分析来自计算机线缆的电磁信息泄漏,提出了基于深度学习的智能分析方法. 设计一维卷积神经网络算法,对电磁泄漏信号进行深层的特征提取与学习,从泄漏的电磁信号中智能识别泄漏源的线缆类型,进而分析其中泄漏的视频信息. 实测结果表明,泄漏源识别准确率达95%以上,泄漏信息判别准确率达84%以上. 本文提出的方法,在未知目标信号特征的情况下,针对计算机线缆提供了一种电磁信息泄漏的智能分析手段. 计算机系统中的各型线缆会通过电磁传导发射泄漏内部信息,导致信息安全问题. 为了分析来自计算机线缆的电磁信息泄漏,提出了基于深度学习的智能分析方法. 设计一维卷积神经网络算法,对电磁泄漏信号进行深层的特征提取与学习,从泄漏的电磁信号中智能识别泄漏源的线缆类型,进而分析其中泄漏的视频信息. 实测结果表明,泄漏源识别准确率达95%以上,泄漏信息判别准确率达84%以上. 本文提出的方法,在未知目标信号特征的情况下,针对计算机线缆提供了一种电磁信息泄漏的智能分析手段.
基于SISL的介质填充双通带滤波器设计
李双旭, 马凯学, 闫宁宁, 陈雄, 傅海鹏
, doi: 10.12265/j.cjors.2021011
摘要:
为实现滤波器的小型化,文中基于介质集成悬置线(substrate integrated suspended line, SISL)结构提出了一种介质填充双通带滤波器的设计方案. 首先将高介电常数的介质块填充入SISL的空气腔中,提升SISL的等效介电常数,实现电路的小型化,高介电常数介质块可以直接被SISL固定;然后利用T型结连接两组工作在不同频段的滤波器从而使得两个通带相对独立;最后利用仿真软件进行优化,确定了介质填充双通带滤波器的尺寸,并进行加工与测试. 仿真与测试结果表明,二者具有较好的一致性,两个通带频率内的回波损耗均优于15 dB,电路的核心面积为0.058 λg×0.139 λgλg为SISL在第一通带中心频率处的导波波长). 此双通带滤波器具有小尺寸、自封装等优势,且所有层介质基板均采用低成本的FR4板材,降低了制造成本. 为实现滤波器的小型化,文中基于介质集成悬置线(substrate integrated suspended line, SISL)结构提出了一种介质填充双通带滤波器的设计方案. 首先将高介电常数的介质块填充入SISL的空气腔中,提升SISL的等效介电常数,实现电路的小型化,高介电常数介质块可以直接被SISL固定;然后利用T型结连接两组工作在不同频段的滤波器从而使得两个通带相对独立;最后利用仿真软件进行优化,确定了介质填充双通带滤波器的尺寸,并进行加工与测试. 仿真与测试结果表明,二者具有较好的一致性,两个通带频率内的回波损耗均优于15 dB,电路的核心面积为0.058 λg×0.139 λgλg为SISL在第一通带中心频率处的导波波长). 此双通带滤波器具有小尺寸、自封装等优势,且所有层介质基板均采用低成本的FR4板材,降低了制造成本.
地基GNSS和天基掩星观测对全球电离层数据同化效果的影响分析
欧明, 陈龙江, 王妍, 许娜, 吴家燕, 甄卫民
, doi: 10.12265/j.cjors.2021210
摘要:
电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值. 地基GNSS和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一。通过观测系统仿真试验(observation system simulation experiments,OSSE)对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量(total electron content, TEC)及三维电子密度参量的技术得分(skill score, SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响。2)仅仅同化地基GNSS数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升。3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC。4) 现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5) 随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势. 随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用, 相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考. 电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值. 地基GNSS和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一。通过观测系统仿真试验(observation system simulation experiments,OSSE)对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量(total electron content, TEC)及三维电子密度参量的技术得分(skill score, SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响。2)仅仅同化地基GNSS数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升。3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC。4) 现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5) 随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势. 随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用, 相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考.
基于BDS/GPS数据的中国及周边地区电离层暴层析成像研究
尹萍, 宁泽浩, 闫晓鹏
, doi: 10.12265/j.cjors.2021165
摘要:
随着我国BDS导航卫星系统的逐步建成,其在电离层监测上的应用也在逐步拓展. 凭借卫星类型多样性的特点,BDS卫星数据在电离层监测上可能比GPS卫星带来更多的优势,但能否改进电离层层析成像结果仍值得进一步研究. 文中基于GPS数据电离层层析算法,把BDS系统中的地球同步轨道(geosynchronous orbit, GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit, IGSO)卫星和中轨轨道(medium earth orbit, MEO)卫星数据与GPS数据融合,对2017-09-07—09电离层暴期间中国及周边地区(15°N~55°N, 70°E~140°E)上空电离层进行重构. 首先借助SA418和WU430测高仪数据分别讨论了单星座(GPS)与双星座(GPS+BDS)层析对电子密度反演的精度结果;其次对2017-09-08两个扰动最强烈时段的电离层成像结果,包括电子密度剖面图与总电子含量(total electron content, TEC)分布图进行深入研究. 研究结果表明:BDS卫星数据不仅可以改进垂向精度,还可以提高对电离层异常结构的反演精度,融合了BDS数据的电离层层析技术能较为准确地重构出本次电离层暴期间出现在中低纬度的等离子体泡. 随着我国BDS导航卫星系统的逐步建成,其在电离层监测上的应用也在逐步拓展. 凭借卫星类型多样性的特点,BDS卫星数据在电离层监测上可能比GPS卫星带来更多的优势,但能否改进电离层层析成像结果仍值得进一步研究. 文中基于GPS数据电离层层析算法,把BDS系统中的地球同步轨道(geosynchronous orbit, GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit, IGSO)卫星和中轨轨道(medium earth orbit, MEO)卫星数据与GPS数据融合,对2017-09-07—09电离层暴期间中国及周边地区(15°N~55°N, 70°E~140°E)上空电离层进行重构. 首先借助SA418和WU430测高仪数据分别讨论了单星座(GPS)与双星座(GPS+BDS)层析对电子密度反演的精度结果;其次对2017-09-08两个扰动最强烈时段的电离层成像结果,包括电子密度剖面图与总电子含量(total electron content, TEC)分布图进行深入研究. 研究结果表明:BDS卫星数据不仅可以改进垂向精度,还可以提高对电离层异常结构的反演精度,融合了BDS数据的电离层层析技术能较为准确地重构出本次电离层暴期间出现在中低纬度的等离子体泡.
基于点云重建复杂城市建筑环境的电磁计算
李玉峰, 周晨, 张富彬, 夏国臻, 朱建桦
, doi: 10.12265/j.cjors.2021198
摘要:
在现代城市环境中,地形地貌地物复杂,精确评估电波传播效应十分困难. 针对传统城市建筑环境电磁计算物理建模不够精确的问题,提出利用多视角立体视觉的方法对城市复杂建筑环境进行基于点云的三维重建,获取精确的三角网格模型,并通过机器学习图像分割的方法获取城市环境边界电磁属性;在此基础上进行基于一致性绕射理论的射线追踪电磁计算,从而获取区域范围内的电磁态势分布. 通过在不同分辨率网格模型上计算,并与COST231-Hata模型和实际测量结果对比,高分辨率网格模型的均方根误差为6.065 5 dB,证明了本文建模及计算方法的有效性. 在现代城市环境中,地形地貌地物复杂,精确评估电波传播效应十分困难. 针对传统城市建筑环境电磁计算物理建模不够精确的问题,提出利用多视角立体视觉的方法对城市复杂建筑环境进行基于点云的三维重建,获取精确的三角网格模型,并通过机器学习图像分割的方法获取城市环境边界电磁属性;在此基础上进行基于一致性绕射理论的射线追踪电磁计算,从而获取区域范围内的电磁态势分布. 通过在不同分辨率网格模型上计算,并与COST231-Hata模型和实际测量结果对比,高分辨率网格模型的均方根误差为6.065 5 dB,证明了本文建模及计算方法的有效性.
