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2012年  第41卷  第4期

复杂性科学专栏特邀专家:李绍荣
元对象机制驱动的复杂系统开放式顶层建模
王西超, 曹云峰, 丁萌, 庄丽葵, 王彪, 杨斌
2012, 41(4): 482-490. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.001
摘要:
为了在复杂系统开发过程的不同阶段,以及在不同建模工具和设计部门之间更加准确地描述系统的顶层模型,提出了一种新的面向复杂系统开放式顶层建模方法。基于元对象机制的元建模框架,对SysML进行基本衍型扩展和Simulink衍型扩展;在顶层建模中,把复杂系统划分为静态结构模型、动态行为模型以及两种模型间的交互关系;并对各抽象层次模型进行形式化定义,实现多种异构模型的有效集成。最后,在某无人机飞控系统顶层建模实例中,对基于顶层模型进行了飞控系统的统一建模描述,实现了复杂系统中多种异构模型的高层次抽象,验证了该方法对复杂系统顶层建模的有效性。
基于相邻像素的可逆大容量信息隐藏算法
张显全, 谢绍敏, 王晓云, 俞春强
2012, 41(4): 491-495. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.002
摘要:
将载体图像按照不同的扫描方式转换为不同的一维序列,通过计算一维序列前后两个元素的差值,再统计出该差值序列中频率出现最多的两个值,计算不同扫描方式中这两个值出现的总次数。选择总次数最大的扫描方式生成的一维序列中进行信息隐藏,在频率最大的两个数据中隐藏信息。实验结果表明,该算法隐藏容量大,载体图像的峰值信噪比高。
通信与信息工程
基于似然比的码辅助Turbo迭代同步算法
赵旦峰, 朱铁林, 姜丁睿
2012, 41(4): 496-500. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.003
摘要:
针对传统接收机在低信噪比环境中因同步损失而引起的Turbo码纠错性能恶化问题,结合Turbo迭代机制,提出基于对数似然比的最大似然比均值(MMLR)码辅助同步算法。首先采用改进的数据辅助方法,将定时误差控制在一个码元周期内;然后根据信号同步、失步时译码输出似然比分布差异,反馈误差信息,进行迭代相位估计。该算法充分发挥译码器的校正纠错功能辅助同步环节,有效地提高了同步精度。最后针对最小移频键控(MSK)信号建立Turbo-MSK仿真模型。仿真结果表明,在极低信噪比下,该算法能够准确完成定时和相位估计,获得与理想同步近似的可靠性能。
编队卫星雷达正交码分LFM信号设计及性能分析
宗竹林, 胡剑浩, 朱立东
2012, 41(4): 501-506. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.004
摘要:
结合LFM信号和CDMA技术,提出了一种正交码分线性调频(OCD-LFM)信号,研究了该信号的模糊函数、正交性以及距离分辨等方面的性能;讨论了降低互相关峰值和减小多普勒失配的信号参数设计要求。计算机仿真和理论分析表明OCD-LFM信号随着码元数N的增加,正交性能逐步增强。与传统LFM+二相编码信号相比,该信号在距离分辨和多普勒容限等方面均表现出较好的性能。
MIMO多用户系统中的有限反馈研究
潘沛生, 宋荣方, 郑宝玉, 曹士坷
2012, 41(4): 507-511. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.005
摘要:
在MIMO下链路通信系统中,如果每个用户将它们的信道状态信息反馈回基站,则基站可以根据用户信道状态信息,调度信道条件好的用户传输数据,从而获得很高的系统容量。该文针对当系统中用户个数显著增加,大量的反馈信息导致反馈信道溢出的状况,提出一种基于用户分级的减少反馈信息总量的策略,该策略要求只有当用户的信扰噪比高于某个门限,用户才反馈其信道方向信息和用户级别信息;否则不反馈任何信息。理论分析和计算机仿真结果证明了该策略能有效地减少反馈的信息总量并且可获得复用增益和多用户分集增益。
适用于时变信道环境的盲源分离算法
付卫红, 史凡, 刘乃安
