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2017年  第43卷  第4期

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2017年, 第43卷, 第4期
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论文
线缆耦合信号实时监测方法
苏东林, 李冰, 王珺珺, 宋欣蔚
2017, 43(4): 645-653. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0318
摘要:

线缆耦合是航电系统电磁干扰问题的主要来源之一,对其进行监测具有重要意义。利用线缆束中的非功能线作为监测线,实现了一种对功能线缆耦合到的干扰信号进行实时监测的方法。由于监测线与被测线具有相似的干扰场分布和布线路径,因此可以抵消二者的未知性和随机性带来的影响。将监测线与被测线视为相同的二端口网络,建立采用ABCD矩阵描述的端口电流相互关系,进而利用传输线理论建立频域解析模型,将其转化为离散时间模型并给出系统的信号流图,为硬件实现提供基础。以一个四芯传输线系统为例对本文方法进行了验证,与实测结果对比,端口电流峰值误差不超过6%,验证了本文方法的有效性和精度。

复杂产品系统模块化分解模型及应用研究
闫华锋, 仲伟俊
2017, 43(4): 654-659. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0272
摘要:

模块化设计开发技术能够实现复杂产品系统(CoPS)的柔性制造,科学合理的模块化分解将会降低CoPS开发的管理难度和制造成本。在分析产品系统模块化理论的基础上,总结了CoPS的模块化处理流程,列举了CoPS的模块化分解原则,提出了CoPS的模块化分解程度的计算模型,研究并建立了系统模块化与企业绩效的相关性分析模型,并探索了模型的最佳应用实践。以电网广域监测分析控制系统(WARMAP)为例,论述了在影响因素众多的情况下,运用模块化分解模型进行计算后,WARMAP分解为4大功能模块,极大缩短了系统的研发周期,提高了研发质量,充分验证了模块化分解模型的有效性, 以期为企业产品模块化设计提供理论指导和决策借鉴。

单目SLAM直线匹配增强平面发现方法
蒙山, 唐文名
2017, 43(4): 660-666. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0273
摘要:

针对微小型机器人及无人机系统日益迫切的轻量化视觉导航需求,提出了一种多维几何特征单目视觉三维环境建模方法。单一点特征单目SLAM制图方法地图描述效率相对较低,噪声容忍性能需要进一步提高。将线和面特征引入单目SLAM的三维地图构建过程,提高系统三维空间建模的搜索速度和稳定性。利用快速直线搜索算法,并基于二维直线匹配生成三维空间直线。现有基于三维空间特征点生成最小采样集的J-Linkage算法需要的倾向向量维数较高,完成单目SLAM常见场景三维平面聚类所需的计算量大。通过点线特征结合以及直线增强的J-Linkage算法可以提高特征平面聚类速度和稳定性,减少系统三维空间表达的冗余信息。

适用于UH模型的单元破坏修正方法
罗汀, 舒文俊, 姚仰平
2017, 43(4): 667-675. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0321
摘要:

在采用UH模型的用户材料子程序(UMAT)进行有限元计算过程中时常会出现局部单元破坏的情况,主要包括拉裂和剪坏,这种破坏应力状态的存在不仅会使得计算结果不合理,也会降低有限元计算的稳定性。针对采用UH模型UMAT进行有限元计算时遇到的局部单元破坏问题,根据一定的假设条件,并结合不同坐标系下的应力变换关系,推导得到适用于UH模型的三维问题单元破坏修正公式;采用FORTRAN语言编写出相应的子程序,将其嵌入UH模型UMAT中,以消除采用UH模型进行有限元计算时出现的不合理的破坏应力状态,提高UH模型UMAT有限元计算的稳定性,并通过有限元模拟基坑开挖的例子验证本文所提的单元破坏修正方法的有效性和合理性。

NFFD控制点分布对气动外形优化的影响
马明生, 唐静, 李彬, 周桂宇
2017, 43(4): 676-684. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0277
摘要:

基于非均匀有理B样条的自由型面变形(NFFD)技术具有对变形对象普适性和控制点影响区域局部性的特点,广泛应用于气动外形优化。本文通过扩展控制体和合理布置外侧控制点,实现了NFFD技术在参数化曲面并改变曲面形状时,同步变形控制体内的表面网格和空间网格,并从理论上保证了控制体边界内外的网格协调。基于离散伴随方法求取梯度,分别采用拟牛顿(QN)法和序列二次规划(SQP)优化方法,通过从初始翼型NACA0012到标准翼型EH1590的反设计,研究了NFFD控制点数量和分布对设计结果的影响。在某飞翼标模单点全机升阻比优化应用中,改进控制点分布后获得了更高的升阻比,收敛速度显著提高。