基于神经网络的室内单站精确被动定位技术研究
张倩倩, 尹成友, 李安琪
, doi: 10.12265/j.cjors.2021164
摘要:
为了提高室内环境下对目标的定位精度,提出一种室内单站精确定位技术. 该技术利用室内电波传播多径效应构成的复杂信道信息,基于机器学习,构建卷积神经网络架构,通过卷积提取不同位置目标到达接收传感器的多径时延特征信息;然后通过多层全连接层深度神经网络的模型训练,将基于复杂信道的定位问题转化为回归模型的问题,建立信道指纹与位置之间的非线性关系来完成被动定位. 训练和仿真结果表明,在室内复杂电波传播环境下,基于神经网络的室内单站精确定位技术能够实现单接收站情况下对目标的精确定位. 本文主要对3\begin{document}$ \times $\end{document}3网格大小的金属散射体进行定位,接收站位于室内时,平均定位误差为0.621个网格(12.42 cm);接收站位于室外时,能够分别实现信噪比20 dB、30 dB、40 dB情况下44.09 cm、21.42 cm、20.96 cm的平均定位误差. 本文方法为室内复杂环境下的目标定位提供了一种新的定位方法. 为了提高室内环境下对目标的定位精度,提出一种室内单站精确定位技术. 该技术利用室内电波传播多径效应构成的复杂信道信息,基于机器学习,构建卷积神经网络架构,通过卷积提取不同位置目标到达接收传感器的多径时延特征信息;然后通过多层全连接层深度神经网络的模型训练,将基于复杂信道的定位问题转化为回归模型的问题,建立信道指纹与位置之间的非线性关系来完成被动定位. 训练和仿真结果表明,在室内复杂电波传播环境下,基于神经网络的室内单站精确定位技术能够实现单接收站情况下对目标的精确定位. 本文主要对3$ \times $3网格大小的金属散射体进行定位,接收站位于室内时,平均定位误差为0.621个网格(12.42 cm);接收站位于室外时,能够分别实现信噪比20 dB、30 dB、40 dB情况下44.09 cm、21.42 cm、20.96 cm的平均定位误差. 本文方法为室内复杂环境下的目标定位提供了一种新的定位方法.
亚毫米波段折叠光路的准光近场照射天线设计与应用
何海波, 金铭, 韩宇南, 李彬, 白明
, doi: 10.12265/j.cjors.2021158
摘要:
介绍了一种新颖的折叠光路近场准光照射天线设计方法,并成功应用在微波黑体定标源微弱散射的双站测量中. 在双站测量中,传统的小口径天线适用于低频范围,被测目标足够小才能保证远场条件. 与传统基于远场条件出发的小口径天线设计不同,本文所提出的准光照射天线的设计目的是在目标区降低链路衰减,实现相位平坦、幅值边缘衰减的聚焦照射,并可在近场区域内测得目标的远场散射特征. 设计基于准光学设计方法:由主反射镜和平板反射镜共同构成紧凑的折叠光路,首先确定馈源喇叭天线的等效高斯波束参数,然后基于高斯波束传播理论设计主反射镜,再通过全波仿真验证其折叠路径. 仿真分析表明即使馈源采用基本的圆锥喇叭馈源,也可实现良好的聚焦效果. 双站实测数据表明该天线设计达到了设计目的,为亚毫米波近场双站散射测量的开展提供了关键性的波束控制,具备广泛的应用价值. 介绍了一种新颖的折叠光路近场准光照射天线设计方法,并成功应用在微波黑体定标源微弱散射的双站测量中. 在双站测量中,传统的小口径天线适用于低频范围,被测目标足够小才能保证远场条件. 与传统基于远场条件出发的小口径天线设计不同,本文所提出的准光照射天线的设计目的是在目标区降低链路衰减,实现相位平坦、幅值边缘衰减的聚焦照射,并可在近场区域内测得目标的远场散射特征. 设计基于准光学设计方法:由主反射镜和平板反射镜共同构成紧凑的折叠光路,首先确定馈源喇叭天线的等效高斯波束参数,然后基于高斯波束传播理论设计主反射镜,再通过全波仿真验证其折叠路径. 仿真分析表明即使馈源采用基本的圆锥喇叭馈源,也可实现良好的聚焦效果. 双站实测数据表明该天线设计达到了设计目的,为亚毫米波近场双站散射测量的开展提供了关键性的波束控制,具备广泛的应用价值.
一维液晶全息编码相控阵天线设计与实现
修威, 韩运皓, 庞晨, 李永祯, 王雪松, 田海燕, 吴迪
, doi: 10.12265/j.cjors.2021162
摘要(516) HTML全文(144) PDF(71)
摘要:
针对小型极化相控阵雷达精确信号目标探测应用背景,为降低传统T/R相控阵天馈系统设计及调试复杂度,满足低功耗、低损耗、低成本制造、轻薄等应用需求,提出了一种液晶全息编码相控阵天线. 主体采用小型化全息辐射单元、慢波结构、平行板波导馈电系统构成的一维全息电控扫描相控阵天线. 利用成熟液晶面板制造工艺,通过控制全息辐射单元下方液晶分子的偏转状态调节天线谐振频点,组成全息编码相控阵天线. 天线结构通过仿真优化确定,并在实物加工和测量基础上通过全息优化算法及电压灰度控制降低由耦合作用引入的副瓣性能恶化度,用梯度递减的搜索算法结合适当的目标函数优化算法实现方向图的最优控制. 实测结果表明,该天线的波束扫描角度达到±49°,经过算法优化后,波束指向角准确度改善3°,旁瓣抑制电平改善1.7 dB. 针对小型极化相控阵雷达精确信号目标探测应用背景,为降低传统T/R相控阵天馈系统设计及调试复杂度,满足低功耗、低损耗、低成本制造、轻薄等应用需求,提出了一种液晶全息编码相控阵天线. 主体采用小型化全息辐射单元、慢波结构、平行板波导馈电系统构成的一维全息电控扫描相控阵天线. 利用成熟液晶面板制造工艺,通过控制全息辐射单元下方液晶分子的偏转状态调节天线谐振频点,组成全息编码相控阵天线. 天线结构通过仿真优化确定,并在实物加工和测量基础上通过全息优化算法及电压灰度控制降低由耦合作用引入的副瓣性能恶化度,用梯度递减的搜索算法结合适当的目标函数优化算法实现方向图的最优控制. 实测结果表明,该天线的波束扫描角度达到±49°,经过算法优化后,波束指向角准确度改善3°,旁瓣抑制电平改善1.7 dB.