2012, 41(4): 512-515. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.006
摘要:
针对时变信道环境下的盲源分离问题,在现有实时盲分离算法的基础上,提出了两种适用于时变信道环境的实时盲源分离算法——基于优选函数EASI盲分离算法(EASI-function)和基于选优函数的峭度变步长盲分离算法(EASI-function-KVS)。EASI-function算法在信号分离的不同阶段采用不同的估计函数,从而使得算法在收敛速度和稳态性能两方面获得一个折中。EASI-function-KVS算法则在EASI-function的基础上,利用峭度变步长的思想,自适应地调整迭代步长大小,进一步改善分离算法性能。仿真结果表明,两种算法能有效地跟踪信道变化,并且在性能方面比传统的EASI算法要好。
均匀圆阵相干信源DOA估计的差分算法
谢菊兰, 李会勇, 何子述
2012, 41(4): 516-521. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.007
摘要:
提出了一种新的均匀圆阵解相干算法。在模式空间中,均匀圆阵被转换为一虚拟的均匀线阵。利用该虚拟线阵的特殊阵列模型结构可重构一差分矩阵,使其秩只与相干(或相关)信号的波达方向(DOA)有关。该算法可使得非相干信源与相关(或相干)信源分辨开,且通过利用常规超分辨方法估计不相关源和相关源的空间谱,再利用差分矩阵中包含的相干及相关源信息分辨相关及相干信源,可重复利用阵列接收数据,从而分辨更多信源。仿真结果验证了该算法的有效性。
RSSI和距离区间映射的测距方法
王缓缓, 胡爱娜
2012, 41(4): 522-526. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.008
摘要:
无线传感器网络中传统的测距方法是建立接收信号能量(RSSI)和距离之间一对一的映射,没有很好地考虑RSSI随机变化较大的问题,测距误差较大。该文提出了建立RSSI和距离区间之间一对多的映射关系的测距方法。在离线阶段,建立RSSI和距离区间之间的映射关系数据库;在线测量阶段,用测得的若干个RSSI值查询数据库,将得到的若干个距离区间进行加权求和得到一个新的距离区间,再取该区间的质心进行测距。仿真结果表明,该方法具有较高的测距精度。
含噪独立分量分析的期望最大化算法
张和发, 李立萍
2012, 41(4): 527-531. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.009
摘要:
把期望最大化(EM)算法应用到含噪ICA模型中,即假定源信号具有统计独立性,并将其放在贝叶斯估计框架中,提出一种解决含噪独立分量分析(ICA)的期望最大化(EM)算法。在含噪ICA模型中,假设源信号的均值和方差服从更为一般的均匀分布,提出的EM算法将混合矩阵和超参数交替进行处理,可以有效地估计混合矩阵和超参数在一定模型下的模型参数,从而能够估计出源信号。仿真结果说明,该方法能够很好地解决含有噪声ICA模型下的盲源分离问题。
DTTB同频直放站改进的回波抵消器
刘畅, 钱锐, 何子述, 夏威
2012, 41(4): 532-536. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.010
摘要:
基于数字地面电视广播(DTTB)同频直放站,设计了一种改进的回波抵消器(EC),采用滤波器分段的方法,将传统回波抵消器的有限冲激响应滤波器分割为若干个子滤波器,并与最小均方(LMS)算法相结合,估计各个子滤波器的输出误差信号功率。通过比较子滤波器的误差信号功率,自适应地选取子滤波器的个数或整个FIR滤波器的阶数。改进的回波抵消器克服了在回波抵消器设计中信道阶数先验知识不足的缺点。仿真表明,与传统的回波抵消器相比,改进的回波抵消器获得了较小的残留回波干扰。
自动化技术
高速模拟信号压缩采样实现
赵贻玖, 王厚军, 戴志坚
2012, 41(4): 537-540. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.011
摘要:
压缩传感理论能够有效地降低信号的采样频率,实现对稀疏信号的压缩采样。该文在信号延时多通道采样技术的基础上,提出了一种基于压缩传感理论的模拟信号采样实现方法,根据该采样模型构造了压缩传感测量矩阵。该采样模型能够以低于信号Nyquist频率的采样率对频域稀疏信号进行采样,通过最优化算法准确重构原始信号。仿真结果表明,基于压缩传感理论的模拟信号采样模型能够对频域稀疏信号进行压缩采样,该方法具有可行性。
使用轨迹片段分析的监控场景模型建立方法
王江峰, 张茂军, 包卫东, 熊智辉, 张铁林
2012, 41(4): 541-544. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.012
摘要:
提出一种对轨迹片段进行分析建立场景模型的方法。首先通过基于双向时空连续性的轨迹片段关联方法,找到属于同一目标的多个轨迹片段;再对目标轨迹形成轨迹片段的原因进行计算分析,得到包括入口、出口、主要路径以及场景内遮挡物信息的场景模型。通过实验证明了该方法可以有效地建立场景模型,并且场景模型可以提高跟踪效果和检测场景中目标的异常轨迹。
计算机工程与应用
关于Real AdaBoost算法的分析与改进
付忠良
2012, 41(4): 545-551. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.013
摘要:
采用一种新的技术,对Real AdaBoost算法的有效性、误差估计、算法流程和弱分类器训练进行了分析和证明。证明了可用加权组合弱分类器对Real AdaBoost算法进行改进,并得到了近似最佳组合系数;指出Real AdaBoost算法的样本权值调整和弱分类器训练方法的真实目的是确保弱分类器的独立性;基于Bayes统计推断对Real AdaBoost算法进行了多分类推广,得到了算法公式和误差估计,给出了便于使用的弱分类器训练简化方法。得到了Gentle AdaBoost算法的误差估计公式。UCI数据实验验证了所提算法和改进算法的效果。
可证明安全的无中心授权的多授权属性签名
孙昌霞, 马文平, 陈和风
2012, 41(4): 552-556. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.014
摘要:
设计了无需中心授权机构的多授权签名方案,将用户的多个属性由不同的授权机构分别管理。与往常的多授权机构密码体制不同,不需要一个可信的中心授权机构来管理和约束多个授权机构,而是可信授权机构的数量达到一定值就能保证整个系统的安全性,提高了系统的实用性。采用归约的可安全证明方法证明该方案的安全性归约为计算Diffie-Hellman难题、分布式密钥生成协议(DKG)和联合的零秘密共享协议(JZSS)的安全性,从而说明该方案有存在性、不可伪造和抗合谋攻击的安全特性。
数字地球中新的空间划分方法
杨海林, 王家廞, 郭爱芳
2012, 41(4): 557-560. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.015
摘要:
在构建适于飞行仿真的三维数字地球仿真系统中,对比了当前常用的等间隔空间划分和等面积空间划分两种方法的优缺点,基于间隔空间划分方法思想,提出了经度跨度加倍机制进行空间的划分。该方法通过不断地检测划分后地块的纬度线方向距离,如果该条带划分的地块纬度跨度代表的距离达到了经度跨度代表距离的2倍或以上,则减半该条带的划分数。通过经度跨度加倍方法对全球空间进行划分,保留了等间隔划分算法的优点,同时大大减少了数据冗余,并且可以有效解决视点范围内地块的覆盖不足问题。
食品溯源时序数据的函数型聚类分析
高嵘, 王强, 罗东, 秦志光
2012, 41(4): 561-563,591. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.016
摘要:
借助函数型数据分析的方法和思想,在一个一般性的框架下讨论对猪肉链时序数据的聚类问题,提出了函数型聚类分析在食品追溯时序数据分析上的应用方法:把时序数据看成一个完整的关于时间的函数对象,而非个体观测值的简单排列,将离散数据转化为函数数据;用基函数展开系数向量的距离代替原函数之间的距离,减少了大量数值积分,简化了运算。通过对复杂的、时序性强的溯源数据进行函数型聚类分析,把复杂离散的数据聚类为连续的分类信息,使得溯源数据的可用性极大增强,可以为决策者和进一步的分析提供科学依据。
基于四阶PDEs和对比度增强的荧光显微图像去噪
王瑜, 张慧妍
2012, 41(4): 564-567.
