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2021年  第47卷  第1期

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2021年, 第47卷, 第1期
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论文
改进粒子群优化的卫星导航选星算法
王尔申, 孙彩苗, 黄煜峰, 李轩, 别玉霞, 曲萍萍
2021, 47(1): 1-6. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0644
摘要:

为提高选星算法的性能,提出一种基于人工鱼群算法的粒子群优化(PSO)选星算法。该算法利用人工鱼群算法良好的全局收敛特性,克服了粒子群优化算法易陷入局部最优的缺点。将每种卫星组合看作空间中的一个粒子,选取几何精度因子(GDOP)作为适应度函数。利用所提算法更新粒子自身位置,优化卫星组合与几何精度因子。利用实际数据对所提算法进行验证和对比,结果表明:改进的选星算法在保障选星效率的同时,选星结果的准确性优于标准的粒子群优化选星算法。

随机多导体传输线电磁辐射的统计分析
燕学智, 史册, 赵昱, 杨锦鹏
2021, 47(1): 7-14. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0006
摘要:

针对含随机参数的互连线缆电磁辐射计算问题,提出了一种基于混沌多项式展开和偶极子近似法的多导体传输线电磁辐射统计分析方法。利用正交多项式的性质对随机多导体传输线方程进行展开,结合边界条件求解得到传输线沿线电流,利用偶极子近似法和镜像法计算传输线电流引起的总辐射。仿真结果验证了所提方法的准确性,与传统的蒙特卡罗方法相比,计算效率得到大幅度提高。所提方法对于预测系统内含随机参数的线缆辐射场,评估线缆电磁辐射和检验系统性能指标,有一定的参考价值。

封闭式仿生螺旋缠绕软体夹持器的设计与研究
曹毅, 顾苏程, 翟明浩, 王保兴, 邓小龙
2021, 47(1): 15-23. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0009
摘要:

针对目前软体夹持器缺乏螺旋缠绕变形的理论研究及传统多指软体夹持器夹持力不足的问题,开展了针对纤维增强结构的仿生软体夹持器螺旋缠绕变形特性的研究,提出了一种新的封闭式抓取方式。首先,设计了仿生软体夹持器,该夹持器由软体夹持装置、软体夹持套、紧固套及连接装置组成。其次,基于Mooney-Rivlin模型建立了驱动压强与驱动器螺旋缠绕变形后端面扭转角度的非线性数学模型,并对夹持器封闭式抓取的末端闭合特性进行了分析。然后,开展了单元驱动器螺旋缠绕变形的仿真及实验,结果证明了理论模型的正确性。最后,进行了仿生软体夹持器封闭式抓取实验。结果表明:封闭式仿生软体夹持器具有较大的负载能力及良好的目标适应性。

一种高效准确的视觉SLAM闭环检测算法
安平, 王国平, 余佳东, 陈亦雷, 尤志翔
2021, 47(1): 24-30. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0642
摘要:

同步定位与地图构建(SLAM)是视觉导航领域的关键技术之一,闭环检测是SLAM的基础问题。针对视觉SLAM闭环检测准确率不高的问题,提出一种高效准确的闭环检测算法。该算法由词袋模型、图像结构校验、跟踪预测模型3个模块构成。首先,将局部特征与全局特征相结合,设计了词袋模型与图像结构校验模块。词袋模型通过视觉单词比较图像之间的相似性,得到闭环候选帧。然后,图像结构校验模块灰度化、归一化当前图像与闭环候选图像。归一化之后的图像被直接作为局部特征的邻域,计算得到全局描述符,通过全局描述符判断闭环候选帧是否为有效的闭环。最后,针对传统闭环检测算法耗时随图像数量增加而显著增加的问题,设计了跟踪预测模块,以提高计算效率。实验中,与主流的DBoW算法相比,提出的闭环检测算法的准确率提升了20%以上,实时性也有更好的表现。

基于INBC的周期结构FDTD方法
熊瑛, 李小健, 王天楠, 赵晓凡
2021, 47(1): 31-37. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0002
摘要:

