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一种低复杂度和便于硬件移植的非线性均衡算法及其UWOC实时补偿实验演示

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光学学报 2024年第6期44卷 238-247页

作者：肖胡浩殷洪玺王建英黄安季秀阳大连理工大学信息与通信工程学院辽宁大连116024

提出一种低复杂度、低功耗且便于硬件移植、可应用于水下无线光通信(UWOC)系统的基于链表和线性表的稀疏Volterra(3l-sVolterra)算法,它通过结合链表与线性表的新数据结构来存储Volterra算法中的所有参数,有效降低了Volterra算法更新参... 详细信息

提出一种低复杂度、低功耗且便于硬件移植、可应用于水下无线光通信(UWOC)系统的基于链表和线性表的稀疏Volterra(3l-sVolterra)算法,它通过结合链表与线性表的新数据结构来存储Volterra算法中的所有参数,有效降低了Volterra算法更新参数所需的片上资源消耗,同时能对参与运算的非线性项进行稀疏处理,便于移植到小型硬件系统中。随后,在C6748芯片上实现了所提出的算法,并搭建了基于绿光LED的UWOC系统,对设计的数字信号处理(DSP)系统和UWOC系统进行了性能测试。结果表明,与无稀疏操作的Volterra算法相比,所提算法能在保留相近非线性补偿能力的同时,将资源消耗降低30%,在5 m长水箱信道UWOC系统中实现了20 Mbit/s的通信速率。

关键词：光通信非线性均衡算法数字信号处理链表与线性表非线性项稀疏处理

Cf/C-SiC烧蚀行为及激光复合超声磨削可行性研究

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表面技术 2024年第4期53卷 162-174页

作者：吴东江蔡昕彤李正董志刚马广义鲍岩康仁科牛方勇大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

目的揭示激光与Cf/C-SiC陶瓷基复合材料相互作用机理,分析激光能量密度对材料形性演变的影响规律。提出Cf/C-SiC陶瓷基复合材料激光复合超声磨削加工方案,探究硬脆材料多能场复合加工的可行性。方法使用不同能量密度的激光束扫描Cf/C-Si... 详细信息

目的揭示激光与Cf/C-SiC陶瓷基复合材料相互作用机理,分析激光能量密度对材料形性演变的影响规律。提出Cf/C-SiC陶瓷基复合材料激光复合超声磨削加工方案,探究硬脆材料多能场复合加工的可行性。方法使用不同能量密度的激光束扫描Cf/C-SiC陶瓷基复合材料表面,以明确材料烧蚀行为。在材料表面预制不同间距的平行纹理沟槽,进而对比传统磨削、超声辅助磨削和激光复合超声磨削的加工效果,同时研究不同扫描间距的预制沟槽对磨削效果的影响规律。结果陶瓷基复合材料(CMC)在激光作用下可呈现2种截然不同的状态,改性状态时材料以氧化等热化学变化为主,样件内出现热影响区和裂纹区。烧蚀状态时材料以热物理和热机械变化为主,样件内出现烧蚀凹坑、重铸层、热影响区和裂纹区。纤维束中界面经整体脱黏后,裂纹向下延伸并发生偏转。基体中的裂纹多起源于纤维界面处,并在扩展过程中发生偏转、分叉。激光烧蚀作用可改变材料的可加工性,有利于后续超声磨削加工。激光复合超声磨削的两方向磨削力相较传统磨削分别减小了51.4%和56.5%,同时表面粗糙度Sa可降低至4.228μm。结论激光复合超声磨削可有效降低磨削力和加工表面粗糙度,从而提高加工质量,该方法在实现硬脆材料高质量低成本加工方面具有较大的潜能。

关键词：陶瓷基复合材料激光超声磨削多能场微观形貌磨削力

飞秒激光加工参数对RB-SiC表面形貌的影响

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表面技术 2024年第3期53卷 162-169页

作者：吴东江刘成杨峰牛方勇董志刚马广义康仁科大连理工大学机械工程学院辽宁大连116081

目的揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide,RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法通过改变激光能量密度和有效脉冲数,研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律,确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描... 详细信息

目的揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide,RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法通过改变激光能量密度和有效脉冲数,研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律,确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描电镜、共聚焦显微镜、X射线能谱仪和拉曼光谱仪分析RB-SiC烧蚀前后的表面形貌演变行为。结果激光能量密度在0.62~10.48 J/cm^(2)时,Si富集区域形成凹陷结构,SiC颗粒区域形成周期性结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS),周期约为970 nm。随着激光能量密度的增加,凹陷结构扩大加深,表面球形纳米颗粒增多,烧蚀槽宽度呈对数增长。有效脉冲数在69~1379,Si富集区域的去除量高于SiC颗粒区域的去除量。随着有效脉冲数增加,烧蚀槽深度显著加深,凹陷结构扩展成深坑结构,飞溅至烧蚀槽外侧的纳米颗粒聚集成团簇物,由Si、SiC和非晶态SiO_(2)构成的沉积物在烧蚀槽边缘形成堆积层。结论降低激光能量密度能够减少RB-SiC表面凹陷和纳米颗粒,有助于提升烧蚀形貌的一致性。增加有效脉冲数会促进烧蚀槽底部深坑结构的产生,进而扩大Si与SiC去除量之间的差异。