摘要:
提出一种用于荧光显微图像去噪扩散模型的算法。该算法针对二阶偏微分方程去噪模型易引起的"块效应"和伪边缘等问题,采用正则化方法,利用四阶偏微分方程,同时融合对比度增强技术设计去噪模型。与二阶偏微分方程扩散模型相比,该算法不仅使去噪图像看起来更加自然清晰,而且在峰值信噪比和结构相似度等客观评价方法下也取得了更加满意的结果。
无线传感器网络最小能耗拓扑控制研究
陈拥军, 袁慎芳
2012, 41(4): 568-573. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.018
摘要:
提出了一种基于人工免疫响应的无线传感器网络最小能耗拓扑控制方法,用于降低网络能耗。首先分析了无线传感器网络拓扑控制基本原理,然后建立了最小能耗拓扑控制人工免疫响应模型,利用人工免疫响应的全局并行搜索能力实现最小能耗拓扑控制,并证明了它的收敛性,改善了无线传感器网络拓扑控制能耗性能。仿真结果表明,该方法的能耗传输效率和收敛速度要优于遗传算法。
基于概率机制的涌现分簇算法
冯涛, 瞿竞杰, 郭显
2012, 41(4): 574-579. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.019
摘要:
涌现分簇算法ACE是一类基于群体智能的移动Ad hoc网络分簇算法。针对ACE算法迭代中存在的问题,该文引入概率机制,提出了基于概率机制的涌现分簇算法(PACE)。该算法根据节点竞争簇头概率最高的局部信息,创建全局分簇网络,在概率相同的情况下,根据节点标识符来仲裁簇头选举,同时实现了单节点簇合并和失效恢复。理论分析和仿真结果表明,该算法收敛时间短,能够创建稳定且更优化的分簇结构,具备失效恢复能力。
基于数据流异常监测的软件容错纠错方法
范守文, 徐凌翔
2012, 41(4): 586-591. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.021
摘要:
针对可能出现的软件系统故障,提出了一种新的基于数据流异常监测、软件看门狗技术和回卷恢复技术的软件容错纠错方法。该方法定期对目标程序进行备份,通过提取目标程序中的一组相关变量建立数据流分析模型,利用数据流的异常检测排查出其中的离群点即出错点。提出了上述软件容错纠错策略的实现框架、操作流程,研究了基于最小二乘支持向量机的二元回归模型和离群点检测算法。以二元函数为例,对该文的二元回归模型和离群点检测算法进行了仿真研究,仿真结果验证了回归模型的正确性和离群点检测算法的有效性。
面向不平衡文本的特征选择方法
廖一星, 潘雪增
2012, 41(4): 592-595. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.022
摘要:
在分析了传统特征选择方法构造的4项基本信息元素的基础上提出一种强类别信息的度量标准,并在此基础上,提出一种适用于不平衡文本的特征选择方法。该方法综合考虑了类别信息因子、词频因子,分别用于提高少数类和多数类类别分类精度。该方法在reuter-21578数据集上进行了实验,实验结果表明,该特征选择方法比IG、CHI方法都更好,不但微平均指标有一定程度的提高,而且宏平均指标也有一定程度的提高。
高效的基于口令的三方密钥交换协议
许春香, 何小虎
2012, 41(4): 596-598,604. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.023
摘要:
基于口令的三方密钥交换协议,通过一个保存了客户的口令或是关于口令的验证值的可信第三方服务器,实现了两个需要相互通信的客户的身份认证和密钥协商。但由于口令的低熵性,使得现有的很多基于口令的三方密钥交换协议容易遭受字典攻击。在现有协议的基础上,利用对称加密算法和Diffie-Hellman两方密钥交换方法,提出了一个高效的基于口令的三方密钥交换协议。该协议能抵御各种现有的攻击,并提供完美的前向安全性。
电子信息材料与器件
基于SEMI标准的半导体工艺设备功能仿真系统设计
王巍, 邹龙庆, 徐华, 李搏, 贾培发, 李垒
2012, 41(4): 599-604. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.024
摘要:
设计实现了一个基于SEMI标准的半导体工艺设备仿真平台,该平台具有通用可配置特性。在该平台的基础上,构建了一套基于SEMI标准的气路功能仿真系统,该气路仿真系统包含了功能层、逻辑层和外部通信接口层,既能满足单独设备的功能仿真需求,也能对整个系统的功能进行仿真验证。该系统实现了对物理气相沉积(PVD)系统中,气路中阀门的闭合动作及气流变化等的实时仿真分析。
可编程的帧内预测器结构设计与实现
喻庆东, 周莉, 朱玥, 胡哲琨, 陈杰
2012, 41(4): 605-610. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.025
摘要:
针对超低成本超低功耗便携式移动应用,基于可编程的思想,提出了一种独特的适用于H.264/AVC和AVS双模解码器的帧内预测器架构。该架构利用H.264/AVC和AVS帧内预测在数据通路上的相似性,通过定制专有的8位微指令集和高效的数据通路,实现了一个专用可编程内核,该内核仅包含一个16位累加器和一个16位桶形移位器。实现结果表明,在0.18 μm工艺下,逻辑规模仅为6.3K等效逻辑门;电路在35 MHz工作频率下可以实时处理D1(720×480)格式30 f/s的H.264/AVC和AVS视频序列;在1.8 V电压下功耗仅为0.53 mW,具有面积小、功耗低、灵活性好的特点。
