水汽凝结体对太赫兹波在大气中的传输衰减起重要作用。结合 T-matrix方法, 数值模拟了云层中非球形冰晶在太赫兹波段的吸收和散射效应, 建立了对称性非球形冰晶的太赫兹波衰减统计模型。分析了不同结构的非球形冰晶的消光特性, 对比 MPM模型的球形水云衰减, 结果显示太赫兹波段对称非球形冰晶的散射特性明显, 衰减效应强于球形水滴, 衰减系数平均为 20 dB左右, 1 THz以上消光截面随冰晶形状的变化而变化, 为太赫兹星地通信提供了参考数据。

采用减小栅长 (Lg)的方法可以显著提高磷化铟基高电子迁移率晶体管( InP HEMT)器件的直流和微波性能, 并使器件的工作频率上升到太赫兹频段。采用 T形栅工艺制备了 70 nm栅长的 InP HEMT器件, 器件的直流跨导达到了 2.87 S/mm, 截止频率 ft和最大振荡频率 fmax分别为 230 GHz和 310 GHz。对器件的寄生参数进行了提取和去嵌入, 得到了器件的本征 S参数。采用经典的 9参数模型拓扑结构对器件进行了小信号建模, 模型仿真与测试结果拟合良好。针对电流的短沟道效应, 采用电流分段的方法来拟合 I-V曲线, 取得了较好的拟合结果。最后采用 Angelov模型对器件的电容进行建模, 并最终建立了器件的大信号模型。

为实现对太赫兹信号的频谱测量, 以集成对数周期天线的 YBa2Cu3O7(YBCO)约瑟夫森双晶结为信号探测器, 开展了基于高温超导约瑟夫森结的小型频谱检测仪的研制。在低温环境下, 通过THz信号耦合、信号测量、数据读取及 LabVIEW控制界面等功能模块, 利用 Hilbert逆变换完成信号的频谱恢复, 最终成功研制出高温超导约瑟夫森结频谱检测仪, 并对其进行了基本性能测试, 实现了对0.1~2.5 THz的信号检测, 频率分辨力高达 0.04 GHz(@114 GHz)和2 GHz(@1.78 THz)。此外, 对其分辨力的影响因素进行了初步分析。

太赫兹波数字全息成像技术结合了太赫兹成像技术和数字全息成像技术的优势, 是一种新型相衬成像技术, 具有光源相干性要求低、光路结构简单、实时定量获取物光波复振幅信息等特点, 非常适用于太赫兹波段成像。影响数字全息成像技术分辨力的因素有多种, 其中一个主要因素是探测器靶面尺寸的大小, 因此, 提出合成孔径方法扩大探测器靶面尺寸, 提高太赫兹数字全息的成像分辨力。文中搭建了连续太赫兹波同轴数字全息成像装置, 获取了样品高质量、高分辨力的振幅和相衬图像。实验结果有效说明了合成孔径方法可以提高太赫兹数字全息成像分辨力。

基片集成波导(SIW)既有波导的损耗低、品质因数高、功率容量大的特点, 又兼具微带线的低剖面、尺寸小、易于与其他平面电路集成的优点, 被广泛应用于微波电路设计之中。鉴于目前测试系统及级联都采用矩形波导端口, 为实现对SIW元器件的测试及系统集成, 须对SIW元器件进行过渡结构设计。采用三维高频电磁仿真软件仿真和优化, 设计了一种新型 SIW-波导过渡结构。仿真结果表明: 该结构在 205~225 GHz频段内, 带内插入损耗在 0.5~0.6 dB之间, 回波损耗大于12 dB; 背对背结构, 插入损耗小于 1.5 dB, 回波损耗大于 10 dB, 相对带宽 11.4%。

针对复杂战场环境实时侦察的需求, 介绍了一种 220 GHz太赫兹合成孔径雷达( SAR), 重点研究了雷达系统设计、宽带信号补偿和 SAR成像实验。雷达信号采用线性调频连续波模式, 中心频率为216 GHz, 带宽为 4.8 GHz, 采用去斜处理体制, 完成了宽带一维距离像实验和 SAR成像实验。实验结果表明雷达成像分辨力达到了 3 cm。

整星系统级测试是验证整星系统最终性能指标不可或缺的重要环节。本文叙述了大型平面近场进行整星状态下含有效载荷变频系统的天线辐射性能的测试方法, 通过整星变频系统的馈源阵初级方向图测试, 导出馈源阵初级方向图至反射面仿真软件 GRASP。将通信天线的最终二次覆盖方向图与仿真设计结果相比较, 结果的一致性验证了整星系统的工作性能。

