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仿生嗅觉感知系统气体识别和浓度估计模型

自动化学报 2024年第4期50卷 812-827页

作者：相洪涛张文文肖文鑫王磊王远西山西大学自动化与软件学院太原030006 上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093 上海理工大学理学院上海200093 南洋理工大学电气与电子工程学院新加坡639798 北京大学计算机学院北京100871 同济大学电子与信息工程学院上海201804

常用气体检测模型需要使用气体传感器阵列响应信号的稳态值对气体进行种类识别和浓度估计,而在实际环境中,气体一般处于动态变化的状态,气体传感器阵列响应信号难以达到稳态值或长时间维持稳定状态.针对上述问题,提出一种由动态小波残... 详细信息

常用气体检测模型需要使用气体传感器阵列响应信号的稳态值对气体进行种类识别和浓度估计,而在实际环境中,气体一般处于动态变化的状态,气体传感器阵列响应信号难以达到稳态值或长时间维持稳定状态.针对上述问题,提出一种由动态小波残差卷积神经网络(Dynamic wavelet residual convolutional neural network, DWRCNN)子模型和权重信号自注意力(Weighted signal self-attention, WSSA)子模型组成的气体检测模型.该模型可以直接使用气体传感器阵列的原始动态响应信号对动态变化的气体进行成分识别,并进一步对每种成分气体的浓度在线估计.通过搭建的仿生嗅觉感知系统对模型的性能进行评估,实验结果表明,与常用气体识别模型相比, DWRCNN能获得接近100%气体识别准确率,且在线训练时间短,收敛速度快;与常用气体浓度估计模型相比, WSSA浓度估计模型能够大幅提高气体浓度估计精度,并能同时对不同气体都保持较高气体浓度估计精度,解决了动态环境中仿生嗅觉感知系统需要针对不同气体选择不同最优气体浓度估计模型问题.

关键词：气体识别浓度估计仿生嗅觉感知系统注意力机制

面向全息MIMO 6G通信的电磁信道建模理论与方法

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电子与信息学报 2024年第5期46卷 1940-1950页

作者：黄崇文季然魏丽宫铁瑞陈晓明沙威杨军张朝阳 Yuen Chau 浙江大学信息与电子工程学院杭州310027 新加坡科技与设计大学新加坡487372 西安交通大学信息与通信工程学院西安710049 中兴通讯股份有限公司深圳518000 新加坡南洋理工大学新加坡639798

全息多输入多输出(HMIMO)是6G通信中的新兴技术,相应阵列由固定物理孔径下的密布天线单元组成。全息MIMO是电磁约束下Massive MIMO天线技术的拓展。全息MIMO系统在有效提升无线通信性能方面具有极大的潜力。比如,可用最小的功率损耗实... 详细信息

全息多输入多输出(HMIMO)是6G通信中的新兴技术,相应阵列由固定物理孔径下的密布天线单元组成。全息MIMO是电磁约束下Massive MIMO天线技术的拓展。全息MIMO系统在有效提升无线通信性能方面具有极大的潜力。比如,可用最小的功率损耗实现尽可能大的连续孔径,灵活控制目标方向的电磁波传输等。但是,由于全息MIMO系统包含大量的紧密分布的天线单元,且单元之间的距离小于半波长,因而造成严重的电磁耦合作用。这些耦合使传统的独立同分布的信道假设失效。因此,如何设计一个有效且贴近实际的信道建模成为当前全息MIMO研究中最具挑战性的问题之一。针对该挑战,该文研究了基于电磁场理论的4种信道建模方式,它们都能很好描述全息MIMO系统中的电磁波传输特征。第1种是基于平面格林函数的精确信道建模方式,该方式将自由空间中点对点的格林函数扩展到平面之间积分形式的格林函数,通过积分计算来构造两个全息MIMO平面之间的通信信道,但该方法的复杂度较高。第2, 3种方法则分别采用了平面波展开和球面波展开来近似全息MIMO的通信信道,这两种方案的复杂度更低。其中,基于平面波展开的信道建模形式相对简单,更适用于远场,但是会低估单元强耦合时的最大系统容量;基于球面波展开的信道建模能更好捕捉电磁波信道几何特征,但其复杂度较高。最后介绍基于随机格林函数的信道建模方法,主要描述富散射环境或瑞利信道中电磁波的随机特性。

