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谐振式光学陀螺噪声抑制技术研究现状(特邀)

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光子学报 2024年第5期53卷 39-56页

作者：王飞白禹卜韩南朝铭张仕泽李溢凡周彦汝邢恩博刘来刘文耀唐军刘俊中北大学山西省量子传感与精密测量重点实验室太原030051 中北大学仪器与电子学院动态测试技术国家重点实验室太原030051

谐振式光学陀螺仪利用光学谐振腔在时空上对光波极强的局域增强效应,有望成为兼具高精度和小体积的光学陀螺。然而,谐振式陀螺转动产生的Sagnac效应相对微弱,容易受到陀螺系统内非互易性以及互易性噪声的干扰,成为其精度提升的瓶颈。在... 详细信息

谐振式光学陀螺仪利用光学谐振腔在时空上对光波极强的局域增强效应,有望成为兼具高精度和小体积的光学陀螺。然而,谐振式陀螺转动产生的Sagnac效应相对微弱,容易受到陀螺系统内非互易性以及互易性噪声的干扰,成为其精度提升的瓶颈。在陀螺的小型化过程中这一问题更加凸显。因此,对谐振式光学陀螺仪进行噪声抑制显得尤为重要。本文详细综述了谐振式光学陀螺中非互易性和互易性两大类噪声的原理及其抑制方法,总结了该领域近来年的研究现状及未来挑战与发展趋势,为我国谐振式光学陀螺发展提供参考。

关键词：谐振式陀螺光学陀螺光学噪声抑制背向散射效应克尔效应

基于WLS-KF的UWB室内定位滤波算法研究

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电子测量与仪器学报 2024年第1期38卷 25-33页

作者：杨承志张晓明张鸽中北大学电子测试技术国家重点实验室太原030051 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051

针对室内超宽带(UWB)定位过程中受到非视距误差(NLOS)干扰而导致定位精度下降的问题,提出了基于抗差估计原理的自适应卡尔曼滤波方法,结合加权最小二乘法对测距信息解算得到定位坐标。在通视环境下进行测距,利用测得的数据计算新息向量... 详细信息

针对室内超宽带(UWB)定位过程中受到非视距误差(NLOS)干扰而导致定位精度下降的问题,提出了基于抗差估计原理的自适应卡尔曼滤波方法,结合加权最小二乘法对测距信息解算得到定位坐标。在通视环境下进行测距,利用测得的数据计算新息向量和协方差,并基于此构建阈值信息,对NLOS环境产生的量测异常值进行判别,在此基础上利用Sage-Husa滤波对系统噪声协方差进行估计。采用加权最小二乘法对测距信息进行处理,得到标签解算坐标的最优估计。通过MATLAB仿真验证算法的可行性和有效性并在室内环境下进行测距、定位试验验证。仿真和实验结果表明,基于抗差估计原理的自适应卡尔曼滤波方法,结合加权最小二乘法能有效识别NLOS误差,且对定位过程中发生的状态突变能有效进行跟踪,解算得到的标签坐标x方向误差1 cm左右,y方向误差2 cm左右,提高了UWB室内定位的精度。

关键词：抗差估计卡尔曼滤波 UWB NLOS误差加权最小二乘估计

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基于DDPG变外形碰撞规避的轨迹规划方法

兵工学报 2024年

作者：丁天雲夏逸梅泽伟邵星灵刘俊中北大学仪器与电子学院中北大学电气与控制工程学院中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室

针对变外形航天飞行器制导与变形决策强耦合问题，提出了基于深度确定性策略梯度（Deep Deterministic Policy Gradient， DDPG）变外形碰撞规避的轨迹规划算法。首先，依托变形参量建立变外形航天飞行器运动学模型，设计具有射程误差... 详细信息

针对变外形航天飞行器制导与变形决策强耦合问题，提出了基于深度确定性策略梯度（Deep Deterministic Policy Gradient， DDPG）变外形碰撞规避的轨迹规划算法。首先，依托变形参量建立变外形航天飞行器运动学模型，设计具有射程误差校正功能的纵向制导律和基于视线角偏差的横向制导律，实现绕飞障碍物并保证制导精度。其次，建立适用于连续变外形的马尔科夫决策模型，以攻角、马赫、以及飞行器与障碍物的相对距离为状态空间，设计考虑碰撞的势场惩罚函数及满足制导精度的奖励函数，并构建DDPG网络实现状态空间到动作的尺度变换，得到最优外形决策指令。仿真结果表明：与固定外形航天飞行器相比，通过对外形最优决策，提高了航天飞行器制导精度和横向避障能力，降低了对机载雷达感知能力的要求，节省了感知成本。