随着遥感技术的飞速发展, 遥感数据的传输速率和编码性能要求越来越高。在高码速率、复杂编码的条件下, 设计符合国际空间数据系统咨询委员会 (CCSDS)标准的高码速率解调器成为解决遥感卫星数据解调的关键。在软件无线电平台的解调器结构下, 分析低密度奇偶校验码 (LDPC)译码特点, 完成译码模块结构、解调速率、存储规则的设计。设计结果满足高码速率遥感卫星解调器要求, 提高了数据的下传效率和空间资源的利用效率。

基于有限集统计学理论的多目标跟踪技术具备严格的贝叶斯理论解释基础, 可以同时完成目标数目及状态的估计, 并避免了复杂的数据关联过程。基于高斯混合概率假设密度滤波器(GM-PHD)实现了对数目时变目标的跟踪, 准确估计出了每一时刻目标的数目。在此基础上进一步分析了目标生存概率 ps、目标检测概率 pd以及杂波密度 λc等因素对跟踪效果的影响, 为 GM-PHD滤波器在多目标跟踪的实际应用中各参数的取值提供了有益的参考。

传统雷达一般采用固定的发射波形, 在干扰环境下很难获得最优的目标检测性能。针对这一问题, 利用集中式多输入多输出(MIMO)雷达波形分集的优势, 提出了一种干扰环境下的 MIMO雷达波形与接收滤波联合优化算法。以最大化输出信干噪比为准则, 使发射波形满足恒模条件, 同时施加波形与具备较好脉压特性雷达波形之间的相似性约束, 建立了有限相位发射波形与接收滤波权值的优化模型。然后, 在循环迭代的算法框架下, 将优化问题分解为 2个子优化问题, 并分别采用拉格朗日乘子法、半正定松弛技术对子优化问题求解, 得到发射波形与接收滤波权值的联合优化结果。仿真结果表明, 所提算法较现有方法相比有更高的输出信干噪比, 使干扰信号的抑制性能得到改善, 同时可兼顾发射波形的脉冲压缩特性。

异步条件下对变换域通信系统 (TDCS)信号用特征值分解法可估计基函数序列, 但由于协方差矩阵特征分解的不唯一性, 造成分段得到的特征向量存在标量模糊的缺陷。通过理论分析特征值分解算法, 提出了一种改进算法, 将接收信号的分段周期扩大为基函数周期的 2倍, 通过特征值分解算法得到协方差矩阵的最大特征向量, 用长度为基函数周期的窗口在最大特征向量中滑动, 当窗口的二范数达到最大值时, 即可得到基函数序列。通过实验仿真, 改进算法能够有效克服分段向量出现部分正反号的缺陷, 系统误码性能与同步条件下的系统误码性能基本一致。

针对传统行人航位推算 (PDR)算法在手机倾斜程度较大时定位误差大且定位误差随步数累积的问题, 提出一种改进 PDR定位与外部位置信息融合的定位算法。算法首先估计手机姿态矩阵并利用姿态矩阵旋转加速度、角速度与磁感应强度的测量向量。再利用旋转后的加速度向量进行步伐探测、步频步长估计; 旋转后的角速度与磁感应强度向量进行方向角估计。最后根据 PDR定位结果与外部位置信息的误差特性, 通过比例积分 (PI)控制器进行融合定位并反馈调节步长模型参数。实验表明算法中传感器测量向量旋转、融合定位和步长模型参数反馈调整有效减小了算法的定位误差, 定位轨迹更接近于真实行进轨迹。

针对较低信噪比下的深衰落稀疏多径信道, 提出了一种基于信道缩短的自适应稀疏均衡改进算法。该算法采用前置分数间隔信道缩短均衡器与后置自适应稀疏均衡器级联的均衡器结构, 其中, 首先利用短训练序列设计基于最小均方误差准则的前置均衡器, 前置均衡器与稀疏多径信道级联后得到能量集中于较短时间区域且分布稀疏的等效信道, 使得原始信道的深衰落畸变得到部分有效补偿; 然后采用能实现稀疏信号重构的随机梯度追踪算法调整后置自适应均衡器的抽头系数, 后置均衡器用于消除等效信道的剩余符号间干扰。仿真结果表明, 与传统的单级分数间隔自适应均衡器相比, 该算法具有收敛速度快和运算复杂度低的优点。