关键词：全息MIMO通信电磁波理论信道建模

基于直方图均衡显著域的夜晚无监督单目深度估计

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控制工程 2024年

作者：杨昊林孙琦钰夏睿豪董朝阳唐漾南洋理工大学电气与电子工程学院华东理工大学信息科学与工程学院

目前，稳定的夜间无监督单目深度估计训练依赖白昼到黑夜的风格迁移方法。针对当前风格迁移方法对夜间图像中非显著信息约束不足，进而导致夜间单目深度估计错误的问题，提出将基于直方图均衡化的显著域引入到训练中。该域能够显著化夜... 详细信息

目前，稳定的夜间无监督单目深度估计训练依赖白昼到黑夜的风格迁移方法。针对当前风格迁移方法对夜间图像中非显著信息约束不足，进而导致夜间单目深度估计错误的问题，提出将基于直方图均衡化的显著域引入到训练中。该域能够显著化夜间域的常见深度不相关干扰项，如噪声，阴暗区，高光区等。在迁移训练中有利于鉴别器判别真伪，在单目深度估计训练中也利于网络对此类深度不相关信息的抑制。此外，为了克服位姿网络对损失函数的潜在影响，采用一个教师网络作为替代，以训练最终的深度网络。在nuScenes-Night测试集上的结果表明，引入的显著域能够提高夜晚图像生成的质量，并能提升夜间单目深度估计的预测精度。而在Robotcar-Night测试集上的结果又显示，引入的师生训练能够较好的提升夜间单目深度估计的泛化能力。

关键词：无监督单目深度估计夜间场景风格迁移直方图均衡化

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基于成果转化的人工智能算法创新型实验设计

实验室研究与探索 2024年第5期43卷 144-148页

作者：唐琳施开波刘星月周楠成都大学电子信息与电气工程学院成都610106 南洋理工大学电气与电子工程学院新加坡639798

为了拓展深度学习、神经网络算法模型在不同学科领域中的应用,基于创新性教学、高阶性教学以及挑战性教学,提出以科研项目为依托,将科研成果反哺于实验教学,结合实验内容,构建出人工智能算法在能谱测量中的一系列应用实验。实验将脉冲... 详细信息

为了拓展深度学习、神经网络算法模型在不同学科领域中的应用,基于创新性教学、高阶性教学以及挑战性教学,提出以科研项目为依托,将科研成果反哺于实验教学,结合实验内容,构建出人工智能算法在能谱测量中的一系列应用实验。实验将脉冲处理、能谱测量、深度学习等多学科知识交叉融合到创新型实验中,利用不同的深度学习模型进行数据处理和分析,充分发挥人工智能算法在实验中的优势,提供了准确、快速和高效的实验结果。实验实施与评估结果表明,该实验不仅能够促进实验教学的创新和发展,也为学生进行科学研究、学科竞赛提供了更多实践与探索的机会。

关键词：科教融合人工智能神经网络实验设计

基于四波前横向剪切干涉的波前传感技术与应用(特邀)

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红外与激光工程 2024年第9期53卷 18-31页

作者：杨甬英凌曈曹频江佳斌浙江大学光电科学与工程学院浙江杭州310027 南洋理工大学化学化工与生物科技学院新加坡639798 南洋理工大学电气与电子工程学院新加坡639798 杭州晶耐科光电技术有限公司浙江杭州310027

高科技的发展对精密干涉成像提出了更高的要求。在现代光学和生物医学领域,无标记成像技术不依赖于传统的染料或荧光标记,进行3D活细胞原位观察和分析,促进定量相位显微术的发展。在光学检测技术领域,对于干涉系统的现场化、实时化的应... 详细信息

