基于CMOS的新型人工表面等离激元滤波器设计

本文基于0.18μm CMOS工艺提出了一种新型微波人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polariton,SSPP)耦合式滤波器结构并进行加工和测量，同时设计了一种太赫兹SSPP四边形滤波器并进行了全波仿真.新型微波SSPP耦合式滤波器通带为11～12.3 GHz(S₁₁<-10 d B,S₂₁>-3.5 d B)，结构紧凑，电尺寸仅为0.018 4λ_g×0.008 4λ_g，远小于其他基于集成电路工艺设计的无源滤波器.通过优化与调整，可以将新型微波SSPP耦合式滤波器的性能进一步优化到要求范围内.太赫兹SSPP四边形滤波器通带为210.8～241.3 GHz(S₁₁<-10 d B,S₂₁>-4.7 d B)，带内插入损耗仅为2.7 d B，带外抑制良好.两种SSPP滤波器均采用非接触式电磁耦合的新型能量传递方式，结构设计新颖，并且微波段SSPP耦合式滤波器小型化优势明显，电尺寸仅为0.019λ_...     

基于人工磁导体的芯片内/芯片间无线互连单极子天线传输特性研究

提出了一种新的用于芯片内/芯片间无线通信系统中的基于人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor,AMC）结构的单极子管脚天线阵列模型.印刷电路板（Printed Circuit Board,PCB）采用厚度3mm的FR4介质,形状为边长50mm正方形.4个单极子天线分布在PCB基板中心15mm×15mm的正方形各顶点上,代表4个芯片的4个管脚.天线为铜材质,长度2.6mm,直径1.5mm.在PCB介质中嵌入了一个周期性人工磁导体铜质平面,4个单极子天线形成一个4端口网络.在仿真基础上,进了实物加工测试.实测结果表明,具有AMC的天线阵列回波损耗（S₁₁）-10dB频带为13.02GHz~15.73GHz;在14.22GHz处,S₁₁的幅度达到最小值-27.25dB,S₂₁、S₃₁、S₄₁分别为-26.26dB、-19.23dB、-21.14dB.与不含AMC结构的天线阵列相比,S参数得到了有效改善,其中S₁₁改善了约3.63dB,S₂₁、S₃₁、S₄₁分别提高了2.05dB、7.21dB、5.28dB.验证了在PCB介质中嵌入AMC结构,可以有效提高单极子天线间的电压传输系数,增加信号的功率传输增益.     

利用近邻因子提高二氧化氮遥感反演浓度的精精度度——基于随机森林算法

NO₂是损害健康和破坏生态的主要大气污染物。本文基于NASA提供的Aura OMI遥感反演NO₂浓度,利用采样点8 km内的经济、人口、路网和坡度数据,以及气象、植被和高程的点值数据,采用随机森林算法、地理加权回归(GWR)和多尺度GWR方法提高NO₂浓度的预测精度。NASA原浓度R²为0.48,以上三种模型把交叉验证R²分别提高到0.74、0.71和0.70,其中随机森林算法的精度最高,该算法的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别只有6.4μg/m³和4.98μg/m³,且其速度远快于多尺度GWR,预测精度也高于大部分现有的同等范围研究。在浓度修正方面,局部化经济人口路网因子对预测精度提高的贡献至少为11.24%。此外,基于随机森林算法还给出全国县级城市NO₂浓度估计值的分布图。     

工艺优先的低成本太赫兹模块研制技术

基于探针设计、性能评价和互连方式对模块研制成本的影响，提出了一种W波段单面图形探针设计，在75～110 GHz频带内，实现S₁₁参数小于-20 dB，S₂₁参数小于-0.05 dB；提出了一种利用冷热源响应的波形图的性能优劣评价方法，提高模块的调试效率；还提出了一种传输线T结构设计，实现了在基板与芯片（或基板）拼接缝隙大于30 μm的情况下，明显改善了W波段高频传输通道的性能指标。根据仿真数据和实物装配后的性能测试验证结果，实现了低成本高性能的太赫兹模块研制。     

基于NDIR的多组分危险气体在线监测系统设计

在冶金、石化、化工等工业领域生产过程中会产生大量易燃易爆、有毒有害的多组分危险气体(CO、CO₂、SO₂、NO、NH₃等),这些有害气体容易引发事故。而现有的在线测量预警系统不能满足高集成、低干扰、高灵敏的要求。本文针对影响检测结果的微弱信号、光源调制、气体信号交叉干扰、温度控制等因素,设计了相应的电路和算法,并进行了实验验证。实验结果表明,本文提出的基于锁相放大器电路的微弱信号提取技术、基于MOS管驱动电路的PWM波调制技术、基于融合算法的浓度反演模型,能够实现对五种危险气体(CO、CO₂、SO₂、NO、NH₃)的在线监测,检出限达到0.01%,避免了多种气体之间的交叉干扰,适用于工业生产危险气体在线分析及预警系统,具有广阔的应用前景。     

