大连理工大学信息与通信工程学院，辽宁 大连 116024
提出一种低复杂度、低功耗且便于硬件移植、可应用于水下无线光通信（UWOC）系统的基于链表和线性表的稀疏Volterra（3l-sVolterra）算法，它通过结合链表与线性表的新数据结构来存储Volterra算法中的所有参数，有效降低了Volterra算法更新参数所需的片上资源消耗，同时能对参与运算的非线性项进行稀疏处理，便于移植到小型硬件系统中。随后，在C6748芯片上实现了所提出的算法，并搭建了基于绿光LED的UWOC系统，对设计的数字信号处理（DSP）系统和UWOC系统进行了性能测试。结果表明，与无稀疏操作的Volterra算法相比，所提算法能在保留相近非线性补偿能力的同时，将资源消耗降低30%，在5 m长水箱信道UWOC系统中实现了20 Mbit/s的通信速率。
光通信 非线性均衡算法 数字信号处理 链表与线性表 非线性项稀疏处理
Author Affiliations
Abstract
School of Information and Communication Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
This paper has proposed an experimental system for non-orthogonal multiple access (NOMA) wireless optical communication in challenging underwater turbulent environments, employing the gallium nitride (GaN)-based micro-LED array. This design of the GaN-based micro-LED array enables the independent transmission of signals from distinct data streams within the NOMA framework, facilitating direct optical power-domain superposition of NOMA signals. The experimental setup involves emulating oceanic turbulence channels, characterized by varying the level of scintillation intensity, to thoroughly investigate the bit error rate (BER) performance. The outcomes unequivocally demonstrate the superiority of our proposed NOMA scheme, as compared to conventional circuit-driven optical NOMA systems utilizing fixed LED array grouping, particularly in the presence of turbulent underwater channels. The proposed NOMA scheme exhibits consistently superior BER performance and maintains excellent linearity at the lower frequencies while effectively mitigating signal distortion at the higher frequencies.
optical non-orthogonal multiple access gallium nitride-based micro-LED array oceanic turbulence channels bit error rate Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 030101
Author Affiliations
Abstract
School of Information and Communication Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
In order to alleviate the impact of turbulence on the performance of underwater wireless optical communication (UWOC) in real time, and achieve high-speed real-time transmission and low cost and miniaturization of equipment, a real-time multiple-input and multiple-output (MIMO) high-speed miniaturized UWOC system based on a field-programmable gate array (FPGA) and a high-power light-emitting diode (LED) array is designed in this Letter. In terms of multiplexing gain, the imaging MIMO spatial multiplexing and high-order modulation for the first time are combined and the real-time high-speed transmission of PAM-4 signal based on the LED array light source in 12 m underwater channel at 100 Mbps rate is implemented, which effectively improves the throughput of the UWOC system with a high-power commercial LED light source. In light of diversity gain, the system employs the diversity of repeated coding scheme to receive two identical non-return-to-zero on-off keying (NRZ-OOK) signals, which can compensate the fading or flickering sublinks in real time under the bubble-like simulated turbulence condition, and has high robustness. To our knowledge, this is the first instance of a high rate and long-distance implementation of a turbulence-resistant real-time MIMO miniaturized UWOC system based on FPGA and high-power LED arrays. With spatial diversity or spatial multiplexing capabilities, its low cost, integrity, and high robustness provide the system with important practical prospects.
underwater wireless optical communication MIMO spatial diversity spatial multiplexing Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 020601
大连理工大学信息与通信工程学院，辽宁 大连 116024