高科技的发展对精密干涉成像提出了更高的要求。在现代光学和生物医学领域,无标记成像技术不依赖于传统的染料或荧光标记,进行3D活细胞原位观察和分析,促进定量相位显微术的发展。在光学检测技术领域,对于干涉系统的现场化、实时化的应用具有迫切需求,如激光波前的瞬态检测分析、高速流场检测、自适应光学的检测和控制、高精度光学系统像差分析等都迫切需要一个紧凑型、抗环境干扰、瞬态成像的干涉系统。为此,针对针对这些需求,全面介绍了四波前横向剪切干涉相位成像技术的原理、发展历程、波前重构方法以及其广泛的应用。四波前横向剪切干涉仪能够通过在一个单一的干涉图中获取两个正交剪切方向的四个剪切波前来实现瞬态相位成像,由随机编码光栅和相位棋盘组成新颖的四波干涉传感器(Four-wave Interferometric Sensor,FIS4)。FIS4干涉传感器凭借其独特的优势,如紧凑性、鲁棒性、高时间分辨率以及与现有显微系统的兼容性,在生物医学、光学测量、材料表征等众多领域展现出广阔的应用前景。这一技术的发展不仅为相关领域提供了新的研究工具,也为跨学科的创新和发现开辟了新的可能性。

关键词：四波剪切干涉衍射光栅共路干涉高速流场自适应光学白光轮廓仪

1967~2033 nm波段硅基可调谐外腔半导体激光器设计与仿真

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中国激光 2024年第6期51卷 74-83页

作者：万浩然杨禹霖乔忠良李翔 Jia Xu Brian Sia 余文军翁登群李再金李林陈浩赵志斌薄报学高欣曲轶刘重阳汪宏张宇牛智川海南师范大学物理与电子工程学院海南省激光技术与光电子功能材料重点实验室半导体激光海南省国际联合研究中心海南海口571158 新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院新加坡639798 新加坡南洋理工大学淡马锡实验室新加坡637553 中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室北京100083 长春理工大学高功率半导体激光器国家重点实验室吉林长春130022

2μm波长附近可调谐半导体激光器在分子光谱学和光通信领域中有广阔的应用前景。基于绝缘体上硅(SOI)平台,对2μm波长附近可调谐半导体激光器的外腔部分进行了设计优化。分析了不同尺寸光波导的模式损耗特性、单个微环谐振腔受总线波导... 详细信息

2μm波长附近可调谐半导体激光器在分子光谱学和光通信领域中有广阔的应用前景。基于绝缘体上硅(SOI)平台,对2μm波长附近可调谐半导体激光器的外腔部分进行了设计优化。分析了不同尺寸光波导的模式损耗特性、单个微环谐振腔受总线波导耦合间距的作用以及总线波导光反馈终端对外腔半导体激光器性能的影响。并提出了一种具有高工艺兼容度的多模环形光波导光反馈结构。所设计的可调谐半导体激光器硅基外腔可通过环形波导上的镍铬合金微加热器进行0.1 nm/K的高精度调谐,对单个微加热器施加3.2 V电压时,调谐范围可达66 nm(1967~2033 nm)。

关键词：硅光集成可调谐外腔半导体激光器环形谐振腔光波导终端

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基于事件触发的直流微电网无差拍预测控制

自动化学报 2024年第3期50卷 475-485页

作者：王本斐张荣辉冯国栋 Manandhar Ujjal 郭戈中山大学智能工程学院深圳518000 中山大学广东省智能交通系统重点实验室广州510275 南洋理工大学电气与电子工程学院新加坡308232 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室沈阳110004

针对光伏(Photovoltaic, PV)-电池-超级电容直流微电网系统中光伏发电间歇性造成的功率失配问题,提出一种基于事件触发的无差拍预测控制(Event-triggered deadbeat predictive control, ETDPC)方法,以实现有效的能量管理. ETDPC方法结... 详细信息