基于微带结构双左手频带左手材料的研究

介绍了混合左右手材料传输线的传输特性和分析方法。混合左右手材料的两个通带分别出现在2.5 GHz和6 GHz处。通过仿真获得S₁₁、S₂₁和色散曲线,从理论上验证了左手特性的存在。具有双左手频带的左手材料将在未来四频器件中得到广泛应用。     

引入射频诱导效应的BCT PD-SOI MOSFET建模技术研究

为了精确模拟高漏源电压(V_DS)条件下体接触(Body Contact, BCT)部分耗尽型(Partial Depletion, PD)绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator, SOI)MOSFET器件的异常射频诱导效应，建立了一个基于碰撞电离和寄生BJT机理的RL网络模型。首先分析了SCBE模型的体区输出导纳参数，并利用该参数的解析式推导出一种电阻与电感串联的网络拓扑；然后基于直接提取法准确提取RL网络模型的参数；最后，通过仿真得出S₂₁、S₂₂参数分别在史密斯圆图的下半圆和上半圆按顺时针旋转的现象，同时在0.01～20 GHz范围内模型模拟的S参数与实测的S参数的相对误差为2.1%,验证了RL网络模型的有效性和准确性。     

收扩喷管设计对双S形二元排气系统气动与红外特征的影响

为了研究双S形二元收扩排气系统的气动与红外辐射特性,基于一个基准加力型轴对称排气系统,设计了三种带正尾向全遮挡收扩喷管的双S形二元排气系统模型,通过数值模拟研究了喉道与出口的中心线偏径比差,(S₈?S₉)/D=0.26~0.3,和喉道至出口的宽度扩张比,(W₉?W₈)/D=0.1~0.36,对排气系统气动与红外特征的影响。结果表明:所设计的三种双S形二元收扩排气系统,相比基准轴对称排气系统,在尾向0°~15°角域内红外辐射强度平均降幅在73.4%以上,在上方、下方和侧方90°探测角降幅在60.3%以上,红外辐射强度降幅随(S₈?S₉)/D的减小而上升,随(W₉?W₈)/D的增大而上升,且对(S₈?S₉)/D的敏感较高。三种排气系统的推力系数随(S₈?S₉)/D与(W₉?W₈)/D的降低而上升。     

基于神经网络校正算法的酒精非接触测量方法

为了解决酒精气体测量过程中其他外界因素对测量浓度影响的问题,本文结合酒精气体在红外谱段吸收的特性以及BP神经网络算法的非线性处理方法提出了一种基于神经网络校正算法的酒精气体非接触测量方法.该算法考虑气体吸收过程中温度、湿度对光强的影响,把其作为神经网络的输入和测量参数一起进行训练,同时与常规的数据拟合模型算法进行对比实...     

基于QCL吸收光谱的SO2,SO3同步测量技术

介绍了基于中红外吸收光谱的高温条件下SO₂和SO₃同步测量技术。在该测量实验系统中,SO₃由SO₂与O₂在钒基催化剂作用下高温反应得到,并且在SO₂催化氧化过程中同步测量SO₂和SO₃的浓度,进而计算得到了该催化氧化反应的转化率随温度（550～1000 K）和压力（3～20 kPa）的变化关系。通过对SO₂和SO₃高温吸收光谱模型的修正,将测量的混合气体的耦合光谱成功解耦,分别得到SO₂和SO₃各自的吸收光谱和气体浓度。同时,在实验系统中还设计有冷却分离装置,将反应后的高温SO₃气体冷却吸收后测量剩余SO₂浓度,并对比验证同步测量得到的SO₂浓度的准确性。实验发现,当温度低于590 K时,无SO₃生成,但SO₂在催化剂...     

基于傅立叶变换红外光谱技术的烟气超低排放监测系统应用研究

中国的大气环境污染形势严峻,地域性大气问题严重,以燃煤为主的火力发电厂、燃煤锅炉等是最主要的SO₂、NO_x排放源。现行的燃煤烟气排放标准做了严格规定,从而对烟气连续排放在线监测技术提出更苛刻的要求。基于傅立叶变换红外光谱技术与伴热式多次反射池技术,研究燃煤电厂SO₂、NO污染气体超低浓度检测系统。针对SO₂、NO的分子吸收光谱特征, 采用SiC作为光源,选择测量波段1900~2600 nm;采用傅立叶变换红外光谱技术对测量光谱进行处理,与现场两台设备的测量数据进行分析, SO₂、NO气体的相关性良好,满足超低排放烟气监测需求。     