关键词：飞秒激光 RB-SiC 烧蚀槽表面形貌激光能量密度有效脉冲数

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基于原型监测的悬链线式系泊系统可靠性评估方法

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船舶力学 2024年第10期28卷 1570-1587页

作者：于思源程丛志武文华大连理工大学工业装备与结构分析国家重点实验室大连理工大学宁波研究院

系泊系统是浮式平台装备的关键结构，对保障平台的安全生产具有重要作用，及时了解和评估系泊系统的安全状态和风险等级具有重要意义。针对在平台现场作业环境下对系泊链实时在位检测的困难，本文提出一种基于现场监测信息的悬链线式系... 详细信息

系泊系统是浮式平台装备的关键结构，对保障平台的安全生产具有重要作用，及时了解和评估系泊系统的安全状态和风险等级具有重要意义。针对在平台现场作业环境下对系泊链实时在位检测的困难，本文提出一种基于现场监测信息的悬链线式系泊系统可靠性评估方法，相较于传统的蒙特卡洛模拟，本文方法可以大大提高计算效率，以满足可靠性实时评估的要求。首先，基于悬链线方程引入海流载荷的影响，开展系泊链受力行为的仿真分析；进而，提出基于改进蒙特卡洛（EMC, Enhanced Monte Carlo）方法的系泊强度可靠性与疲劳可靠性评估方法；最后，基于南海某半潜式平台的实测数据，对平台的系泊链可靠性进行评估，同时考虑腐蚀的影响。结果表明，本文所提出的系泊可靠性实时评估方法可以为悬链线式系泊系统的在位安全评估与维护提供指导。

关键词：悬链线式系泊系统可靠性分析原型监测 EMC方法

气溶胶光学特性对宽谱差分吸收激光雷达NO_(2)质量浓度反演结果的影响

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光学学报 2024年第6期44卷 175-187页

作者：成远余纪恒宫振峰梅亮大连理工大学光电工程与仪器科学学院辽宁大连116024

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO_(2))质量浓度反演误差。研究结果表明:当大气气溶胶均匀分布时,NO_(2)质量浓度反演误... 详细信息

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO_(2))质量浓度反演误差。研究结果表明:当大气气溶胶均匀分布时,NO_(2)质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO_(2)质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO_(2)质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO_(2)质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO_(2)-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO_(2)质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO_(2)质量浓度反演误差的可行性。

关键词：大气光学宽谱差分吸收激光雷达沙氏成像原理二氧化氮气溶胶光学特性

基于现场可编程门阵列和大功率LED阵列光源的小型化水下无线光通信系统的研究与实现

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光学学报 2024年第6期44卷 218-228页

作者：黄安殷洪玺季秀阳梁彦军文浩王建英沈众卫大连理工大学信息与通信工程学院辽宁大连116024

针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求,本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列(FPGA)和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列,基于FPGA实现高阶调制... 详细信息

针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求,本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列(FPGA)和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列,基于FPGA实现高阶调制与编码,并设计了准直光学发射天线有效减少光束发散角,大幅度延长了传输距离。在光接收端,设计了一种基于3 mm大孔径雪崩光电二极管(APD)的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机,降低了光通信系统对准的严苛要求。该系统可实现30 Mbps开关键控(OOK)信号和正交幅度调制(QAM)信号(16QAM信号)的12 m水下信道实时传输,二者的误码率(BER)分别为2.467×10^(-4)和3.467×10^(-3)。此外,该系统还实现了22 Mbps的非归零(NRZ)-OOK整形信号12 m水下+30 m空气的跨介质传输(总长度为42 m),BER为3.619×10^(-4)。最后,实现了12 m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22 Mbps OOK信号的有效接收,提高了系统的鲁棒性。

关键词：水下无线光通信现场可编程门阵列 LED阵列高阶调制小型化光端机

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自适应光学在超分辨荧光显微镜中的应用

中国激光 2024年第3期51卷 37-51页

作者：王翔宇陈曦曹暾马冬晗大连理工大学光电工程与仪器科学学院辽宁大连116024

超分辨荧光显微镜突破了传统荧光显微镜的分辨率限制,使得人们能够在纳米量级分辨率下观察细胞和组织样品,极大地推动了生命科学的发展。在这一技术中,仪器和样品引入的像差均会导致空间分辨率降低,进而导致成像质量恶化。为此,人们引... 详细信息