研究射频噪声干扰、噪声调幅干扰、噪声调频干扰和噪声调相干扰对脉压的干扰效果, 从 4种有源噪声干扰信号的功率谱密度、干扰带宽及干扰功率等特征上对照分析了各自的干扰特性, 然后通过理论推导, 得到了在线性调频( LFM)脉冲压缩滤波器下不同干扰的特征变化, 以及脉压对有效干扰带宽和功率压制比的影响, 给出了脉压干扰效应的若干结论, 并用仿真验证了结论的正确性。研究结果表明, 脉压后的有效干扰带宽与干扰中心频率对信号载频的瞄准误差和两者的带宽重叠度有关, 而且脉压处理使输出干扰功率与输入干扰功率的比值为脉压后的有效干扰带宽与脉压前的干扰带宽之比。此外, 脉压后功率压制比也与有效干扰带宽和脉压前的干扰带宽的比值成正比。

针对基于 Hermitian分解的协方差角度估计算法在低信噪比 (SNR)时性能差的问题, 提出了基于自适应重采样次数的协方差角度估计算法。该算法首先用接收信号扫描角度空间内的所有导向矢量, 划定正确的角度估计区间, 并给出判断角度估计结果是否可靠的标准。然后构造协方差矩阵, 得到角度估计结果, 接着以角度估计结果是否可靠为判断标准自适应地对原始信号进行重采样。若重采样后对应某一信号的多个角度估计结果都不可靠, 则对原信号重采样并估计到达角, 直到所有信号均有可靠结果为止。仿真结果表明, 所提算法修正异常的角度估计结果, 提高协方差角度估计算法在低信噪比时的精确度。

无线传感器网络定位技术作为物联网的主要研究内容有着不可或缺的地位。为了达到高定位精确度、高节点覆盖率, 本文在对各种基本经典算法深度分析的基础上, 提出近似三角形内点(APIT)定位算法和距离向量跳段 (DV-HOP)定位算法相结合的混合定位算法。采用角度判断未知节点的准确位置, 对三角形内部和外部节点分别进行定位, 内部采用 APIT算法, 定位精确度提高了 65%, 外部采用最小跳数对 DV-HOP加权进行定位, 定位精确度提高了 24%。相比于原始算法, 本文提出的混合算法可以对所有未知节点进行定位, 减少了定位误差。通过 MATLAB仿真, 证明了其有效性。

针对传统 N通道滤波器存在增益以及时钟的偶次谐波对滤波性能产生不利影响的问题, 利用增益提高技术和差分时钟技术提出了一种增益提高型、时钟偶次谐波消除的 N通道带通滤波器。在 TSMC 90 nm工艺参数和 1.2 V电源电压下对其进行 Spectre模拟。结果表明, 滤波器的增益高于 9.8 dB, 中心频率可调范围为 0.2~2.2 GHz, S11>10 dB, IIP3>11 dB, 阻带抑制为 26 dB。电路结构简单, 仅由反向器、开关和电容组成, 且易于集成。

基于砷化镓( GaAs)赝晶型高电子迁移率晶体管( PHEMT)工艺, 研制了一款 25～45 GHz宽带单片微波集成电路( MMIC)低噪声放大器。该放大器采用三级级联的双电源结构, 前两级在确保良好的输入回波损耗的同时优化了放大器的噪声; 末级采用最大增益的匹配方式, 保证了良好的增益平坦度、输出端口回波损耗以及输出功率。此外还对源电感和宽带匹配都进行了优化, 实现了低噪声下的宽带输出。在片测试表明, 在栅、漏偏置电压分别为-0.38 V和 3V, 电流为 60 mA的工作条件下, 该放大器在 25～45 GHz频带内噪声系数小于 2 dB, 增益为( 22±1.5) dB, 输入、输出电压驻波比典型值为 2:1, 1 dB增益压缩输出功率 (P－1 dB)典型值为 10 dBm。该低噪声放大器可以用于宽带毫米波收发系统。

针对存储转发系统数据随机性、不同接口之间时序异步的特点, 提出了不同于典型平台的事物级数据结构和参考模型设计, 构建基于 System Verilog语言的通用验证方法学 (UVM)的验证平台。验证结果表明, 此验证平台能够灵活控制随机约束和验证进程, 优化验证事务。该平台提高了验证的效率和验证平台的可重用性, 较好地满足了超大规模可编程逻辑器件验证需要。