针对光伏(Photovoltaic, PV)-电池-超级电容直流微电网系统中光伏发电间歇性造成的功率失配问题,提出一种基于事件触发的无差拍预测控制(Event-triggered deadbeat predictive control, ETDPC)方法,以实现有效的能量管理. ETDPC方法结合事件触发控制策略和无差拍预测控制策略(Deadbeat predictive control, DPC)的优点,根据微电网的拓扑结构构建状态空间模型,用于设计适用于微电网能量管理的触发条件:当ETDPC的触发条件满足时, ETDPC中无差拍预测控制模块被激活,可以在一个控制周期内产生最优控制信号,实现对于扰动的快速响应,减小母线电压纹波;当系统状态不满足ETDPC中的触发条件时,无差拍预测控制模块被挂起,从而消除非必要运算,以减轻实现能量管理的运算负担.因此,对于电池-超级电容器混合储能系统(Hybrid energy storage system, HESS), ETDPC能够缓解间歇性光伏发电与负荷需求之间的功率失衡,以稳定母线电压.最后,数字仿真和硬件在环(Hardware-in-loop, HIL)实验结果表明,相较于传统无差拍控制方法,运算负担减小了50.63%,母线电压纹波小于0.73%,验证了ETDPC方法的有效性与性能优势,为直流微电网的能量管理提供了一种参考.

关键词：微电网光伏混合储能系统事件触发控制无差拍预测控制

GaN基异质结霍尔传感器封装测试与输出特性

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电子学报 2024年第8期52卷 2737-2745页

作者：马凯鸣代建勋张卉丁喃喃孙楠孙仲豪刘艳红 Yung C Liang 黄火林大连理工大学光电工程与仪器科学学院辽宁大连116024 大连理工大学物理学院辽宁大连116024 新加坡国立大学电气与计算机工程系新加坡119260

霍尔传感器作为磁传感领域最常用的传感器类型,在工业生产、汽车电子、航空航天以及生物医学等方面均有广泛应用.本文利用宽禁带氮化镓(GaN)半导体耐高温、高迁移率等优点,采用标准半导体芯片制造工艺研制出AlGaN/GaN异质结结构霍尔传感... 详细信息

霍尔传感器作为磁传感领域最常用的传感器类型,在工业生产、汽车电子、航空航天以及生物医学等方面均有广泛应用.本文利用宽禁带氮化镓(GaN)半导体耐高温、高迁移率等优点,采用标准半导体芯片制造工艺研制出AlGaN/GaN异质结结构霍尔传感器.高温应用环境下的传感器要求封装材料耐高温、产生应力低以及对传感器关键指标影响小.本文通过软件仿真树脂橡胶类3种不同封装材料封装后对传感器及键合线的性能影响规律,并通过实验验证不同材料封装前后传感器灵敏度、失调电压、温漂系数等物理参量的变化,遴选出综合性能最优的、可在550 K高温环境下使用的封装材料.最终得到封装后的霍尔传感器失调电压在1.0 mA激励电流时小于115μV,信号线性度在0~3.0 mA激励电流和0~1.0 T磁场测量范围内优于0.3%,而温漂系数在300~550 K温度范围内仅有-120.9 ppm/K,优于目前文献报道结果,因此有望应用于极端环境磁场检测中.

关键词： AlGaN/GaN异质结霍尔传感器封装金丝键合高温稳定性

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基于SiC肖特基二极管温度特性的研究

电子设计工程 2024年第8期32卷 32-35,40页

作者：李金钊新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院新加坡639798

碳化硅(SiC)作为第三代宽带隙半导体材料,其因优异的物理特性而被广泛研究。针对SiC器件在高温环境下可能会因为不理想的散热导致器件失效从而引发可靠性问题,文中采用仿真的方法对铂Pt/SiC肖特基二极管器件进行了测试,并研究了该型器... 详细信息

碳化硅(SiC)作为第三代宽带隙半导体材料,其因优异的物理特性而被广泛研究。针对SiC器件在高温环境下可能会因为不理想的散热导致器件失效从而引发可靠性问题,文中采用仿真的方法对铂Pt/SiC肖特基二极管器件进行了测试,并研究了该型器件在高温下的伏安特性。结果表明,Pt/SiC肖特基二极管器件在正偏的情况下,随着温度的升高,器件的电流水平会逐渐降低;器件反偏时,反向电流水平则随着温度的升高而急剧增大。同时在高温下器件的反向电流基本趋于饱和,热电子发射电流占据主导地位,且200℃时电子的迁移率仅为500 cm2/(V·s)。

关键词：碳化硅肖特基势垒二极管温度特性开启电压电子迁移率