论文
基于深度学习的GPR时频域联合电磁反演方法
罗诗光, 任强, 王成浩, 宋千, 雷文太
摘要:
对GPR数据的电磁反演可以获得探测区域中目标的几何参数和电磁参数. 本文针对GPR时域数据与频域数据在图像域的特征差异,设计了基于深度学习的GPR维度变换自编码器提取GPR回波数据的时域特征,对GPR时频域特征进行一致化处理. 然后设计了基于时频融合数据的GPR-EInet电磁反演处理框架,GPR-EInet由多尺度特征提取器与特征重建器组成. 多尺度特征提取器实现了时频域数据的融合与特征提取,特征重建器用来构建时频融合特征与探测区域介电常数分布的非线性映射. 分别使用2000和200个GPR B-Scan数据对GPR-EInet进行训练和测试. 仿真实验结果表明,GPR-EInet可以在SNR=-10dB、目标介电常数与背景介电常数的相对偏差为50%的情况下实现单/双目标的电磁反演,介电常数反演结果与真实值的SSIM达到了0.99564. 分别运用GPR-EInet、ünet与PINet对仿真数据进行电磁反演,结果表明: GPR-EInet的抗噪性能要优于PINet与ünet. 对实测的GPR数据也开展了电磁反演实验,获得了探测区域的目标参数信息. 与单独的时域和频域数据反演相比,时频融合数据提升了GPR-EInet的电磁反演精度与噪声抑制能力. 对GPR数据的电磁反演可以获得探测区域中目标的几何参数和电磁参数. 本文针对GPR时域数据与频域数据在图像域的特征差异,设计了基于深度学习的GPR维度变换自编码器提取GPR回波数据的时域特征,对GPR时频域特征进行一致化处理. 然后设计了基于时频融合数据的GPR-EInet电磁反演处理框架,GPR-EInet由多尺度特征提取器与特征重建器组成. 多尺度特征提取器实现了时频域数据的融合与特征提取,特征重建器用来构建时频融合特征与探测区域介电常数分布的非线性映射. 分别使用2000和200个GPR B-Scan数据对GPR-EInet进行训练和测试. 仿真实验结果表明,GPR-EInet可以在SNR=-10dB、目标介电常数与背景介电常数的相对偏差为50%的情况下实现单/双目标的电磁反演,介电常数反演结果与真实值的SSIM达到了0.99564. 分别运用GPR-EInet、ünet与PINet对仿真数据进行电磁反演,结果表明: GPR-EInet的抗噪性能要优于PINet与ünet. 对实测的GPR数据也开展了电磁反演实验,获得了探测区域的目标参数信息. 与单独的时域和频域数据反演相比,时频融合数据提升了GPR-EInet的电磁反演精度与噪声抑制能力.
张衡一号卫星三频信标载荷典型事件观测
鲁恒新, 申旭辉, 赵庶凡, 廖力, 林剑, 黄建平, 泽仁志玛, 孙芳, 郭峰
, doi: 10.12265/j.cjors.2021106
摘要(278) HTML全文(159) PDF(22)
摘要:
“张衡一号(简称ZH-1)”卫星搭载的三频信标机(tri-band beacon,TBB)载荷,能够对站链上空的电离层进行高精度测量. 为检验TBB载荷在电离层监测中的应用效果,本文利用2018—2019我国中低纬地区TBB观测数据,采用求均值及多项式拟合的方法对各月份F2层峰值电子密度(NmF2)数据进行处理,分析NmF2的半年变化特征;将2018-08-26磁暴当天与宁静日的电子密度作差值,分析电子密度对磁暴事件的响应特征. 结果表明:TBB观测数据能够有效监测电离层变化,正确反映站链上空电离层变化规律;在磁暴事件中,观测到了电子密度的变化过程,其准确地反映了正暴相的特征,证明在重要天气事件中,这一手段能够获得较为准确的观测数据. “张衡一号(简称ZH-1)”卫星搭载的三频信标机(tri-band beacon,TBB)载荷,能够对站链上空的电离层进行高精度测量. 为检验TBB载荷在电离层监测中的应用效果,本文利用2018—2019我国中低纬地区TBB观测数据,采用求均值及多项式拟合的方法对各月份F2层峰值电子密度(NmF2)数据进行处理,分析NmF2的半年变化特征;将2018-08-26磁暴当天与宁静日的电子密度作差值,分析电子密度对磁暴事件的响应特征. 结果表明:TBB观测数据能够有效监测电离层变化,正确反映站链上空电离层变化规律;在磁暴事件中,观测到了电子密度的变化过程,其准确地反映了正暴相的特征,证明在重要天气事件中,这一手段能够获得较为准确的观测数据.
开槽深度和坡度对高频高阶模带宽和中心频移的影响
丁学用, 王连胜
, doi: 10.12265/j.cjors.2021136
摘要:
为对构建太赫兹频率下高阶单模工作的同轴布喇格谐振腔提供理论依据,基于模式耦合理论,比较研究了不同开槽深度和不同开槽坡度形状及坡度角对工作在太赫兹频率高频高阶耦合模式下工作模式和竞争模式带宽、中心频率偏移特性的影响. 结果表明:工作模式和竞争模式的带宽随着开槽深度的加深都变宽,但中心谐振频率点几乎没有偏移,槽深加深,带隙重叠现象会恶化,不利于模式选择;正圆锥形坡度方式时随着坡度角的增加,工作模式的中心频率点没有发生偏移,竞争模式中心频率点靠近工作模式中心频率点,不利于带隙重叠现象的抑制;倒圆锥形坡度方式时,随着坡度角的增大,竞争模式的中心频率点远离工作模式中心频率点,很好地抑制了带隙重叠;正圆锥形坡度和倒圆锥形坡度对带宽的影响都不大. 这些特性有利于拓展同轴布喇格结构作为反射器和滤波器的性能. 为对构建太赫兹频率下高阶单模工作的同轴布喇格谐振腔提供理论依据,基于模式耦合理论,比较研究了不同开槽深度和不同开槽坡度形状及坡度角对工作在太赫兹频率高频高阶耦合模式下工作模式和竞争模式带宽、中心频率偏移特性的影响. 结果表明:工作模式和竞争模式的带宽随着开槽深度的加深都变宽,但中心谐振频率点几乎没有偏移,槽深加深,带隙重叠现象会恶化,不利于模式选择;正圆锥形坡度方式时随着坡度角的增加,工作模式的中心频率点没有发生偏移,竞争模式中心频率点靠近工作模式中心频率点,不利于带隙重叠现象的抑制;倒圆锥形坡度方式时,随着坡度角的增大,竞争模式的中心频率点远离工作模式中心频率点,很好地抑制了带隙重叠;正圆锥形坡度和倒圆锥形坡度对带宽的影响都不大. 这些特性有利于拓展同轴布喇格结构作为反射器和滤波器的性能.
一种采用吸波透波超表面的天线RCS宽带减缩新方法
马于惠, 刘璐, 贾帅宇, 王祎昊, 李妍
, doi: 10.12265/j.cjors.2021116
摘要(390) HTML全文(121) PDF(193)
摘要:
设计了一款具有吸波/透波双重特性的超表面,并将其用于微带天线的覆层,实现天线雷达散射截面(radar cross section, RCS)的宽带减缩. 将传统的结构性吸波材料金属单元用氮化钽材料置换,提升了吸波带宽. 同时,将吸波材料与频率选择表面相结合,实现了覆层对于不同来波方向的电磁波分别呈现吸波/透波两种截然不同的电磁特性. 将覆层置于天线上方,当天线工作时,天线辐射的电磁波可以完美穿过覆层,因此对于天线的辐射特性不会造成影响. 当雷达波照射至天线时,覆层所呈现的宽带吸波特性可最大程度降低天线的RCS. 仿真结果表明:使用本文所设计的吸波/透波超表面作为天线覆层时,天线的辐射特性几乎未发生变化;而天线的单站RCS最大减缩量可达20 dB以上,减缩带宽可达5~19 GHz;同时,天线的单、双站RCS在较宽的角度范围内也得到明显的缩减. 设计了一款具有吸波/透波双重特性的超表面,并将其用于微带天线的覆层,实现天线雷达散射截面(radar cross section, RCS)的宽带减缩. 将传统的结构性吸波材料金属单元用氮化钽材料置换,提升了吸波带宽. 同时,将吸波材料与频率选择表面相结合,实现了覆层对于不同来波方向的电磁波分别呈现吸波/透波两种截然不同的电磁特性. 将覆层置于天线上方,当天线工作时,天线辐射的电磁波可以完美穿过覆层,因此对于天线的辐射特性不会造成影响. 当雷达波照射至天线时,覆层所呈现的宽带吸波特性可最大程度降低天线的RCS. 仿真结果表明:使用本文所设计的吸波/透波超表面作为天线覆层时,天线的辐射特性几乎未发生变化;而天线的单站RCS最大减缩量可达20 dB以上,减缩带宽可达5~19 GHz;同时,天线的单、双站RCS在较宽的角度范围内也得到明显的缩减.