针对周期结构电磁特性参数求解问题,介绍了一种基于网络分析法、矢量拟合法,用来快速求解低剖面周期结构电磁特性参数的内部阻抗边界条件(INBC)与时域有限差分(FDTD)结合的INBC-FDTD计算方法。该方法将金属层的二端口频域阻抗参数曲线先通过矢量拟合法进行有理分式拟合,再对其进行时域变换后嵌入FDTD公式完成对电场、磁场的更新工作。所提方法完整地考虑了在金属层传输的电磁场,其二端口网络阻抗参数全面地考虑了端口之间的互耦问题。

一种复杂场景下的人眼检测算法
崔家礼, 曹衡, 张亚明, 罗嗣梧, 李锦涛, 王华峰
2021, 47(1): 38-44. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0641
摘要:

针对复杂场景下的人眼检测问题,间接方法和直接方法具有一定的局限性。提出了一种不依赖人脸检测的直接型人眼检测算法,以解决复杂场景下多尺度尤其是小尺度人眼检测问题。算法通过减少下采样因子并加入扩张残差单元以提升小尺度人眼检测能力,且对多尺度特征相互拼接以保证多尺度人眼检测的精度。同时,算法借助于压缩特征输出通道降低了模型复杂度,使人眼检测效率得以提升。实验结果表明:所提模型可以在小尺度下有效地进行左右眼区分,并在红外数据上表现良好。经在DIF数据集上进行训练与测试,所提模型在较小尺度下人眼检测精度达到82.59%,检测效率达到30.5 fps。

非线性移动路径跟踪及着舰控制应用
毕道明, 黄辉, 范静, 周海彤, 关智元, 郑泽伟
2021, 47(1): 45-55. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0646
摘要:

针对传统路径跟踪方法不能有效解决移动路径跟踪(MPF)问题, 通过改进时变向量场方法提出一种新型移动路径跟踪控制方法, 并应用到舰载机自主着舰控制问题中。基于舰载机非线性模型, 以反步法为主体框架, 在时变向量场中定义轨迹误差, 同时为定义的虚拟控制量设计Lyapunov函数, 实现航向角和爬升角的快速准确跟踪, 保证舰载机航迹跟踪期望移动路径。稳定性分析证明跟踪误差收敛, 仿真结果表明控制方法具有良好的着舰性能。

基于超统计的多阶段航空发动机剩余寿命预测
刘君强, 胡东斌, 潘春露, 雷凡, 赵倩茹
2021, 47(1): 56-64. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0647
摘要:

针对传统航空发动机剩余寿命(RUL)预测模型无法客观描述多阶段性能衰退过程及对于RUL预测精度不高的问题, 提出了一个新的多阶段航空发动机RUL预测模型, 包括超统计理论、突变点检测、无迹卡尔曼滤波(UKF)与非线性预测4部分内容。提出了基于超统计理论的多阶段分割滤波(BS-MSF)算法。首先, 该算法采用超统计理论进行突变点检测, 将航空发动机的健康数据划分为多个退化阶段;其次, 应用UKF对融合的时变参数进行滤波处理;最后, 通过非线性拟合对发动机RUL进行预测, 实验采用美国NASA发布的航空发动机数据进行数据分析和验证。结果表明:所提算法在发动机性能退化中的预测具有更好的适应性和更小的拟合误差, 能更准确地预测发动机的RUL, 预测精度比单阶段方法提高5.5%。

尺度自适应模拟的网格尺度关联分析
郑玮琳, 庞历瑶, 谢凡, 阎超, 曾文
2021, 47(1): 65-71. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0659
摘要:

采用尺度自适应模拟(SAS)对雷诺数3 900的圆柱绕流展开数值模拟,对比分离涡模拟(DES)的计算结果和已有文献中的实验数据,系统研究了SAS和网格尺度的关联性问题。详细研究了不同网格分辨率和展向计算域的影响,分析了冯卡门尺度在尾迹区的时均湍流统计特性和瞬时分布规律。结果表明:在相同的网格分辨率下,SAS预测的回流区长度小于大涡模拟(LES),表现出较早的剪切层失稳;网格加密后,SAS预测的回流速度增大、雷诺应力峰值降低,计算结果与Lourenco & Shih的实验结果相接近。此外,在相同网格分辨率下改变展向计算域大小对SAS结果的影响很小。对SAS的网格尺度关联分析可以为该方法的工业应用提供指导。

升力体式浮升混合飞艇多学科设计优化
孟军辉, 李沫宁, 马诺, 刘莉
2021, 47(1): 72-83. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0012
摘要:

升力体式混合飞艇是全球远距离大载重运输的重要选择,随着全球贸易的发展,逐渐成为国内外的研究热点。作为航空宇航技术、新能源技术和高性能材料技术相结合的新概念飞行器,混合飞艇设计过程需对多个学科进行综合考虑和优化。为了将多学科设计优化(MDO)方法引入到混合飞艇的总体设计中,将其分解为能源子系统、气动和推进子系统以及结构和重量子系统。在子系统模型构建的基础上,提出具有自适应能力的基于响应面的并行子空间优化(CSSO-RS)算法,将重量平衡和能量平衡作为实现远距离载重运输的约束条件,并提出爬升、日间巡航、滑翔和夜间巡航的多阶段任务剖面,以充分利用太阳能电池、燃料电池和锂电池的优势,实现混合飞艇的最优化设计。优化结果表明:具有自适应能力的优化算法在精确度和计算效率上均有明显的优势,同时重量分配的结果也为混合飞艇结构轻量化设计和能源系统设计提出了更高的要求。

不确定理论下竞争失效系统的可靠性分析
师海燕, 魏淳, 温艳清, 张志强, 刘宝亮
2021, 47(1): 84-89. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0656
摘要:

针对有新研发产品,故障数据较少的复杂系统,提出了不确定环境下自然退化和外部冲击相互独立的竞争失效模型。考虑了系统同时遭受自然退化和外部冲击,连续的自然退化用一个不确定过程刻画,冲击到达的时间间隔和每次冲击对系统造成的损坏量分别用2个不同的不确定变量来刻画。运用不确定理论,分别在极端冲击模型、累积冲击模型、δ冲击模型下,研究了系统的确信可靠度,结果表明:在有新研发的产品、故障数据较少的复杂系统,用不确定理论的方法来描述模型更合适,并通过数值分析显示了模型的有效性。

基于DE-DPSO-GT-SA算法的协同多任务分配
李桂亮, 毕海洋, 洪雪健, 金琳乘
2021, 47(1): 90-96. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0640
摘要:

针对无人机(UAV)编队的协同多任务分配问题(CMTAP),考虑双机协同探测、双机协同攻击的情况,结合时间约束、时序约束、时间间隔约束、载机弹药约束、任务能力约束等约束条件,扩展了协同多任务分配模型;将差分进化(DE)算法、郭涛(GT)算法、离散粒子群优化(DPSO)算法、模拟退火(SA)算法进行融合,提出了DE-DPSO-GT-SA算法,用以求解协同多任务分配问题。通过与多种算法进行比较,仿真试验结果表明,所提算法具有较好的收敛性能。

类X-51A飞行器纵向机动数值虚拟飞行仿真
王胜, 王强, 林博希, 阎超
2021, 47(1): 97-105. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0618
摘要:

吸气式高超声速飞行器在机动过程中,由于构型复杂,气动特性呈现强烈的非定常特性。传统基于数据库或气动力模型的飞行仿真不能准确描述机动过程中复杂的气动特性和运动规律。针对这一问题,基于现代软件分布式、模块化的发展趋势,建立了一个高效的数值虚拟飞行仿真平台。利用该平台,对一种类X-51A外形的吸气式高超声速飞行器开展了纵向机动闭环数值仿真,并与工程方法的结果进行了对比。研究发现:对于类X-51A外形的吸气式高超声速飞行器,在纵向拉起时,工程方法给出的结果可能不能完全反映非定常效应的影响。此时,应该采用更为精确的虚拟飞行方法来研究飞行器的闭环响应特性。此外,借助该仿真平台还研究了舵回路时间常数对控制系统的影响,为控制律设计提供了一定的参考。

基于CLYC闪烁体的中子能谱测量及反演方法
侯东辉, 张珅毅, 杨祎罡, 王琦标, 张斌全, 余庆龙
2021, 47(1): 106-114. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0643
摘要:

空间中子是影响航天器和航天员安全的重要辐射要素之一。优化中子探测器,提高测量效率,提升反演精度是中子测量的难点。中国空间站将搭载一种基于新型中子探测材料Cs2LiYCl6:Ce(CLYC)闪烁体的中子探测器,该探测器具有同时测量热中子和快中子,以及探测效率高等特点。针对该新型探测器的中子能谱反演,分析了不同能量中子在该探测器中的响应特点,分析了中子反演常用的概率迭代法和非负最小二乘(NNLS)法的优缺点,考虑到这2种方法在CLYC探测器反演应用中的不足,提出了基于增广矩阵的非负最小二乘(AM-NNLS)法。数值实验结果表明:AM-NNLS法具有反演运算效率高和反演相对误差小的特点,验证了所提方法的有效性。