关键词：变外形航天飞行器深度确定性策略梯度智能决策轨迹规划碰撞规避

基于新型共面波导的频率可重构MIMO天线设计

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压电与声光 2024年第1期46卷 108-111页

作者：常睿李伟姚博译段俊萍张斌珍中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051

设计了一种基于新型共面波导(CPW)频率可重构多输入多输出(MIMO)天线。在天线中使用开关元件,通过控制开关改变CPW的电流长度来实现6.17~9.38 GHz与19.53~25.48 GHz离散频率可调。转换模式不需要额外的匹配电路,使得结构更紧凑。天线单... 详细信息

设计了一种基于新型共面波导(CPW)频率可重构多输入多输出(MIMO)天线。在天线中使用开关元件,通过控制开关改变CPW的电流长度来实现6.17~9.38 GHz与19.53~25.48 GHz离散频率可调。转换模式不需要额外的匹配电路,使得结构更紧凑。天线单元采用CPW馈电方式,蚀刻在F4B的介质基板上,MIMO配置无需额外的解耦装置便能实现良好的隔离效果。仿真和测试结果表明,单个天线与MIMO天线均可实现频率可重构特性,天线单元之间的隔离度<-20 dB,相关包络系数<0.05,分集增益接近10 dB,满足设计要求。

关键词：频率可重构多输入多输出高隔离度 MIMO天线

基于硅MEMS技术的高灵敏度微型光纤法布里-珀罗压力传感器

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光子学报 2024年第5期53卷 149-157页

作者：李文豪贾平岗王军薛波万顺侯凯耀熊继军中北大学仪器与电子学院省部共建动态测试技术国家重点实验室太原030051

基于微机电系统技术设计制备了一种微型化光纤法布里-珀罗传感器,具备高灵敏度和可批量制造的特点。传感器内部的法珀腔由刻蚀后的SOI晶圆与BF33玻璃阳极键合而成,传感器敏感膜片采用了绝缘衬底上的单晶硅材料。采用激光精细切割技术对... 详细信息

基于微机电系统技术设计制备了一种微型化光纤法布里-珀罗传感器,具备高灵敏度和可批量制造的特点。传感器内部的法珀腔由刻蚀后的SOI晶圆与BF33玻璃阳极键合而成,传感器敏感膜片采用了绝缘衬底上的单晶硅材料。采用激光精细切割技术对传感器单元进行独立分离,使得单个传感器的整体外径仅为400μm,高度为220μm。在此基础上,搭建了信号解调实验平台,并对传感器的感压特性进行了详尽测试。测试结果显示,在0~50 kPa的压力范围内,传感器的压力灵敏度可达到18.5 nm/kPa,最大非线性度为0.47%,重复性为0.18%,迟滞为0.18%。此外,该传感器具有体积小、灵敏度高、电磁兼容、生物兼容以及稳定性强等优点,在生物医学和医疗领域具备巨大的商业转化价值。

关键词：光纤传感器法布里-珀罗微型化压力测量微机电系统

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基于LSTM的勘察器外壁温度反演方法研究

电子测量技术 2024年第4期47卷 181-187页

作者：马振东范锦彪王燕许杰中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051

对于星壤物质物化特性的反演是深空探测中最重要的一环,星壤的热导率、热容参数等热特性是研究星壤组成的科学依据,而温度测量是基于侵彻式的星壤原位探测的重要参数。针对月壤勘察器侵彻过程的外表面温度无法直接测量的问题,开展了基于... 详细信息

对于星壤物质物化特性的反演是深空探测中最重要的一环,星壤的热导率、热容参数等热特性是研究星壤组成的科学依据,而温度测量是基于侵彻式的星壤原位探测的重要参数。针对月壤勘察器侵彻过程的外表面温度无法直接测量的问题,开展了基于LSTM神经网络算法的勘察器外表面温度反演方法的研究。借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件实现侵彻过程的仿真模拟以获取多组勘察器弹头部内外表面温度数据,依据有限差分法离散热传导方程选取数据,采用长短期记忆神经网络来建立反演模型。通过模拟实验进行分析,该方法反演所得曲线和实验曲线相比均方根误差为12.9℃,最大相对误差不超过10%。实验结果表明本文所研究的方法可以实现勘察器外表面温度的反演。

关键词：外壁温度反演有限元仿真分析有限差分法 LSTM

含矩形腔的矩形环侧耦合MDM波导的传感性能研究

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光通信技术 2024年

作者：段佳毅沈三民中北大学仪器与电子学院仪器科学与动态测试教育部重点实验室

为了获得高灵敏度可调谐折射率传感器，设计了一种双挡板金属-电介质-金属（MDM）波导侧耦合含矩形腔的矩形环结构。利用有限元法对传输特性进行研究，结合磁场分布分析共振峰的产生机理。改变几何参数计算不同结构参数影响下的FOM值，... 详细信息