我国中纬地区卫星信号失锁现象初步研究
赵伟华, 张清和, 王成, 王勇, 邢赞扬
, doi: 10.12265/j.cjors.2021076
摘要:
利用山东威海槎山站(122.296°E,36.866°N)地面GNSS电离层电子总含量(total electron content, TEC)与闪烁接收机2018—2019年的观测数据,初步探索了我国中纬度地区卫星信号失锁现象及其可能的成因。依据定义的卫星信号失锁判定标准,结合全球电离层TEC数据,展示了典型的信号失锁现象并进一步开展事件分析及初步统计研究。结果表明:在太阳活动低年,我国中纬地区地面接收机捕获到卫星信号失锁现象,其持续时间从1 min到10 min多不等;信号失锁前经常出现信噪比下降、闪烁强度增强等现象。结合相应区域的Madrigal TEC数据,初步推断电离层的等离子体密度或TEC在时间和空间上的较快减少可导致信号失锁。本文研究揭示了我国中纬度地区卫星信号失锁现象的特点及可能的形成原因,具有一定的科学意义和应用价值。 利用山东威海槎山站(122.296°E,36.866°N)地面GNSS电离层电子总含量(total electron content, TEC)与闪烁接收机2018—2019年的观测数据,初步探索了我国中纬度地区卫星信号失锁现象及其可能的成因。依据定义的卫星信号失锁判定标准,结合全球电离层TEC数据,展示了典型的信号失锁现象并进一步开展事件分析及初步统计研究。结果表明:在太阳活动低年,我国中纬地区地面接收机捕获到卫星信号失锁现象,其持续时间从1 min到10 min多不等;信号失锁前经常出现信噪比下降、闪烁强度增强等现象。结合相应区域的Madrigal TEC数据,初步推断电离层的等离子体密度或TEC在时间和空间上的较快减少可导致信号失锁。本文研究揭示了我国中纬度地区卫星信号失锁现象的特点及可能的形成原因,具有一定的科学意义和应用价值。
基于多目标优化的联合作战用频规划方法
刘铭, 查淞, 黄纪军, 刘继斌, 郝谢东, 马晨
, doi: 10.12265/j.cjors.2021060
摘要(461) HTML全文(127) PDF(19)
摘要:
为全面描述联合作战用频规划问题,引入多目标优化理论,以干扰冲突最少、需求满足最高和邻频风险最低作为优化目标建立了多目标的联合作战用频规划模型,并提出一种求解联合作战用频规划问题的非支配排序蚁群算法. 在蚁群初始化阶段使用带贪心策略的爬山算法获取次优解集合以提升蚁群前期收敛速度,并运用社团检测机制将用频装备分簇以减少电磁干扰分析的计算复杂度从而加快算法进程. 同时,在算法每次迭代中对得到的用频规划方案执行调度改进操作,并自适应调整信息素挥发系数等参数,以提升算法全局优化性能. 仿真实验验证了模型的有效性,并通过反转世代距离与超体积指标证明了算法在收敛性、分布性与收敛速度上的优越性. 为全面描述联合作战用频规划问题,引入多目标优化理论,以干扰冲突最少、需求满足最高和邻频风险最低作为优化目标建立了多目标的联合作战用频规划模型,并提出一种求解联合作战用频规划问题的非支配排序蚁群算法. 在蚁群初始化阶段使用带贪心策略的爬山算法获取次优解集合以提升蚁群前期收敛速度,并运用社团检测机制将用频装备分簇以减少电磁干扰分析的计算复杂度从而加快算法进程. 同时,在算法每次迭代中对得到的用频规划方案执行调度改进操作,并自适应调整信息素挥发系数等参数,以提升算法全局优化性能. 仿真实验验证了模型的有效性,并通过反转世代距离与超体积指标证明了算法在收敛性、分布性与收敛速度上的优越性.
2020年6月21日日环食电离层Es响应研究
刘瑶, 张鹦琪, 胡艳莉, 张雅彬, 邓忠新, 徐彬, 徐朝辉, 李江华
, doi: 10.12265/j.cjors.2020278
摘要:
为研究日环食期间电离层Es演化过程,利用VHF相干散射雷达和便携式垂测仪在2020年6月21日日环食期间开展联合观测试验,得到日环食期间h′Es和foEs均呈现出先降低再增强的变化形态. 分析表明,该演化过程类似于快速日出日落对电离层Es的影响,其成因是日环食期间太阳活动作为辐射源经历了快速减弱、复原的一个过程. 本次试验观测结果对研究和完善电离层Es形成机制、机理有重要意义. 为研究日环食期间电离层Es演化过程,利用VHF相干散射雷达和便携式垂测仪在2020年6月21日日环食期间开展联合观测试验,得到日环食期间h′Es和foEs均呈现出先降低再增强的变化形态. 分析表明,该演化过程类似于快速日出日落对电离层Es的影响,其成因是日环食期间太阳活动作为辐射源经历了快速减弱、复原的一个过程. 本次试验观测结果对研究和完善电离层Es形成机制、机理有重要意义.
多频段环焦型椭圆波束天线优化设计
刘兴隆, 杜彪, 周建寨, 解磊
, doi: 10.12265/j.cjors.2021284
摘要:
针对小口径低剖面天线的多频段、低旁瓣和高效率的需求,提出一种基于切割赋形环焦天线和非均匀有理B样条(non-uniform rational B-spline,NURBS)曲面的环焦型椭圆波束天线的综合优化设计方法. 该方法首先采用样条函数将一维口面场参数化,针对赋形切割环焦天线进行第一次快速优化设计;然后,用NURBS曲面将优化后的天线主副反射面再次参数化,引入多目标优化差分进化算法,以天线效率和第一旁瓣为优化目标,对该环焦型椭圆波束天线进行第二次优化设计. 应用该方法设计并加工了一个410 mm×720 mm的环焦椭圆波束天线,工作频率覆盖了Ku/K/Ka三个频段,天线总效率达到49%以上,第一旁瓣低于–14 dB,电压驻波比小于1.44∶1. 实测结果和全波仿真结果吻合良好,验证了本文设计方法的有效性. 针对小口径低剖面天线的多频段、低旁瓣和高效率的需求,提出一种基于切割赋形环焦天线和非均匀有理B样条(non-uniform rational B-spline,NURBS)曲面的环焦型椭圆波束天线的综合优化设计方法. 该方法首先采用样条函数将一维口面场参数化,针对赋形切割环焦天线进行第一次快速优化设计;然后,用NURBS曲面将优化后的天线主副反射面再次参数化,引入多目标优化差分进化算法,以天线效率和第一旁瓣为优化目标,对该环焦型椭圆波束天线进行第二次优化设计. 应用该方法设计并加工了一个410 mm×720 mm的环焦椭圆波束天线,工作频率覆盖了Ku/K/Ka三个频段,天线总效率达到49%以上,第一旁瓣低于–14 dB,电压驻波比小于1.44∶1. 实测结果和全波仿真结果吻合良好,验证了本文设计方法的有效性.