带空间结构的人工神经网络建模方法
赵宪铎, 王惠文, 王珊珊
2021, 47(1): 115-122. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0645
摘要:

将遍历搜索法引入带空间结构的人工神经网络模型,提出一种新的模型估计和空间数据样本外预测方法。该方法基于人工神经网络,结合空间自回归模型思想,在网络模型中引入空间滞后项来考虑变量的空间效应,提出使用遍历搜寻最优解的方式替代传统极大似然法进行空间自回归系数估计和建模。结合样本外数据和空间结构,扩展空间权重矩阵并代入所提模型进行样本外预测,充分发挥了人工神经网络模型泛化能力强的特点。仿真分析指出:在合理考虑空间效应的情况下,所提模型的预测效果较普通人工神经网络有显著提升;而且当空间变量间存在非线性关系时,所提模型的预测精度同样优于空间自回归模型。

评估法兰结构螺栓松动的改进损伤指标研究
唐涛, 华明军, 姜勰, 张玉祥, 张鑫
2021, 47(1): 123-131. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0649
摘要:

基于压电阻抗法的采用统计学参数作为损伤指标评估螺栓松动的方法有着广泛的应用,然而采用该方法的试验对象多数为实验室条件下的板等结构,并非真实结构。因此,针对真实的法兰结构,这些损伤指标是否适用、是否需要改进仍需进一步研究。通过实验,得出不同损伤指标与法兰结构螺栓松动之间的规律:螺栓松动的程度越大位置越近,均方根偏差(RMSD)、平均绝对百分比偏差(MAPD)、相关系数差(CCD)的值越大,而指标Ry/Rx因无显著规律不适合作为评估法兰结构螺栓松动的损伤指标。通过对比结果发现:结构差异对前3个损伤指标均有不同程度的影响,改进后的损伤指标均方根变化率(RMSCR)只与法兰结构螺栓松动的位置和程度有关,受结构差异影响小。因此,RMSCR具有重要实践意义:当任一压电片损坏时只需更换为同型号的压电片即可,无需更新损伤指标库。通过实验验证了上述结果的正确性与基于RMSCR的法兰结构螺栓松动检测方法的适用性。

高强度弹性合金的微孔铣削实验研究
张璞, 黄传真, 朱洪涛, 王军, 姚阳, 姚鹏
2021, 47(1): 132-139. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0650
摘要:

使用超高精度加工中心进行了多组铣削3J33B高强度弹性合金微孔的铣削实验,使用Kistler 9119AA2型高精度测力仪测量铣削力,使用Keyence 3D激光显微镜测量已加工孔的尺寸,使用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)测量刀具磨损。实验结果表明,在不同的切削速度条件下,主铣削力的Y方向分力(Y方向力)总是大于X方向分力(X方向力)。在铣削微孔过程中,使用高切削速度进行微细铣削成孔时,已加工孔的孔口直径尺寸误差会增大,严重影响尺寸精度。刀具磨损最严重的区域在刀尖处,并且发生磨损的区域基本集中在整个切削刃的钝圆和接近钝圆的后刀面处。当在低速切削时,磨粒磨损是刀具的主要磨损形式,然而,随着切削速度的提高,氧化磨损所占比例逐渐增大。已加工表面的弹性回复加剧了后刀面磨损,并影响切削稳定性。

含间隙非线性二元翼段的系统辨识
孙玉凯, 杨超, 吴志刚
2021, 47(1): 140-149. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0655
摘要:

在实际包含间隙非线性的复杂结构中,由于间隙不易或无法测量,难以建立准确描述结构特性的动力学模型;即使间隙得到准确测量,也难以获得结构的标称线性系统的模态参数。为此,利用条件逆谱法和时域非线性子空间法,通过非线性系统辨识获得间隙非线性系数,同时获得非线性结构的标称线性系统的频响函数。以一个包含间隙非线性的二元翼段为例,通过数值方法模拟该二元翼段的地面振动试验,利用条件逆谱法和时域非线性子空间法开展该结构的非线性系统辨识。结果表明:两种方法均可准确地辨识结构的标称线性系统,条件逆谱法利用光滑函数近似,时域非线性子空间法利用多个分段线性函数重构,辨识得到间隙非线性系数。