针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求，本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列（FPGA）和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列，基于FPGA实现高阶调制与编码，并设计了准直光学发射天线有效减少光束发散角，大幅度延长了传输距离。在光接收端，设计了一种基于3 mm大孔径雪崩光电二极管（APD）的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机，降低了光通信系统对准的严苛要求。该系统可实现30 Mbps 开关键控（OOK）信号和正交幅度调制（QAM）信号（16QAM信号）的12 m水下信道实时传输，二者的误码率（BER）分别为2.467×10-4和3.467×10-3。此外，该系统还实现了22 Mbps的非归零（NRZ）-OOK整形信号12 m水下+30 m空气的跨介质传输（总长度为42 m），BER为3.619×10-4。最后，实现了12 m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22 Mbps OOK信号的有效接收，提高了系统的鲁棒性。
水下无线光通信 现场可编程门阵列 LED阵列 高阶调制 小型化光端机
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，四川 绵阳 621000
为提高超燃冲压发动机扩张段温度测量精度和测量结果的稳定性，笔者基于可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS），选取5个低态能级不同且分布均匀的近红外H2O吸收线，采用玻尔兹曼图法测温。采用集成的五波长测量系统，在实验室高温炉上设定1000~1600 K的温度台阶，选用不同波长数目组合计算分析，五波长的温度偏差均在1%之内，优于其他数目的波长组合。在发动机实验中，测量了超燃冲压发动机扩张段横截面16路线的平均温度，实现了发动机点火、燃烧和熄火宽温度范围的监测；对比了相同工况下的两次实验，结果显示，工况A和工况B下重复实验的平均偏差分别为17 K和7 K，重复性较好，体现该测量方法在发动机测量中的稳定性。该温度测量方法可广泛应用于发动机及工业过程的燃烧流场领域，为计算燃烧效率、改进燃烧过程提供数据支撑，具有重要的工程应用价值。
光谱学 可调谐半导体吸收光谱技术 玻尔兹曼图 温度测量 中国激光
2023, 50(19): 1911004
1 江西省交通工程集团有限公司,南昌 330000
2 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
为了掌握蒸养混凝土的脆性特性, 以脆性系数和冲击韧性为评价指标, 研究了养护温度(20、45、55、65、75 ℃)及矿物掺合料对混凝土脆性的影响, 并通过扫描电子显微镜和压汞仪分析了养护温度和矿物掺合料对混凝土水化产物微结构和孔结构的影响。结果表明, 随着养护温度的升高或养护龄期的延长, 混凝土的脆性系数增大, 且蒸养降低了混凝土的冲击韧性, 复掺粉煤灰和矿渣粉掺合料可以改善蒸养混凝土的脆性和抗冲击性能。较高养护温度导致水化产物结晶粗大, 界面过渡区形成微裂缝和基体孔隙率增大, 从而使蒸养混凝土脆性增大, 复掺粉煤灰和矿渣粉掺合料改善了蒸养混凝土的孔结构和界面过渡区微结构。
蒸养混凝土 养护温度 矿物掺合料 脆性系数 冲击韧性 微结构 steam cured concrete curing temperature mineral admixture brittleness coefficient impact toughness microstructure
1 湖南大学机械与运载工程学院, 汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 长沙 410082
2 华中科技大学能源与动力工程学院, 武汉 430074
3 湘潭大学物理与光电工程学院, 湖南 湘潭 411105
4 郑州大学物理学院(微电子学院), 郑州 450001
随着人工智能技术的发展, 采用机器学习方法进行势函数的构建和拟合, 成为目前解决经验势函数精度问题的主要技术途径。机器学习方法解决了传统势函数拟合中的试错低效问题, 已成为材料设计和物性研究不可或缺的有力工具。本文围绕当前机器学习势函数的特点, 及其在相变研究、本征性质研究和界面研究等方面的应用, 全面总结介绍势函数及其拟合策略, 以及其在特定物性研究中的应用, 推动机器学习势函数在材料力热性质的多尺度模拟研究。最后, 展望了机器学习势函数所面临的挑战和未来发展前景。
机器学习 原子相互作用势 多尺度 力热性质 machine learning atomic interaction potential multiscale mechanical and thermal properties
1 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110000
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230000
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230000
人体呼气中一氧化氮浓度（FeNO）与肺部呼吸道疾病有着紧密的联系，美国食品和药品管理局（FDA）、欧洲呼吸学会（ERS）和美国胸科学会（ATS）等权威机构相继将FeNO作为哮喘生物标志物，并将FeNO列为呼吸系统疾病的常规检查项目。针对FeNO高灵敏监测需求，发展了一套中红外波长调制激光吸收光谱检测仪，利用多元线性回归的方法解决了CO2谱线交叉干扰问题，NO的检测限达到。利用多浓度标准气体对样机性能进行了定标，在体积分数范围内，仪器结果的线性相关性为0.994。最后，对中国中医科学院西苑医院的志愿者呼气样本进行了测量。
光谱学 一氧化氮 激光光谱 中红外波长调制 多元线性回归 光学学报
2022, 42(21): 2130001
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
针对宽波段吸光度直接反演温度的测温方法，数值仿真分析了300~2000 K温度范围内光谱噪声独立作用、光谱参数误差独立作用和二者综合作用对温度反演精度的影响。在光谱噪声单独作用下，以±0.005幅值噪声为一倍噪声，添加幅值从±0.005增加至±0.1的光谱噪声。当噪声幅值为±0.1时，温度的最大标准差为46.58 K@1700 K，为达到小于10 K的标准差，需将光谱噪声幅值控制在±0.02以内。在光谱参数误差单独作用下，分别对可标定的强吸收线和不可标定的弱吸收线的光谱参数添加1%和10%~50%的误差，温度最大标准差为7.77 K@1300 K（1%和40%的误差组合），其中线强误差对温度反演的影响较大，故应尽量将线强标定误差控制在1%以内。在光谱噪声和光谱参数误差的综合作用下，光谱噪声对测温精度的影响更大，在实际测量过程中获得信噪比较好的吸收信号可减小光谱噪声带来的影响。
光谱学 吸收光谱 宽波段吸收光谱 温度测量 光谱噪声 光谱参数误差 光学学报
2022, 42(18): 1830003
1 江西省交通工程集团有限公司, 南昌 330000
2 江西省桥梁智能养护工程技术研究中心, 南昌 330000
3 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
机制砂(MS)中的片状颗粒会影响混凝土的性能。本文研究了机制砂中片状颗粒粒径(1.18~2.36 mm、2.36~4.75 mm、4.75~9.50 mm)及含量(10%、20%、30%, 均为质量分数)对砂浆流动度和强度的影响, 测定了片状颗粒含量不同的机制砂混凝土的工作性、抗压强度和电通量, 并使用扫描电镜和压汞仪测试了片状颗粒含量不同的机制砂砂浆的界面微观结构和孔隙结构。结果表明, 随着机制砂中片状颗粒含量的增加或片状颗粒粒径的增大, 所配制的砂浆和混凝土的流动性、强度和抗渗性逐渐减小, 且片状颗粒对抗折强度的影响程度高于抗压强度。相对于粒形规则的颗粒, 片状颗粒会弱化水泥浆体与机制砂颗粒的界面过渡区, 并增大砂浆的孔隙率, 增加大尺寸多害孔的比例, 从而导致砂浆和混凝土性能劣化。因此, 应严格控制机制砂中片状颗粒含量尤其是片状粗砂颗粒的含量。
机制砂 片状颗粒 砂浆 混凝土 力学性能 界面 孔结构 manufactured sand flake particle mortar concrete mechanical property interface pore structure