低频脉冲磁场中磁屏蔽体磁饱和效应的试验研究
潘征, 李跃波, 熊久良, 石立华, 闫民华
, doi: 10.12265/j.cjors.2021130
摘要:
针对磁屏蔽体在低频脉冲磁场环境中可能存在的磁饱和问题,利用试验方法开展了磁饱和效应研究,证实了常规工程屏蔽体可在低频脉冲磁场环境中达到磁饱和状态,并通过观测屏蔽效能的变化获得了磁饱和规律,同时分析了磁饱和效应对屏蔽效能的影响及其与屏蔽体的材料磁导率、壳体厚度、外形尺寸等参数的关系. 研究表明:磁屏蔽体屏蔽效能在磁饱和效应影响下,呈现出明显的动态变化特点,具有与屏蔽壳体磁导率类似的变化趋势;壳体厚度2 mm以内、长宽高为2 m×2 m×2 m左右的屏蔽体在上升时间为300 μs、持续时间为1.2 ms的磁场环境中,达到磁饱和状态的磁化场强度约为10 mT,其磁饱和难易程度与磁导率及外形尺寸负相关,与壳体厚度正相关. 试验研究结果与理论分析结论一致,可为磁屏蔽体的科学合理设计提供参考,具有较高的工程应用价值. 针对磁屏蔽体在低频脉冲磁场环境中可能存在的磁饱和问题,利用试验方法开展了磁饱和效应研究,证实了常规工程屏蔽体可在低频脉冲磁场环境中达到磁饱和状态,并通过观测屏蔽效能的变化获得了磁饱和规律,同时分析了磁饱和效应对屏蔽效能的影响及其与屏蔽体的材料磁导率、壳体厚度、外形尺寸等参数的关系. 研究表明:磁屏蔽体屏蔽效能在磁饱和效应影响下,呈现出明显的动态变化特点,具有与屏蔽壳体磁导率类似的变化趋势;壳体厚度2 mm以内、长宽高为2 m×2 m×2 m左右的屏蔽体在上升时间为300 μs、持续时间为1.2 ms的磁场环境中,达到磁饱和状态的磁化场强度约为10 mT,其磁饱和难易程度与磁导率及外形尺寸负相关,与壳体厚度正相关. 试验研究结果与理论分析结论一致,可为磁屏蔽体的科学合理设计提供参考,具有较高的工程应用价值.
一次大气波导过程天气雷达超视距海面回波分析
章晗, 王红光, 李建儒
, doi: 10.12265/j.cjors.2021090
摘要:
大气波导引起的反常地物回波是影响天气雷达数据质量的重要因素,本文针对大气波导对天气雷达海面回波的影响及应用,利用青岛多普勒天气雷达资料,结合探空数据对2014年7月18和19日一次大气波导过程造成的超视距海面回波进行了分析. 通过分析处理探空剖面数据,得到18日20时存在表面波导,而雷达资料显示该时刻雷达存在明显的超视距海面回波. 此次大气波导超视距过程持续约24 h,雷达超视距海面回波总体趋势是先从弱到强,再变弱直至消失,其空间分布和时间变化非常复杂. 进一步基于实测雷达回波数据,采用抛物方程和粒子群算法反演获得了水平不均匀的大气波导剖面,比较了实测回波功率和以反演剖面为输入的计算回波功率,两者之间相差较小,表明基于天气雷达回波的大气波导反演方法具有有效性. 大气波导引起的反常地物回波是影响天气雷达数据质量的重要因素,本文针对大气波导对天气雷达海面回波的影响及应用,利用青岛多普勒天气雷达资料,结合探空数据对2014年7月18和19日一次大气波导过程造成的超视距海面回波进行了分析. 通过分析处理探空剖面数据,得到18日20时存在表面波导,而雷达资料显示该时刻雷达存在明显的超视距海面回波. 此次大气波导超视距过程持续约24 h,雷达超视距海面回波总体趋势是先从弱到强,再变弱直至消失,其空间分布和时间变化非常复杂. 进一步基于实测雷达回波数据,采用抛物方程和粒子群算法反演获得了水平不均匀的大气波导剖面,比较了实测回波功率和以反演剖面为输入的计算回波功率,两者之间相差较小,表明基于天气雷达回波的大气波导反演方法具有有效性.
基于聚合型涡旋电磁波束的三维SAR成像
国少卿, 何姿, 陈如山
, doi: 10.12265/j.cjors.2021070
摘要:
合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)能够突破天线孔径对分辨率的限制,因而得到了广泛应用. 本文提出了一种基于聚合型涡旋电磁波束的三维SAR成像方法,通过设计合适的成像几何构型,利用涡旋电磁波的相位特性实现对高度维的分辨,并推导得到高度维分辨率与模式数及雷达参数之间的关系. 考虑到回波信号中引入的涡旋相位项,对后向投影算法进行改进,实现对观测区域的三维成像,并引入稀疏重构算法减少对模式数的需求. 仿真结果表明,利用多模式聚合型涡旋电磁波束能够对分布在不同高度的目标进行准确重构,利用稀疏重构算法能够用少数模式实现高分辨三维成像. 本文提出的方法为新体制雷达成像研究提供了一定的参考. 合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)能够突破天线孔径对分辨率的限制,因而得到了广泛应用. 本文提出了一种基于聚合型涡旋电磁波束的三维SAR成像方法,通过设计合适的成像几何构型,利用涡旋电磁波的相位特性实现对高度维的分辨,并推导得到高度维分辨率与模式数及雷达参数之间的关系. 考虑到回波信号中引入的涡旋相位项,对后向投影算法进行改进,实现对观测区域的三维成像,并引入稀疏重构算法减少对模式数的需求. 仿真结果表明,利用多模式聚合型涡旋电磁波束能够对分布在不同高度的目标进行准确重构,利用稀疏重构算法能够用少数模式实现高分辨三维成像. 本文提出的方法为新体制雷达成像研究提供了一定的参考.
5.835 GHz微带阵列天线的设计
朱福冉, 吴爱婷, 张鹏泉, 张忠海, 官伯然
, doi: 10.12265/j.cjors.2021066
摘要(326) HTML全文(124) PDF(30)
摘要:
为了降低目前电子不停车收费(electronic toll collection, ETC)系统中存在的邻道干扰、跟车干扰等问题,设计了一种5.835 GHz的微带阵列天线. 首先使用对方形贴片切角的方式实现了天线的圆极化,然后通过对4个天线单元运用旋转与相位补偿的方式进行了轴比(axial ratio, AR)带宽的提升,并最终以改进后的4单元作为微带阵列天线的辐射单元. 在低旁瓣和高定向方面,本文基于道尔夫-切比雪夫幅度分布的方法进行了不等幅馈电的馈电网络设计. 通过大量的电磁仿真,最终确定了天线的最优结构,并进行了实物加工和测量. 实测结果表明,阻抗带宽为5.67~5.88 GHz,在5.7~5.9 GHz频段内,增益大于15 dB,AR小于3 dB,E面半功率波瓣宽度小于12°,实测结果与仿真结果具有较好的一致性. 该天线具有低旁瓣、圆极化、高定向的特点,为ETC系统路侧单元阵列天线提供了一种新颖的天线结构. 为了降低目前电子不停车收费(electronic toll collection, ETC)系统中存在的邻道干扰、跟车干扰等问题,设计了一种5.835 GHz的微带阵列天线. 首先使用对方形贴片切角的方式实现了天线的圆极化,然后通过对4个天线单元运用旋转与相位补偿的方式进行了轴比(axial ratio, AR)带宽的提升,并最终以改进后的4单元作为微带阵列天线的辐射单元. 在低旁瓣和高定向方面,本文基于道尔夫-切比雪夫幅度分布的方法进行了不等幅馈电的馈电网络设计. 通过大量的电磁仿真,最终确定了天线的最优结构,并进行了实物加工和测量. 实测结果表明,阻抗带宽为5.67~5.88 GHz,在5.7~5.9 GHz频段内,增益大于15 dB,AR小于3 dB,E面半功率波瓣宽度小于12°,实测结果与仿真结果具有较好的一致性. 该天线具有低旁瓣、圆极化、高定向的特点,为ETC系统路侧单元阵列天线提供了一种新颖的天线结构.