高速机动目标多普勒解模糊高分辨成像方法
刘丰恺, 冯存前, 黄大荣, 郭新荣, 韩立珣
2021, 47(1): 150-158. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0648
摘要:

针对目标高速机动导致ISAR成像结果产生距离徙动(MTRC)和多普勒模糊的问题,提出一种新的高速机动目标ISAR成像方法,用于解算距离徙动下的多普勒模糊难题。首先,将原始信号变换至图像域,提取最强散射点,估计该点对应的信号调频率,并基于图像最大对比度准则估计多普勒模糊数。然后,重构回波信号的同时矫正距离徙动,并利用CLEAN技术降低运算量和减小噪声对成像结果的影响,获得高速机动目标无模糊的高分辨ISAR图像。仿真实验结果证明了所提方法的有效性和低信噪比下的强鲁棒性。

基于改进Faster R-CNN的SAR图像飞机检测算法
李广帅, 苏娟, 李义红
2021, 47(1): 159-168. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0004
摘要:

在合成孔径雷达(SAR)图像分析领域,飞机作为一种重要目标,对其的检测越来越受到重视。针对传统SAR图像飞机检测算法需要人工设计特征且鲁棒性较差的问题,提出了一种基于改进Faster R-CNN的SAR图像飞机检测算法。制作了一个SAR图像飞机数据集(SAD),以Faster R-CNN为检测框架,利用改进k-means算法设计更合理的先验锚点框,以适应飞机目标的形状特点;借鉴inception模块思想,设计多路不同尺寸卷积核以扩展网络宽度,增强对浅层特征的表达;分析残差网络Layer5层的特征输出具有更大的感受野,对其上采样后进行特征融合以利用更多的上下文信息;同时引入Mask R-CNN算法中提出的RoI Align单元,消除特征图与原始图像的映射偏差。实验结果表明:相比原始的Faster R-CNN算法,所提改进的Faster R-CNN算法在SAR图像飞机数据集上平均检测精度提高了7.4%,同时保持了较快的检测速度。

基于BDS/GPS的KBLMS信道补偿多径缓减算法
王晓毓, 李灯熬, 赵菊敏
2021, 47(1): 169-176. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0008
摘要:

在全球卫星导航系统(GNSS)中,针对城市峡谷单系统无法定位及信号失锁后重新捕获及跟踪性能表现不佳的问题,提出了一种基于BDS/GPS的卡尔曼最小均方估计(KBLMS)的信道补偿技术。首先,建立双系统模型。其次,设计基于卡尔曼估计的最小均方误差的延迟估计模块,补偿接收信号上的多径失真。最后,设计视距(LOS)最佳估计块以在反馈回路中产生控制误差信号,用于自适应地更新补偿矩阵系数。通过实测数据与实验仿真,分析KBLMS的信道补偿多径缓减算法的性能。结果表明:KBLMS的信道补偿多径缓减技术相较于最小均方(LMS)算法在多径信道中能快速收敛,且码跟踪误差在ENU三个维度误差减少了0.1 chip,载波跟踪误差减少了约0.125 cm,有效降低了多径效应引起的误差,最终残余误差比LMS降低了0.035 chip,说明所提多径缓减算法可以进行更为精准的估计,从而验证了算法的有效性。

“高分四号”卫星相机在轨温度分析及热设计优化
于峰, 徐娜娜, 赵振明
2021, 47(1): 177-186. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0053
摘要:

随着空间相机分辨率日益提升,对光机主体等核心部组件的温度稳定性和均匀性要求也越来越高,地球静止轨道(GEO)空间外热流复杂且恶劣,实现相机高精度热设计挑战极大。针对"高分四号"卫星相机热设计的难点和特点,基于结构热控一体化的设计理念,采取了入光口热流屏蔽、间接辐射控温、散热面耦合等热控技术,实现了相机高精度控温;分析了相机入轨4年的温度数据及符合情况,验证了相机热设计的正确性,并根据在轨运行情况提出了热设计优化建议,为进一步提升地球静止轨道相机控温精度、降低热控资源提供支撑。

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