基于ADS-B的航空器测高系统误差评估方法
金开研, 朱衍波, 许有臣
2017, 43(4): 685-693. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0308
摘要:

针对基于广播式自动相关监视(ADS-B)数据的航空器高度保持性能监控中测高系统误差准确评估问题,提出了基于核平滑和混合正态分布模型的数据平滑和拟合分析方法。提出了ADS-B信息低分辨率高度数据的核平滑方法,通过比较分析得到了数据平滑的最优窗宽,基于实测数据的分析证明了该方法对于航空器测高系统误差评价的有效性。针对航空器使用的2套独立的测高学设备具有不同的高度保持性能分布特征的问题,提出了基于混合正态分布模型的拟合分析方法,实测结果表明,该方法可以准确拟合航空器测高系统误差的双峰特征。本文所提出的方法已经在中国RVSM航空器高度保持性能的实际分析中使用,分析结果满足国际民航组织的相关要求。

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究
彭亮, 黄文博, 毛伟, 赵美英
2017, 43(4): 694-700. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0846
摘要:

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。

飞翼布局飞行器等离子体激励滚转操控试验
姚军锴, 何海波, 周丹杰, 何承军, 史志伟, 杜海
2017, 43(4): 701-708. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0309
摘要:

飞翼布局飞行器采用多个气动舵面共同作用来控制飞行,常规气动舵面的结构复杂,在大迎角时由于流动分离,舵面操纵效率显著降低。等离子体激励器具有结构简单、重量轻和响应快等优势,常被用在流动控制上。本文利用激励器抑制单侧翼面流动分离产生不对称的气动力,对飞翼布局飞行器滚转通道的控制进行了试验研究,得出了激励器在飞行器上的最优布置位置和最佳控制参数,并和常规副翼舵面滚转操控效果进行了对比。结果表明:布置于内翼、中翼前缘的等离子体激励器能够获得最佳的滚转控制效果;激励器调制频率对飞行器滚转控制效果的影响较大,而激励电压对滚转控制效果的影响较小;与常规副翼相比,等离子体激励器在大迎角时对滚转通道的操控效果优于副翼。

基于框架域的随机游走全色锐化方法
王敬凯, 杨小远
2017, 43(4): 709-719. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0311
摘要:

针对多光谱图像与全色图像的融合问题,提出了一种新的全色锐化方法。该方法首先通过亮度、色调、饱和度(IHS)变换与非下采样框架变换将原图像从空间域变换到框架域,然后利用基于图论的随机游走,建立高频框架系数的统计融合模型。此模型根据高频框架系数的邻域相关性与尺度相关性构造新的随机游走协调函数,将高频框架系数融合权重的估计转化为随机游走标记问题的求解。实验结果表明,该方法有利于保持图像的光谱信息和边缘轮廓信息,可以在降低融合图像光谱误差的同时提高空间分辨率,并且优于一些主流全色锐化方法。

面向地震应急响应的松耦合研判模型管理机制
李勤勇, 宋建功, 高世伟, 杜建海, 吕江花, 马世龙
2017, 43(4): 720-730. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0312
摘要:

由于面向地震应急响应系统(EERS)的研判模型有其自身特点,传统决策支持系统中模型管理方法并不能较好地满足其管理需求。提出一种面向地震应急响应的松耦合研判模型管理机制(LC-MM),包括3个部分:① 研判资源建模环境,由研判模型描述/控制语言(MDCL)和数据源描述/控制语言(DSDCL)组成;② 研判资源协同交互框架,该框架分为4层,主要包括应用环境上下文App_Context、模型调用者Model_Invoker和数据通道Data_Channel 3个Agent组件;③ 研判资源协同交互协议,该协议将研判任务、研判模型和数据源的紧耦合关系分解为上述Agent组件之间的协同交互关系。实际应用表明,LC-MM能够有效屏蔽研判资源的异构性,提高EERS的可扩展性、动态适应性以及平台无关性,能够较好地满足EERS中研判模型的管理需求。

极化通道扩展和盲源分离联合抗移频干扰技术
李欣, 王春阳, 付孝龙, 原慧
2017, 43(4): 731-737. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0250
摘要:

多次移频干扰是一种有效的对抗线性调频(LFM)脉冲压缩雷达的相干干扰样式,应用于自卫式干扰时,能够形成多个超前和滞后分布的假目标。提出利用盲源分离(BSS)的方法来分离回波和干扰信号,并通过频率补偿实现对干扰的抑制。首先分析了利用正交极化辅助天线扩展接收通道的可行性,其次建立了通道扩展后的雷达接收信号模型,讨论了回波与干扰信号的可分离性,最后研究了基于最大信噪比盲源分离和频率补偿的干扰抑制方法,并讨论了干扰机附加噪声对抗干扰效果的影响。仿真结果表明本文提出的方法在干信比为20dB时,仍可以有效地从回波和干扰混叠信号中提取出目标回波信号,从而实现对主瓣移频干扰的对抗。

基于FDA-MIMO的距离欺骗干扰鉴别方法
张昭建, 谢军伟, 李欣, 盛川, 胡祺勇
2017, 43(4): 738-746. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0257
摘要:

提出了一种基于频率分集阵列多输入多输出(FDA-MIMO)的距离欺骗干扰鉴别方法。FDA-MIMO中,目标回波在阵元间产生的相位差及空间角频率与距离、角度呈线性关系,而假目标不满足该关系。本文对目标回波和多类假目标在FDA-MIMO接收端的相位差、空间角频率进行了理论推导,详细分析了上下变频、匹配滤波、信号混合、移频等因素的影响,给出了假目标鉴别的具体流程。理论分析及仿真结果表明,该方法能准确提取混合信号的相位差及空间角频率信息,有效对抗多种类型的转发式欺骗干扰。

载荷不确定的周期性结构稳健拓扑优化
付志方, 王春洁
2017, 43(4): 747-753. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0822
摘要:

提出了一种考虑周期性几何约束的结构稳健拓扑优化设计方法。针对线弹性体结构,提出了载荷不确定性条件下周期性结构稳健拓扑优化模型;推导了周期性结构柔度均值与方差的敏度数表达式,并基于软删双向渐进结构优化法提出了载荷不确定性条件下的周期性结构稳健拓扑优化设计方法。2个不同约束条件下的实例表明:本文提出的优化模型稳定性较好;考虑载荷不确定性得到的结构与确定性载荷下得到的结构有很大的区别,且稳健性优化设计得到的结构更加稳定。

任务准备期内的军用飞机瞬时可用度
李军亮, 滕克难, 杨春周, 孙媛, 李季颖
2017, 43(4): 754-760. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0279
摘要:

军用飞机是一种复杂的可修系统,其瞬时可用度计算是装备综合保障领域研究的难点。本文构建了基于作战任务和飞机技术状态驱动的随机维修网络(SMTN),SMTN中各项活动的维修时间服从不同分布,定义了SMTN的矩母函数并求解系统维修度函数的数字特征,将得到的期望和方差分别代入不同分布形式函数进行验证,从而选定符合实际情况的SMTN的维修度函数,并对任务准备期内的军用飞机可用度进行仿真。在计算过程中基于蒙特卡罗技术设计了一种新方法,在提高计算效率的同时,可以较好地反映维修保障过程的逻辑性、拓扑性和随机性,仿真结果可以真实反映装备在任务准备期内瞬时可用度的波动规律。该方法可以广泛应用到各种复杂的可修系统,为装备的使用决策提供依据,为保障系统的保障效能评估提供量化指标,对于综合保障领域“动态”指标的研究有着一定探索价值。

航空铝合金系列材料裂纹扩展性能的温度效应
李矿, 熊峻江, 马少俊, 陈勃
2017, 43(4): 761-768. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0244
摘要:

高低温裂纹扩展性能是航空金属结构损伤容限设计的前提,为此,试验测定了3种系列的6种航空铝合金材料(2024-T351、2397-T8、6061-T651、7050-T7451、7050-T7452和7475-T761)在5种温度环境(-70、-54、25、125和150℃)下的裂纹扩展性能,观测了试验现象,并进行了性能对比分析和疲劳断口扫描电子显微镜(SEM)分析,研究了温度对航空铝合金材料裂纹扩展性能的影响机制,获得了具有工程参考价值的结果与结论:与25℃相比,低温下裂纹扩展阻力系数的对数值降低7%~15%,而高温下却增大5%~23%;低温下裂纹扩展指数增大7%~21%,而高温下却减少5%~34%;氢脆效应和高温氧化作用是导致裂纹扩展速率随温度升高而加快的主要原因。

一种可承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承
李贺, 全齐全, 滑宇翔, 邓宗全
2017, 43(4): 769-775. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0332
摘要:

基于压电驱动原理和超声波近场悬浮技术,提出了一种可同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承方案。此方案只依靠单一激励源即可实现双向支承,结构紧凑,控制简单。为准确预测超声轴承的工作频率和声阻抗,建立了超声轴承的声阻抗网络模型;利用有限元分析(FEA)方法,对超声轴承径向和轴向辐射面的振幅进行了仿真计算;研制了超声悬浮轴承原理样机并开展了轴承悬浮承载能力测试实验。实验结果表明:超声悬浮轴承具有良好的悬浮效果,可承受较大的径向载荷和一定的轴向载荷。此类超声轴承的研究可为未来新型轴承结构的研发开拓新的思路。

基于多工况的新型着陆器软着陆性能优化
吴宏宇, 王春洁, 丁建中, 满剑锋, 罗敏
2017, 43(4): 776-781. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0296
摘要:

以新型腿式着陆器为研究对象,建立其刚柔耦合动力学分析模型,实现着陆器软着陆过程的仿真。通过仿真计算,确定着陆器最易翻倒、底面最易与星球表面岩石碰撞、主体承受最大碰撞力的3组恶劣着陆工况。分析着陆器缓冲机构构型选取设计变量,基于仿真得到的3组恶劣工况,应用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)实现着陆器软着陆性能的优化,优化目标为增强着陆器抗翻倒能力、降低着陆器底面与星球表面岩石碰撞的可能性、降低着陆器主体最大受力值。将优化所得参数代入模型重新进行仿真,着陆器不再发生翻倒,着陆平台底面与星球表面最小距离提高4.2%,主体最大受力值降低12.1%。

基于ANP的直升机单机森林灭火训练效能评估
陈杰, 刘虎, 孙雪, 王宁, 戴鑫
2017, 43(4): 782-789. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0287
摘要:

现有的直升机单机森林灭火训练效能评估方法仅针对取水灭火过程,忽视了其他任务环节对训练效能的贡献,并假设指标间相互独立,因此导致评估指标体系不全面、指标权重分配不合理,评估结果的可靠性低。利用离散事件系统建模理论建立的事件活动流将直升机单机森林灭火训练任务分解成若干相关活动,活动映射法对各活动效能要素进行分析并转化为效能评估指标,最终构建出全面的两维度效能评估指标体系;网络分析法(ANP)的使用考虑了评估指标间具有的依赖和相关关系,对指标权重进行重新合理分配,评估方法更符合问题的实际情况,评估结果更加可信。基于超级决策(SD)软件的案例分析表明,所提出的效能评估方法具有工程应用的可行性和参考价值。

高动态GPS信号粗捕和精捕算法仿真实现
曾婵, 李卫民, 毕波
2017, 43(4): 790-799. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0313
摘要:

为了解决高动态下对GPS信号快速捕获的问题,提出了改进的部分匹配滤波(PMF)和快速傅里叶变换(FFT)相结合的粗捕方法,对其原理和结构进行了分析,并针对其引起的扇贝损失和捕获性能不高的问题,对传统PMF+FFT方法进行加窗处理;考虑到高动态下基于扩展卡尔曼跟踪的方法对捕获后参数的精度要求很高,因此在粗捕的基础上提出了基于线性调频Z变换(CZT)算法的精捕方法,并在GPS信号理论模型和模拟高动态轨迹的基础上,实现了高动态GPS数字中频信号的生成,为进一步加快捕获速度,对于冷启动时提出了一种组合码相关的卫星快速盲搜方法;最后通过MATLAB进行系统仿真实验,验证了所提出的高动态GPS信号粗捕和精捕算法能在加速度为100g的高动态环境下有约10 Hz的捕获精度。

新型三阶TVD限制器性能分析
赵雅甜, 阎超, 孙迪, 屈峰
2017, 43(4): 800-805. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0266
摘要:

在计算流体力学(CFD)方法中,限制技术是影响计算精度和计算稳定性的重要因素,目前应用较广的经典二阶总变差衰减(TVD)限制器虽能较好地满足计算要求,但性能差异大且分辨率和耗散的性能间并未得到良好权衡。对一种新型的三阶TVD插值限制器(T-3限制器)进行了研究并将其与3种经典限制器进行对比。首先通过一维黎曼问题,得出T-3限制器兼顾较高间断分辨率和良好稳定性的特点;接着通过高超声速双锥绕流和X-33外形飞行器的数值实验,得到T-3限制器具有刻画复杂流动的能力以及较优的气动热计算性能。

使用SGCMGs航天器滑模姿态容错控制
张福桢, 金磊
2017, 43(4): 806-813. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0270
摘要:

基于滑模控制与自适应理论,对使用单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的刚性航天器的被动姿态容错控制问题进行了研究。首先建立了含有陀螺框架转速故障的系统数学模型。然后将框架转速直接作为控制量并应用滑模控制理论设计了容错控制器,同时控制器中还设计了自适应律对故障信息和干扰进行估计。由此,可在故障和干扰的先验信息未知的情况下,实现对航天器无故障和有故障情况下的姿态稳定控制,且具有较强的鲁棒性。最后,对2种构型单框架控制力矩陀螺群的不同故障模式进行数学仿真,验证了该控制方法的有效性和可行性。