一种小型化的高隔离度UWB-MIMO天线
高明明, 宋杨, 南敬昌, 李春晨
, doi: 10.12265/j.cjors.2021129
摘要(306) HTML全文(117) PDF(36)
摘要:
提出了一种紧凑、高性能、形状新颖的具有高隔离度的超宽带多输入多输出(ultra-wideband multiple-input multiple-output, UWB-MIMO)天线. 天线由两个圆形辐射元件组成,享有共同的类F形接地平面,尺寸为30 mm×18 mm. 在天线的接地平面中引入类F形短截线,在MIMO天线元件之间产生高度隔离. 所设计的UWB-MIMO天线具有极低耦合(S21<−22 dB)、低包络相关系数 (ECC<0.003)、高分集增益 (DG>9.98 dB),适用于便携式通信设备. 提出了一种紧凑、高性能、形状新颖的具有高隔离度的超宽带多输入多输出(ultra-wideband multiple-input multiple-output, UWB-MIMO)天线. 天线由两个圆形辐射元件组成,享有共同的类F形接地平面,尺寸为30 mm×18 mm. 在天线的接地平面中引入类F形短截线,在MIMO天线元件之间产生高度隔离. 所设计的UWB-MIMO天线具有极低耦合(S21<−22 dB)、低包络相关系数 (ECC<0.003)、高分集增益 (DG>9.98 dB),适用于便携式通信设备.
基于慢波基片集成波导的X波段功分器设计
黄文, 陈肖, 任仪, 周正宜, 朱泓宇, 曾婷
, doi: 10.12265/j.cjors.2021142
摘要(380) HTML全文(129) PDF(23)
摘要:
针对传统基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)功分器设计中宽带化和小型化不易兼顾的问题,提出了一种基于慢波SIW(slow-wave SIW, SW-SIW)的功分器. 采用微带折线构成的慢波结构单元加载于SIW金属表面上,代替传统SIW连续的金属表面,与同尺寸的SIW相比,SW-SIW的截止频率下降了40%,能够实现横向尺寸的缩减,尤其当SW-SIW达到与SIW相同的相移量时,SW-SIW所需纵向尺寸更小. 所提出的基于SW-SIW的功分器在具有较宽带宽的同时实现了器件尺寸的减小. 通过测试结果可得,该功分器在8.25~12.8 GHz频带内的反射系数|S11|<−10 dB,相对带宽达到了43.2%,相位一致性良好且小型化效果明显,适用于紧凑型微波射频前端. 针对传统基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)功分器设计中宽带化和小型化不易兼顾的问题,提出了一种基于慢波SIW(slow-wave SIW, SW-SIW)的功分器. 采用微带折线构成的慢波结构单元加载于SIW金属表面上,代替传统SIW连续的金属表面,与同尺寸的SIW相比,SW-SIW的截止频率下降了40%,能够实现横向尺寸的缩减,尤其当SW-SIW达到与SIW相同的相移量时,SW-SIW所需纵向尺寸更小. 所提出的基于SW-SIW的功分器在具有较宽带宽的同时实现了器件尺寸的减小. 通过测试结果可得,该功分器在8.25~12.8 GHz频带内的反射系数|S11|<−10 dB,相对带宽达到了43.2%,相位一致性良好且小型化效果明显,适用于紧凑型微波射频前端.
时间调制阵列天线的非理想波形调制研究
罗玉川, 向磊, 高彦昌, 倪刚, 陈靖峰, 贺冲, 梁仙灵
, doi: 10.12265/j.cjors.2021148
摘要:
针对时间调制阵列天线中射频开关的非理想特性,开展了多种波形调制下的谐波特性研究. 首先,推导了非对称梯形波/升余弦波周期调制的傅里叶系数,分析两种调制波的非对称性对各次谐波的幅度、相位和能量占比的影响;在此基础上,通过实验获得了一组实验调制波,并运用三角函数多项式拟合真实调制波形的上升沿与下降沿. 最后,讨论了各种波调制与实测谐波分量的差异性. 结果表明,与已有调制波相比,本文所提出的非对称梯形波、非对称升余弦波和拟合波的调制更接近真实波调制. 针对时间调制阵列天线中射频开关的非理想特性,开展了多种波形调制下的谐波特性研究. 首先,推导了非对称梯形波/升余弦波周期调制的傅里叶系数,分析两种调制波的非对称性对各次谐波的幅度、相位和能量占比的影响;在此基础上,通过实验获得了一组实验调制波,并运用三角函数多项式拟合真实调制波形的上升沿与下降沿. 最后,讨论了各种波调制与实测谐波分量的差异性. 结果表明,与已有调制波相比,本文所提出的非对称梯形波、非对称升余弦波和拟合波的调制更接近真实波调制.
具有小型化与高选择性的双频带通滤波器的设计
王远, 刘超, 南敬昌, 高明明
, doi: 10.12265/j.cjors.2021138
摘要:
为了满足C波段卫星通信系统的应用需求,提出了一种具有小型化与高选择性的双频带通基片集成波导滤波器. 滤波器第一通带由蚀刻在四分之一模基片集成波导腔顶层的L型谐振槽提供,第二通带由新型左右手结构提供. 其中L型谐振槽可以充当四分之一波长谐振器,激励腔内基本模式产生低频处的响应;新型左右手结构较传统结构增大了叉指电容值,降低了谐振频率. 通过仿真优化和测试,双频带通滤波器的中心频率为3.9 GHz和6.2 GHz,相对带宽为3.3%和2.1%,通带之间的衰减优于70 dB,且在通带外存在三个传输零点,具有良好的频率选择性. 表明了所提滤波器具有体积小、选择性高的特性,非常适合集成于卫星通信前端系统中. 为了满足C波段卫星通信系统的应用需求,提出了一种具有小型化与高选择性的双频带通基片集成波导滤波器. 滤波器第一通带由蚀刻在四分之一模基片集成波导腔顶层的L型谐振槽提供,第二通带由新型左右手结构提供. 其中L型谐振槽可以充当四分之一波长谐振器,激励腔内基本模式产生低频处的响应;新型左右手结构较传统结构增大了叉指电容值,降低了谐振频率. 通过仿真优化和测试,双频带通滤波器的中心频率为3.9 GHz和6.2 GHz,相对带宽为3.3%和2.1%,通带之间的衰减优于70 dB,且在通带外存在三个传输零点,具有良好的频率选择性. 表明了所提滤波器具有体积小、选择性高的特性,非常适合集成于卫星通信前端系统中.