超分辨荧光显微镜突破了传统荧光显微镜的分辨率限制,使得人们能够在纳米量级分辨率下观察细胞和组织样品,极大地推动了生命科学的发展。在这一技术中,仪器和样品引入的像差均会导致空间分辨率降低,进而导致成像质量恶化。为此,人们引入了自适应光学技术,通过直接或间接的手段探测像差,再通过波前校正元件来校正像差,从而获得高质量的超分辨图像。本文介绍了自适应光学的起源与工作原理,总结了其在超分辨荧光显微镜中的应用,并展望了其未来的发展前景。

关键词：显微荧光显微镜超分辨自动与自适应光学像差补偿波前传感

基于迭代卡尔曼滤波器的GPS-激光-IMU融合建图算法

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华南理工大学学报（自然科学版） 2024年第3期52卷 75-83页

作者：丛明温旭王明昊刘冬大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

在当前机器人导航和环境感知领域,室外大尺度场景下的三维激光SLAM一直是一个挑战性问题。由于GPS信号在某些环境下的不稳定性和激光SLAM的误差累积特性,传统算法在大尺度场景下表现不佳。针对室外大尺度场景下三维激光SLAM(同步定位和... 详细信息

在当前机器人导航和环境感知领域,室外大尺度场景下的三维激光SLAM一直是一个挑战性问题。由于GPS信号在某些环境下的不稳定性和激光SLAM的误差累积特性,传统算法在大尺度场景下表现不佳。针对室外大尺度场景下三维激光SLAM(同步定位和地图构建)存在的误差累积严重问题,本文提出了一种基于迭代卡尔曼滤波器的GPS-激光-IMU融合建图算法。该算法通过利用惯性测量单元(IMU)数据对机器人状态进行预测,同时以激光和全球定位系统(GPS)数据作为观测,更新机器人状态,推导出观测方程和雅可比矩阵,显著提高了建图的精度和鲁棒性。里程计中融合GPS数据的绝对位置信息以解决长时间运行中的误差累积问题。在特征稀疏的环境中,由于约束不足可能导致算法崩溃,GPS数据的引入可以提高系统的鲁棒性。此外,重力对于IMU数据预测机器人状态起到关键的作用。虽然重力是三维向量,但在不发生区域变化的情况下,其模长是不变的,因此被视为二自由度向量。通过将重力的优化转化为旋转矩阵群上的优化,成功避免了重力过参数化的问题,提高了算法的精度。在室外场景下与其他算法进行了性能测试对比并且验证了在大尺度场景下的鲁棒性和精度,结果表明:本文算法的均方根误差为0.089 m,与其他算法相比降低了54%。

关键词：激光SLAM(同步定位和地图构建) 多传感器融合迭代卡尔曼滤波器重力优化

TiC/Ni固液界面异质形核行为的第一性原理分子动力学模拟

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中国有色金属学报 2024年第8期34卷 2673-2683页

作者：王文菲康瑶黄盛星黄昊王旭东姚曼大连理工大学材料科学与工程学院大连116024

本文借助第一性原理分子动力学方法和密度泛函理论,针对四种TiC/Ni固液界面,从原子的异质形核行为与界面的电子性质两方面综合分析,进一步研究TiC促进Ni异质形核的机制。结果表明:TiC(100)、[Ti]-TiC(111)、[C]-TiC(111)基底均可诱导出N... 详细信息

本文借助第一性原理分子动力学方法和密度泛函理论,针对四种TiC/Ni固液界面,从原子的异质形核行为与界面的电子性质两方面综合分析,进一步研究TiC促进Ni异质形核的机制。结果表明:TiC(100)、[Ti]-TiC(111)、[C]-TiC(111)基底均可诱导出Ni的预形核层(Pre-nucleation layer,PNL),且界面PNL的层间及面内有序度排序均为:[Ti]-TiC(111)/Ni>[C]-TiC(111)/Ni>TiC(100)/Ni。[Ti]-TiC(111)与PNL的Ni原子之间的强相互作用及化学键合使得其诱导出的PNL有序度最高。而TiC(110)基底无法诱导液体Ni原子形成预形核层,相较于上述三种基底,其促进Ni原子形核的能力最弱。在降温过程中,液相中剩余的Ni原子通过在TiC(100)、[Ti]-TiC(111)及[C]-TiC(111)基底诱导出的PNL作为过渡层的基础上,随温度的降低在PNL外侧聚集成簇,形成稳定的晶核。

关键词： TiC/Ni固液界面预形核层异质形核第一性原理分子动力学模拟