云无线接入网 (C-RAN)是融合了集中化处理、协作无线电和实时云计算的无线接入网架构, 不同于传统无线通信网络架构, 其基带处理单元基于统一开放的软件无线电平台。本文从灵活性、实现复杂度、运算精确度、处理时延、吞吐量、资源利用率、能耗等方面对比 C-RAN系统中的软件发送接收技术与传统基带信号处理技术, 并以低密度奇偶校验码(LDPC)编码载波传输系统为典型案例, 展示软件技术运算精确度高、性能优良, 而传统技术处理时延低的特点。

借助DM8168硬件平台, 在 McFW框架下, 使用 Link API接口, 研究设计了具备灵活性和实用性的图像处理算法验证框架。该框架逻辑清晰, 结构紧凑, 充分利用DM8168处理器的多核和多通道特性, 克服了原生 McFW框架中 DSP图像处理算法只应用于摄像头捕获数据的局限性, 着重于满足图像处理算法验证, 开发各项需求, 方便算法开发人员移植、集成和测试图像处理算法。该框架既适用于算法验证, 又可用于嵌入式产品开发, 为图像处理算法由PC机向嵌入式移植提供了很好的过渡。最后基于该框架初步实现了均值偏移目标跟踪算法的移植, 在多路摄像头输入的情况下, 针对固定场景视频监控, 满足实时性要求, 硬件资源分配合理, 证明了该算法验证框架的正确性和有效性。

采用信息融合的方法, 对高功率微波打击后的装备进行故障诊断。使用 D-S证据理论, 将信息融合应用于高功率微波 (HPM)效应的故障诊断中, 并用实例进行了仿真分析。结果表明: 采用信息融合方法来诊断高功率微波效应后的故障是有效的, 随着融合次数的增加, 故障诊断的确定性增大, 该方法提高了故障诊断的正确率。

图像分割是计算机视觉中研究的热点和难点之一, 原始图像只有在分割之后才能被分析与理解。为了更快更准确地分割图像, 本文将万有引力搜索算法和最大类间方差法的双阈值法相结合, 提出了一种新的图像分割方法。该方法首先把图像分割的阈值看成引力搜索算法中空间的粒子; 其次利用最大类间方差法的双阈值法设计适应度函数; 最后, 通过粒子在空间中相互的万有引力作用, 逐渐逼近最优阈值。实验表明, 基于万有引力搜索算法(GSA)的图像分割在运行速度、运行时间等方面要优于传统的图像分割算法, 该方法分割后的目标图像更加适合后续的分析和处理。

发音字典是语音识别系统的重要组成部分, 字典词汇量不足将导致高集外词率, 降低语音识别性能。提出一种自动扩展字典的新方法, 该方法不需要大量文本数据来获取新词, 而是利用单词发音恢复集外词。首先, 利用字典有限状态转换器( FST)表示的互补形式和 P2G转换获取新的词-发音对。然后采用一种两步确认策略, 即发音确认和单词确认, 滤除错误词条。最后, 采用语言模型线性内插将生成的新词添加进语言模型中。该方法在英语和捷克语的连续语音识别任务中进行了测试。实验表明, 字典扩展有效降低系统集外词 (OOV)率; 英语大词汇量连续语音识别(LVCSR)系统的连续语音识别性能相对基线系统提升约 9%, 关键词检索性能约提升 9.7%; 捷克语系统性能分别提升了 2.3%和 10.0%。

针对传统最小二乘支持向量机 (LSSVM)稀疏性较差的问题, 在传统支持向量机的基础上提出了新的 LSSVM模型, 并对其进行优化。利用选主元 Cholesky分解, 进行迭代操作, 简化求解过程; 利用径向基-卡方组合核函数, 提高核函数的稀疏性; 最后利用遗传算法, 对组合核函数与支持向量机的参数寻优, 解决了传统 LSSVM在大样本情况下稀疏性较差, 求解时间过长的问题, 提高了LSSVM的泛性与精确度。仿真实验证明了所提出的模型是有效的。

RS485通信协议要求: RS485驱动器输出短路至-7~12 V时, 短路电流应小于 250 mA。常规短路保护电路采用高压 MOS实现, 由于高压 MOS栅极氧化层厚度很大, 无法满足抗总剂量辐射加固的要求。提出了一种新型的驱动器输出短路保护电路, 该电路利用 5 V低压MOS管实现, 通过合理设计线路、版图, 实现了良好的短路保护效果和抗总剂量辐射能力。电路采用 0.8 μm SOI CMOS工艺设计实现, 常规及辐照测试结果证明了设计的正确性。