基于机器学习和卫星图像的路径损耗预测
何丹萍, 徐卓成, 曹惠云, 殷玥, 吴丽娜, 官科
, doi: 10.12265/j.cjors.2021064
摘要(277) HTML全文(115) PDF(14)
摘要:
基于反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)构建了一种路径损耗预测模型. 通过卫星图像的红、绿、蓝(red, green and blue,RGB)通道的颜色信息来表征无线通信电波传播路径的环境特征,结合路测点与基站的距离特征构建数据集,迭代训练网络参数,以预测传播路径损耗. 结果表明,对跨基站路测点的预测结果与实测数据之间的相关系数达到0.83,绝对平均误差控制在0.66 dB,标准差控制在6.65 dB,说明在缺乏某一场景的详细模型和材质参数时,本文模型也能可靠预测无线通信电波的传播路径损耗. 此外,本文信道模型与传统信道建模方法多方面的对比与分析表明,本文模型在相同计算资源下可以提供和传统信道建模方法相差很小的预测结果,同时大大缩短预测所需的时间,说明本文模型对传播路径损耗做出快速预测的能力可以用于无线通信网络系统的优化. 基于反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)构建了一种路径损耗预测模型. 通过卫星图像的红、绿、蓝(red, green and blue,RGB)通道的颜色信息来表征无线通信电波传播路径的环境特征,结合路测点与基站的距离特征构建数据集,迭代训练网络参数,以预测传播路径损耗. 结果表明,对跨基站路测点的预测结果与实测数据之间的相关系数达到0.83,绝对平均误差控制在0.66 dB,标准差控制在6.65 dB,说明在缺乏某一场景的详细模型和材质参数时,本文模型也能可靠预测无线通信电波的传播路径损耗. 此外,本文信道模型与传统信道建模方法多方面的对比与分析表明,本文模型在相同计算资源下可以提供和传统信道建模方法相差很小的预测结果,同时大大缩短预测所需的时间,说明本文模型对传播路径损耗做出快速预测的能力可以用于无线通信网络系统的优化.
被动毫米波三维成像技术初探
孙雪蕾, 胡岸勇, 诸葛晓栋, 苗俊刚
摘要:
在简述当前被动毫米波二维成像技术已取得的成果及存在的不足的基础上,介绍了被动三维成像技术的原理、优势及难点。对理想均匀球面阵列的被动三维成像性能进行了仿真分析,并着重对由成像遮挡问题引起的成像效果恶化进行了仿真评估。最后,本文提出了一种适用于非合作式人体安检的“门”型通道成像阵列,并对其能够实现的被动三维成像效果进行了探讨。 在简述当前被动毫米波二维成像技术已取得的成果及存在的不足的基础上,介绍了被动三维成像技术的原理、优势及难点。对理想均匀球面阵列的被动三维成像性能进行了仿真分析,并着重对由成像遮挡问题引起的成像效果恶化进行了仿真评估。最后,本文提出了一种适用于非合作式人体安检的“门”型通道成像阵列,并对其能够实现的被动三维成像效果进行了探讨。
一种基于不连续伽辽金方法求解多区域目标散射问题的优化预处理器
张慧雯, 黄晓伟, 吴比翼, 盛新庆
, doi: 10.12265/j.cjors.2021065
摘要:
在电磁散射问题中,由均匀介质和金属组合而成的多区域结构目标在天线仿真、雷达成像等工程问题中有着广泛应用. 针对多区域目标的散射问题,研究了不连续伽辽金(discontinuous Galerkin, GD)方法在多区域面积分(surface integral equation, SIE)矩量法中的使用,同时提出了一种优化的距离稀疏预处理(optimized distance sparse preconditioner, O-DSP)方法。该方法根据阻抗矩阵中不同积分算子随距离变化的特性来个性化选择预处理矩阵,进一步增加了预处理矩阵的稀疏性. 数值计算表明,相比之前的距离稀疏预处理方法,优化的预处理矩阵非零元素仅为以前的一半,而且具有相同加速迭代效果. 在电磁散射问题中,由均匀介质和金属组合而成的多区域结构目标在天线仿真、雷达成像等工程问题中有着广泛应用. 针对多区域目标的散射问题,研究了不连续伽辽金(discontinuous Galerkin, GD)方法在多区域面积分(surface integral equation, SIE)矩量法中的使用,同时提出了一种优化的距离稀疏预处理(optimized distance sparse preconditioner, O-DSP)方法。该方法根据阻抗矩阵中不同积分算子随距离变化的特性来个性化选择预处理矩阵,进一步增加了预处理矩阵的稀疏性. 数值计算表明,相比之前的距离稀疏预处理方法,优化的预处理矩阵非零元素仅为以前的一半,而且具有相同加速迭代效果.
基于软阈值深度学习的自动调制识别算法
何荣荣, 徐逸凡, 刘洁, 姚凯凌
, doi: 10.12265/j.cjors.2021052
摘要(177) HTML全文(196) PDF(41)
摘要:
自动调制识别是认知无线电、电子侦察、电磁态势生成中重要的环节. 由于电磁环境日益复杂,噪声对能否正确调制识别影响显著. 本文针对低信噪比(signal-noise ratio,SNR)环境条件设计了一种基于软阈值的深度学习模型,在卷积神经网络(convolutional neural networks, CNN)的基础上加入软阈值函数. 将IQ数据转化为幅度相位信息作为模型的输入,CNN用于提取幅度相位数据中的特征,软阈值学习网络可以针对不同特征设置不同阈值,用于滤除样本噪声,提高低SNR条件下的识别率. 在开源数据集RML2016.10a上验证了所提算法的有效性,对比其他网络结构,本文提出的模型识别率更高且效率更高. 自动调制识别是认知无线电、电子侦察、电磁态势生成中重要的环节. 由于电磁环境日益复杂,噪声对能否正确调制识别影响显著. 本文针对低信噪比(signal-noise ratio,SNR)环境条件设计了一种基于软阈值的深度学习模型,在卷积神经网络(convolutional neural networks, CNN)的基础上加入软阈值函数. 将IQ数据转化为幅度相位信息作为模型的输入,CNN用于提取幅度相位数据中的特征,软阈值学习网络可以针对不同特征设置不同阈值,用于滤除样本噪声,提高低SNR条件下的识别率. 在开源数据集RML2016.10a上验证了所提算法的有效性,对比其他网络结构,本文提出的模型识别率更高且效率更高.
随钻电磁波在矿产识别中的应用分析
李富凯, 陈健, 姬勇力, 杨志强, 范业活
, doi: 10.12265/j.cjors.2021093
摘要:
相比泥浆脉冲传输而言,随钻电磁波传输方式具有不依赖钻井泥浆介质循环、信息传输快等优点,此外,电磁波对于地层电阻率反映灵敏度高,便于及时发现矿产目的层. 正是基于上述特点,近年来随钻电磁波传输系统越来越广泛地应用于石油、天然气和煤层气(煤矿)等矿产资源的开发. 文中采用不同于以往的随钻电磁波传输分析方法,即根据电磁波在地层中传播规律和极低频(extremely low frequency, ELF)电磁波的近场辐射特性,采用等效电路法对随钻电磁波在地层信道中的传输进行分析. 此外,根据等效电路分析结果,利用地面接收电磁波信号幅度包络瞬时变化率大小来作为判断地层电阻率特性的条件. 山西沁水煤层探测案例实际结果验证了提出的方法在煤炭等矿产资源探测方面具有明显时效性,进一步证明了随钻电磁波信息传输系统可以同时兼作一种有效的实时测井系统. 相比泥浆脉冲传输而言,随钻电磁波传输方式具有不依赖钻井泥浆介质循环、信息传输快等优点,此外,电磁波对于地层电阻率反映灵敏度高,便于及时发现矿产目的层. 正是基于上述特点,近年来随钻电磁波传输系统越来越广泛地应用于石油、天然气和煤层气(煤矿)等矿产资源的开发. 文中采用不同于以往的随钻电磁波传输分析方法,即根据电磁波在地层中传播规律和极低频(extremely low frequency, ELF)电磁波的近场辐射特性,采用等效电路法对随钻电磁波在地层信道中的传输进行分析. 此外,根据等效电路分析结果,利用地面接收电磁波信号幅度包络瞬时变化率大小来作为判断地层电阻率特性的条件. 山西沁水煤层探测案例实际结果验证了提出的方法在煤炭等矿产资源探测方面具有明显时效性,进一步证明了随钻电磁波信息传输系统可以同时兼作一种有效的实时测井系统.