为了获得高灵敏度可调谐折射率传感器，设计了一种双挡板金属-电介质-金属（MDM）波导侧耦合含矩形腔的矩形环结构。利用有限元法对传输特性进行研究，结合磁场分布分析共振峰的产生机理。改变几何参数计算不同结构参数影响下的FOM值，综合分析后确定此结构的最优值。结果表明：矩形环长度和耦合距离可以对整体进行调节，矩形腔长度和位置可以对共振峰单独调谐。最后，改变折射率介质，计算得到此结构4个共振峰传感灵敏度分别为1623 nm/RIU、1223 nm/RIU、2740 nm/RIU以及2486 nm/RIU，为集成化、多通道折射率传感器提供参考。

关键词：表面等离激元 MDM波导矩形环矩形腔法诺共振

双挡板MDM波导耦合倒钩形谐振腔传感性能研究

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光通信研究 2024年

作者：段佳毅沈三民中北大学仪器与电子学院仪器科学与动态测试教育部重点实验室

【目的】为了获得小尺寸高灵敏度的折射率传感器，文章设计了一种双金属挡板金属-电介质-金属（MDM）波导侧向耦合倒钩形谐振腔结构。【方法】应用有限元分析法分别模拟双金属挡板MDM波导和倒钩形谐振腔的传输过程，并分别将其视作连续... 详细信息

【目的】为了获得小尺寸高灵敏度的折射率传感器，文章设计了一种双金属挡板金属-电介质-金属（MDM）波导侧向耦合倒钩形谐振腔结构。【方法】应用有限元分析法分别模拟双金属挡板MDM波导和倒钩形谐振腔的传输过程，并分别将其视作连续态和离散态。将波导结构和谐振腔耦合，即连续态和离散态发生干涉，结合磁场分布分析了两个法诺共振峰的产生机理。通过改变几何参数并计算对应不同参数的品质因素（FOM）值绘制成表，以此确定该结构几何参数的最优值。【结果】在最优几何参数下，模拟外界环境变化，改变介质折射率，计算得到该折射率传感器灵敏度（S）分别为1650 nm/RIU和1960 nm/RIU。考虑到葡萄糖溶液可应用于多个领域，例如：医疗健康中糖尿病的检测，食品行业中酒的酿制，环境监测中微生物的监测。将此传感器应用在葡萄糖溶液浓度的监测中，由于存在两个法诺共振峰，这可以有效降低误差。【结论】通过对该传感器的结构参数分析，得到结论：两个法诺共振峰的传感特性可以由几何结构参数单独影响，即腔Ⅲ长度可以控制FR1，腔Ⅰ和腔Ⅱ的高度可以共同控制FR2，耦合距离可以对结构实现总体控制，并且当结构中出现了相反的能量，那么结构参数变化会对法诺共振峰的影响更大。根据这一传感特性，为制成可调谐折射率传感器提供了参考。

关键词：表面等离子激元折射率传感器倒钩形谐振腔法诺共振葡萄糖溶液浓度

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基于LZ4算法的实时压缩处理器的设计

火炮发射与控制学报 2024年

作者：赵瑜婕李杰张德彪冯凯强张春兴中北大学动态测试技术省部共建国家重点实验室中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室

目前，由于导弹系统的不断发展，导致飞行过程中所要记录的数据越来越多，为满足弹载记录仪的数据存储要求，现针对弹载记录仪的数据压缩展开研究。通过对LZ4压缩算法的数据帧格式以及匹配方式进行改进，再利用FPGA并行处理数据的特点... 详细信息

目前，由于导弹系统的不断发展，导致飞行过程中所要记录的数据越来越多，为满足弹载记录仪的数据存储要求，现针对弹载记录仪的数据压缩展开研究。通过对LZ4压缩算法的数据帧格式以及匹配方式进行改进，再利用FPGA并行处理数据的特点设计并行化实时压缩处理器。该压缩处理器在FPGA上搭建，无需额外的数据缓存芯片，保证弹载记录仪轻量化的需求。实验结果表明，该处理器接收、处理数据位宽为8 bit，在200 MHz的工作频率下，能够实现1.60 Gbit/s的数据吞吐量，平均压缩比达到了1.82，可以有效实现弹载记录仪的实时压缩，为导弹后续的评估、分析和改进提供可靠的保障。

关键词：弹载记录仪 FPGA LZ4压缩算法并行化实时压缩