设计了一种积分过采样结构的高精确度模数转换器, 该种结构转换器具有较高的线性度, 千赫兹级信号带宽, 它和通用集成模数转换器相比具有更高的精确度性能和更高的采样率。该模数转换器主要由采样保持模块、电压电流变换模块、积分模块、集成模数模块、 FPGA模块、参考源以及电源模块构成, 利用积分变换处理和过采样技术来提高转换器的精确度和采样率。为验证积分过采样理论的正确性与可行性, 本文设计 18位积分过采样模数转换器, 其具有双极性输入电压-2~+2 V, 采样率 10 kHz。通过对该模数转换器进行理论计算和仿真得到有效位数 17 bit, 信噪比为 104.06 dB, 微分线性误差 (DLE)均小于 0.5 LSB, 积分线性误差 (ILE)均小于 0.3 LSB。

提出了一种连续速率的时钟数据恢复 (CDR)电路, 可覆盖 500 Mbps到 4 Gbps数据率。该 CDR电路在 130 nm互补金属氧化物半导体 (CMOS)工艺下实现, 基于相位插值 (PI)原理, 采用数字投票电路和相位控制逻辑替代电荷泵和模拟滤波器以方便工艺移植。为缩小片上锁相环 (PLL)输出时钟频率范围, 同时避免 PI电路处于非线性区, 该 CDR电路采用多种速率模式切换的方式将采样时钟频率限定在 500 MHz~1 GHz之间。 PI电路为 7 bit精确度, 线性度良好, 4 Gbps数据率时, 恢复时钟的峰峰值抖动约为 25.6 ps。该 CDR误码率在 10-10以下, 可跟踪昀大 ±976.6 ppm的数据频偏, 功耗约为 13.28 mW/Gbps, 测试芯片大小为 5 mm2, 其中 CDR芯核部分为 0.359 mm2。

介绍了一种用于丝阵 Z箍缩(Z-pinch)内爆实验研究的脉冲放电模块的设计。模块基于直线型变压器驱动器 (LTD)技术, 包含 34个放电支路, 通过 4个铁基非晶磁芯耦合。每支路由 2个 40 nF电容器和 1只 4间隙串联气体开关组成, 回路电感为 220 nH。设计了水电阻负载检验模块输出性能, 在匹配状态下, 负载上的输出电流峰值 916 kA, 上升时间 99.8 ns。设计了磁绝缘传输线将输出脉冲传输至 Z-pinch丝阵负载, 并利用“零维模型”对 LTD模块和负载的耦合放电进行了模拟计算。结果显示, 丝阵负载上的放电电流峰值可达 960 kA, 上升时间为 114 ns。

面向水中磷酸盐的现场、自动检测, 研制水中磷酸盐小型自动化光学检测系统, 基于钼酸铵分光光度法, 搭建磷酸盐光学检测平台。系统在 660 nm波长的光源照射下, 测试不同浓度磷酸盐溶液的光电流, 采用最小二乘法进行磷酸盐溶液的曲线标定, 并对检测系统的检测范围、重复性以及检测准确性等性能进行测试。实验结果表明, 在磷酸盐浓度为 0.01~0.7 mg/L范围内, 光学检测平台输出的光电流信号经自动检测系统处理后得到的吸光度值与磷酸盐的浓度呈线性关系, 线性相关系数为99.93%, 重复测试相对标准偏差优于 2%; 与商用磷酸盐手动检测系统进行比对测试, 测试相对偏差在 10%以内。研制的磷酸盐小型自动化检测系统日后可用于检测国家地表水质量标准中规定的 I~Ⅴ类水中的总磷含量 (0.02~0.4 mg/L)。

提高FPGA芯片的性能和面积效率是 FPGA结构研究的目标。结合现有的可拆分查找表和可级联查找表结构的优点, 提出了可级联拆分查找表逻辑结构。通过在普通可拆分查找表结构中插入可配置选择器, 实现了其中 2个子查找表单元的可级联, 大大减小了电路中 2个子查找表之间的互连延迟。在 MCNC测试电路集下, 可级联拆分查找表在电路总面积相近的情况下, 性能上平均提升12%。