某型电台的HEMP辐照效应试验及电磁损伤评估方法研究
卢治钢, 陈岳承, 刘树中, 崔燕舞, 王涛
, doi: 10.12265/j.cjors.2021071
摘要:
为检验电台类装备在高空核爆电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse, HEMP)环境下的生存能力,降低系统电磁脉冲易损性评估中的不确定度,设计了系统级HEMP辐照试验方案及易损性试验评估流程,建立了基于故障树模型的电台电磁损伤评估算法. 以欧讯SG-7200型超短波电台的电磁易损性评估为例,应用电磁损伤评估算法开展威胁级辐照试验. 试验结果表明:电台在50 kV/m的辐照试验中发生跳频现象,通信故障;在故障树模型中,根据多次试验数据得到该型电台在50 kV/m的威胁级辐照试验中系统失效概率为78.83%. 为检验电台类装备在高空核爆电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse, HEMP)环境下的生存能力,降低系统电磁脉冲易损性评估中的不确定度,设计了系统级HEMP辐照试验方案及易损性试验评估流程,建立了基于故障树模型的电台电磁损伤评估算法. 以欧讯SG-7200型超短波电台的电磁易损性评估为例,应用电磁损伤评估算法开展威胁级辐照试验. 试验结果表明:电台在50 kV/m的辐照试验中发生跳频现象,通信故障;在故障树模型中,根据多次试验数据得到该型电台在50 kV/m的威胁级辐照试验中系统失效概率为78.83%.
从S波段到毫米波段的可重构功分器设计研究
高伟男, 耿军平, 周晗, 陈念, 王堃, 任超凡, 苏达, 贺冲, 梁仙灵, 金荣洪
, doi: 10.12265/j.cjors.2021049
摘要:
为满足毫米波可重构通信系统需要,文中设计了毫米波可重构威尔金森功分器. 首先在S波段设计了基于PIN二极管的可重构功分器电路和原型;然后在此基础上把原理外推到K/Ka频段,通过参数提取方法重点研究PIN二极管寄生参数的影响及其最佳匹配方式;最后设计了K/Ka频段的可重构功分器原型,并进行了仿真和测试. 实测结果表明,K/Ka频段可重构功分器在工作带宽内,双路导通模式下端口1到传输端口(端口2和端口3)的插入损耗小于4.92 dB,传输端口之间的隔离度大于15.8 dB;单路导通模式下插入损耗小于1.65 dB,端口1和隔离端口之间的隔离度大于22.4 dB,实测结果与仿真结果基本一致. 使用场路联合仿真的方法基于PIN二极管设计可重构功分器,在K/Ka频段考虑寄生参数的影响,设计的可重构功分器模型准确、结构简单,适合可重构系统应用. 为满足毫米波可重构通信系统需要,文中设计了毫米波可重构威尔金森功分器. 首先在S波段设计了基于PIN二极管的可重构功分器电路和原型;然后在此基础上把原理外推到K/Ka频段,通过参数提取方法重点研究PIN二极管寄生参数的影响及其最佳匹配方式;最后设计了K/Ka频段的可重构功分器原型,并进行了仿真和测试. 实测结果表明,K/Ka频段可重构功分器在工作带宽内,双路导通模式下端口1到传输端口(端口2和端口3)的插入损耗小于4.92 dB,传输端口之间的隔离度大于15.8 dB;单路导通模式下插入损耗小于1.65 dB,端口1和隔离端口之间的隔离度大于22.4 dB,实测结果与仿真结果基本一致. 使用场路联合仿真的方法基于PIN二极管设计可重构功分器,在K/Ka频段考虑寄生参数的影响,设计的可重构功分器模型准确、结构简单,适合可重构系统应用.
一种基于离散余弦变换-惩罚最小二乘回归的区域高分辨率电离层TEC地图重构方法
欧明, 陈龙江, 吴家燕, 甄卫民, 吕梦海
, doi: 10.12265/j.cjors.2021211
摘要:
高时空分辨率的电离层TEC地图对中小尺度电离层扰动的分析和建模具有重要的应用价值. 利用中国大陆构造环境监测网络和国际GNSS服务(international GNSS service, IGS)的地基GNSS监测数据,基于离散余弦变换-惩罚最小二乘回归(discrete cosine transform and penalized least square regression, DCT-PLS)算法,实现了区域高时空分辨率(1°×1°×15 min)电离层TEC地图的重构. 通过与2014年和2018年部分Madrigal高精度TEC数据的对比结果表明,DCT-PLS算法给出的垂直TEC一致性和稳定性相比欧洲定轨中心欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)的全球TEC地图(global ionospheric map, GIM)数据有明显提升,其中TEC平均误差由3.9 TECU下降为2.0 TECU,标准差由3.7 TECU下降为2.7 TECU. 对2017-09一次磁暴期间的电离层重构结果表明,本文算法能够较好地再现磁暴期间电离层精细化的扰动结构特征,相关研究结果可为实现区域高分辨率电离层监测和应用提供技术支撑. 高时空分辨率的电离层TEC地图对中小尺度电离层扰动的分析和建模具有重要的应用价值. 利用中国大陆构造环境监测网络和国际GNSS服务(international GNSS service, IGS)的地基GNSS监测数据,基于离散余弦变换-惩罚最小二乘回归(discrete cosine transform and penalized least square regression, DCT-PLS)算法,实现了区域高时空分辨率(1°×1°×15 min)电离层TEC地图的重构. 通过与2014年和2018年部分Madrigal高精度TEC数据的对比结果表明,DCT-PLS算法给出的垂直TEC一致性和稳定性相比欧洲定轨中心欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)的全球TEC地图(global ionospheric map, GIM)数据有明显提升,其中TEC平均误差由3.9 TECU下降为2.0 TECU,标准差由3.7 TECU下降为2.7 TECU. 对2017-09一次磁暴期间的电离层重构结果表明,本文算法能够较好地再现磁暴期间电离层精细化的扰动结构特征,相关研究结果可为实现区域高分辨率电离层监测和应用提供技术支撑.
专题论文
稀疏MIMO雷达实孔径三维成像技术
兰宇, 田佳豪, 刘丹阳, 朱永锋, 周剑雄
, doi: 10.12265/j.cjors.2022001
摘要:
针对任意的多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)稀疏阵列提出了两种三维成像方法MIMO单快拍成像模式和相控阵多帧联合成像模式,对两种模式下角度分辨率及信噪比(signal noise ratio, SNR) 进行了对比. MIMO单快拍模式角度分辨率等价于收发联合等效阵列,相控阵多帧联合成像模式的方向图等于发射方向图与接收方向图的乘积,同样也能获得MIMO等效阵列的角度分辨率;相控阵多帧联合成像模式与MIMO单快拍成像模式的SNR增益的比值为发射阵列数量. 讨论了稀疏阵列与均匀满阵之间的区别与联系,稀疏阵列的波束方向图等价于均匀满阵的二维加窗FFT,加窗使稀疏阵列方向图展宽. MIMO模式适用于对实时性要求高的应用场景,相控阵模式适用于对SNR要求高的应用场景. 针对任意的多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)稀疏阵列提出了两种三维成像方法MIMO单快拍成像模式和相控阵多帧联合成像模式,对两种模式下角度分辨率及信噪比(signal noise ratio, SNR) 进行了对比. MIMO单快拍模式角度分辨率等价于收发联合等效阵列,相控阵多帧联合成像模式的方向图等于发射方向图与接收方向图的乘积,同样也能获得MIMO等效阵列的角度分辨率;相控阵多帧联合成像模式与MIMO单快拍成像模式的SNR增益的比值为发射阵列数量. 讨论了稀疏阵列与均匀满阵之间的区别与联系,稀疏阵列的波束方向图等价于均匀满阵的二维加窗FFT,加窗使稀疏阵列方向图展宽. MIMO模式适用于对实时性要求高的应用场景,相控阵模式适用于对SNR要求高的应用场景.