基于人机合作的无人机实时航迹规划
张帅, 李学仁, 张鹏, 张建业, 白晗, 赵晓林
2017, 43(4): 814-822. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0271
摘要:

针对复杂多变的战场环境,无人机(UAV)在执行任务遇到突发威胁时,提出了一种人机合作的实时航迹规划方法。由人决策和分析威胁信息,给出规避方向和任务紧急程度,无人机据此采用模糊推理的方法,自主解算得到引导点的位置,牵引无人机改变航向,规避突发威胁。仿真结果表明,采用人机合作的实时航迹规划可以将人的智能决策和无人机的快速计算能力有机结合起来,规划更加优化的航迹,能动态调整引导点的位置,可根据任务的紧急程度灵活选择规避路径。

不完全角度CT图像重建的模型与算法
蔺鲁萍, 王永革
2017, 43(4): 823-830. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0232
摘要:

为了提升不完全角度计算机断层成像(CT)图像的重建精度和重建效率,研究了有限角度和稀疏角度下的CT图像重建问题,提出新的全变差最小化目标函数,通过将上一步迭代重建的图像作为反馈加入到新的迭代之中,不断更新目标函数的已知项。在算法求解时,采用增广Lagrangian罚函数方法,将约束问题非约束化,并将之转化为等价的3个子问题,通过在交替方向上求解子问题来获得优化问题的最优解。实验结果表明,该算法重建出的图像信息完整,细节清晰,重建精度高,与Split Bregman算法相比,本文算法结果的相对均方误差可下降42.1%~98.5%,条纹指标可下降42.8%~98.5%。

链式平滑切换变体飞行器LPV鲁棒跟踪控制
贾臻, 董朝阳, 王青
2017, 43(4): 831-841. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0246
摘要:

针对后掠角可变的变体飞行器,研究了一类变体飞行器的建模与控制问题。拟合气动参数与后掠角变化的关系,利用Jacobian线性化的方法得到线性变参数(LPV)模型。进一步建立一类平滑切换系统,同时引入切换序列受限的链式切换,推导了链式平滑切换系统在有限时间有界且具有鲁棒性能指标的充分条件。设计了一种平滑切换镇定控制器的求解算法,并给出控制增益的求解步骤。基于广义系统理论提出了保证变体飞行器姿态跟踪系统鲁棒稳定的充分条件,并通过算例验证所提方法有效性。

逆载对管道内汽水两相流临界热流密度的影响
宋军辉, 宋保银, 张钊, 李冈
2017, 43(4): 842-848. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0331
摘要:

利用旋转平台对逆载作用下矩形通道内汽水两相流临界换热进行了实验研究。通过改变逆载大小、入口流体过冷度、流体质量流速等参数,获得了静止和逆载作用2种状态下矩形管道内汽水两相流临界换热实验数据。实验结果表明,质量流速随着加热时间的增长而减小,进出口压差则反之;临界状态下,质量流速随着逆载、过冷度的增大而减小;进出口压差随着逆载、质量流速的增大而增大,随着过冷度的增大而减小;临界热流密度值随着逆载、质量流速、入口过冷度的增大而增大;其中逆载对临界热流密度的影响最为显著,在逆载从0g~2.5g变换范围内,临界热流密度可提高50%。

基于传递矩阵法的柔性杠杆放大机构刚度分析
郑洋洋, 宫金良, 张彦斐
2017, 43(4): 849-856. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0245
摘要:

刚度是影响柔性微动机构动态性能和定位精度的重要指标。将工程中的传递矩阵概念引入到刚度分析中,首先根据结构特点将柔性微动机构模块化并将各子单元视为柔性体,全面考虑其轴向、剪切和弯曲等变形,求解各子单元柔性体的传递矩阵,然后通过传递矩阵将各子单元组合,最后根据力平衡建立柔性微动机构输入力和输出位移之间的关系模型。研究结果表明,传递矩阵法由于考虑了各单元的多维度真实变形,因此保证了结果的高精度。同时分析过程不需要求解刚柔单元变形协调方程,而且避免了微动机构全局坐标系的转换,减少了分析计算量。最后应用该方法建立了一种柔性杠杆放大微动机构的刚度模型,与有限元分析结果的对比误差小于6.4%,有效提高了分析精度,为参数设计提供了重要理论依据。

常见问答