CCM下新型前置功率因数校正电路分析与设计
罗萍, 王曾
2012, 41(4): 611-615. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.026
摘要:
为设计一种新型功率因数校正(PFC)控制集成电路,该文就Boost变换器CCM稳定工作状态,分析了前置PFC的工作原理,重点剖析了新型前置PFC的Boost变换器的占空比与输入电流的关系,以及对调制电压的要求。Matlab仿真验证了该前置PFC电路的占空比、调制电压与输入电流变化率、输入电流与输入电压的关系,进而,给出了该前置PFC电路控制芯片的核心部分——调制电压VM电路的设计原理及VM乘法器的IC实现电路。基于Hspice的整体系统仿真结果显示该电路能很好地实现功率因数校正功能。
高精度电流求和型分段曲率补偿的基准电流源
初秀琴, 丁睿, 来新泉, 叶强, 何惠森
2012, 41(4): 616-620. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.027
摘要:
基于电流求和原理和跨导线性结构,设计了一款分段曲率补偿的基准电流源,并对电阻进行了温度特性优化。所设计的电路无需运算放大器,具有功耗低、结构简单、精度高和电源抑制比高等优点。在0.4 μm BCD工艺下,经HSPICE仿真验证表明,在-40℃~125℃的温度范围内电流仅变化0.06 μA,温度系数为27 ppm/℃;在25℃、7~20 V范围内,基准电流变化率0.000 68%/V;在12 V工作电压下,电路的静态电流为128.09 μA。该电路可用于高电压、低功耗、高精度的系统设计中。
光电子工程与应用
基于拉曼放大和半导体光放大的BOTDA
饶云江, 苌亮, 贾新鸿, 张超
2012, 41(4): 621-625. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.028
摘要:
从理论上分析了基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统(BOTDA),通过建立与拉曼放大有关的泵浦光和信号光的耦合方程,对信号光波形进行了数值仿真。仿真结果表明,双端拉曼放大技术可有效地补偿传感信号的传输损耗,提高系统测量精度。搭建了基于拉曼放大和半导体光放大(SOA)相结合的BOTDA分布式光纤传感系统,实验结果与仿真结果吻合较好,针对49.6 km的传感距离,空间分辨率达到40 m,温度分辨率1℃。
应力盘面形变化量与驱动器策动力间的多元统计模型
谢开贵, 曹侃, 欧阳稳, 万勇建, 陈民铀
2012, 41(4): 626-630,636. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.029
摘要:
为了保证应力盘与非球面光学元件在不同位置上实时吻合研磨,将回归分析法应用于应力盘盘面面形变化量与驱动器策动力间变化规律的分析,建立磨盘面形变化量关于驱动器策动力的多元回归分析模型。该模型将分别以面形变化、策动力为因变量和自变量建立多元回归分析模型,并根据最小二乘原理求得回归方程系数,从而对于任意的驱动器策动力可以快速地求得与其对应的磨盘面形变化量。此外,还建立了驱动器策动力关于磨盘面形变化量的多元回归分析模型,对任意目标曲面可以快速求得与其对应的各驱动器策动力大小。这两个模型互逆,建模过程类似,能实时地为能动磨盘控制系统提供合理的输入。针对有效变形口径为420 mm,包含12个驱动器和60个微位移阵列传感器的能动磨盘,建立的应力盘面形变化量与驱动器策动力间的多元回归分析模型计算结果与试验值极为接近,验证了模型的精确性和可行性。
电子机械工程
随机弹性杆在随机瞬态温度场下的热响应分析
阎彬, 陈建军, 马洪波
2012, 41(4): 631-636. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.030
摘要:
研究弹性杆在其物理参数、温度场同时具有随机性时的热响应。利用隐式差分法求解随机瞬态温度场,结合Monte-Carlo模拟法得到各时间节点处结构温度场分布的数字特征。利用随机因子的有限元法推导出在各时间节点处结构位移和单元应力响应的均值和方差计算表达式,其中加入了随机机械载荷的影响。通过悬臂杆的算例,得到结构各节点位移响应及单元应力响应在瞬态变温阶段内均值和均方差的变化规律;并考察了在随机力载荷和随机热载荷共同作用下,各随机参数的分散性对响应分散性的影响。
用轴向磁拉力延长立式电机推力轴承寿命的研究
张劲松, 张达立
2012, 41(4): 637-640. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2012.04.031
摘要:
为解决立式电机轴向负荷长期超载导致轴承严重磨损导致寿命缩短的问题,提出了一种利用异步电机转子被磁化后产生的轴向电磁拉力来抵消轴向载荷的方法,从而达到保护电机轴承、延长电机使用寿命的目的。以200 MW火电机组中凝聚水泵的立式电机为例,分析计算了其在轴向电磁力辅助承担部分轴向负载,推力轴承的寿命变化情况;并进行了实验研究。理论分析和实验结果表明,该方法可以有效地降低轴承磨损,延长其使用寿命。