含有L21范数正则化的在线顺序RVFL算法

单隐层前馈神经网络(SLFN)以其量级轻、参数量少、训练成本低等优点,目前被广泛地运用于函数逼近处理、模式识别和控制领域中。随机向量函数连接网络(RVFL)作为SLFN的一种,能够将输入层与输出层做直接相连,加强输出层与输入层的关联。然而目前的预测任务中,已经训练好的网络在面对批量数据会随时间不断变化的情况时,则容易显露出泛化能力不足问题。为了提升网络的泛化能力,并防止重复训练,本文提出了一种在线顺序的RVFL算法,使用L₂₁范数实现正则化。在UCI数据集上经过对多种相关参数的最佳选择后,与同类型的RVFL算法和LR₂₁-RVFL算法相比,本文提出的LR₂₁-OSRVFL算法在多种评价指标下均有更优表现。     

基于DBSCAN和随机森林的单词记忆检索难度预测研究

单词记忆检索是指人在记忆中搜索到一个单词的过程，是单词学习的重要方面。目前关于单词记忆检索的研究非常有限。文中提出一种基于DBSCAN聚类和随机森林的单词记忆检索难度预测模型，通过仿真程序和机器学习算法，从单词自身特征出发预测单词记忆检索的难度。首先开发一个单词记忆检索仿真程序，根据仿真程序结果以及单词的字母组成结构、词性、使用频率构造特征向量，训练一个随机森林回归模型集用于预测单词记忆检索难度七维向量表达。另外，使用DBSCAN聚类算法获取单词难度标签，在此基础上训练一个随机森林分类预测模型用于预测单词的难度分类。实验结果表明：回归模型集平均拟合优度R²值达到了0.906；分类预测模型准确率达到了0.985；模型整体具有较好的鲁棒性。     

中国区域PM2.5浓度估算以及影响因素解析

基于2018年中国逐日PM_2.5数据,选用随机森林方法构建了高精度PM_2.5浓度估算模型,并在季节和区域尺度上验证了其时空适用性,进一步利用特征重要性方法系统阐释了各影响因子对PM_2.5浓度变化的重要程度,最后利用偏依赖技术探究了不同影响因素的交互作用对PM_2.5浓度变化产生的综合影响。结果表明：(1)相比于多元线性回归与极端梯度提升树模型,利用多源数据构建的随机森林模型精度最高,可准确模拟出PM_2.5的浓度,且在季节和区域尺度上也有良好的适用性;(2) PM_2.5浓度估算模型的特征重要性排序分析发现,对2018年全国日均PM_2.5浓度影响显著的因子主要是时空、大气边界层高度等全局性因素,表明大气污染防治应把握PM_2.5传输机制,强化区域联防联控;(3)偏依赖交互效应研究发现温度和相对湿度以及年积日、纬度、温度和大气边界层高度的组合对PM_2.5浓度变化会产生显著影响,说明提升空气质量要从多因...     

傅里叶红外系统监测大气中温室气体的污染特征

研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱(OP-FTIR)温室气体分析测量设备，并利用该设备开展了CO₂、CH₄和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO₂、CH₄和CO的光谱区域分别为2102～2250 cm^-1、2920～3140 cm^-1和2172～2210 cm^-1。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准，开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据，研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO₂、CH₄和CO质量浓度的关联度，并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明：研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性；温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著；CO₂、CH₄和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH₄质量浓度分别...     

基于深度学习的嵌入式CO2浓度反演算法实现

以CO₂为主的温室气体排放使得全球变暖，严重影响生态环境，2021年习近平主席在二十国集团领导人峰会上提出“中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”,因此精确检测CO₂气体浓度具有重要研究意义。由于CO₂气体吸收谱线的展宽受到气体压力、温度等因素影响，导致TDLAS气体检测系统测量结果误差增大，因此本文结合HITRAN数据库仿真，提出了基于BP神经网络深度学习的CO₂浓度反演算法和嵌入式实现方法，实现了对气体浓度的补偿，为嵌入式浓度反演算法设计提供理论依据。该算法可以移植到STM32F407中，经过测试，气体浓度的检测误差小，有效提升了气体检测精度，此方法同样适用于TDLAS型的其他气体检测应用场景中。     

太赫兹频段基于NR迭代法的复介电常数提取

伴随着6G通信的发展,雷达遥感、检测成像等多个领域向太赫兹频段拓展,获取材料在该频段的介电常数显得愈发重要。本文基于NR迭代法提取了太赫兹频率下样品的复介电常数,分析了迭代法的初值选取对提取结果的影响。在325～500 GHz频段(Y频段)搭建了一套由矢量网络分析仪(VNA)、扩频模块和四抛物面镜组成的8f准光系统,实现散射参数S₂₁的自由空间测量。由电磁波传输模型推导出复介电常数与S₂₁之间的关系式,利用迭代法提取出了特氟龙(Teflon)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)样品的复介电常数谱,与其他文献报道的结果一致,验证了系统和方法的有效性。     

非偏振分光棱镜的偏振敏感度测量

非偏振分光棱镜(NPBS)的偏振相关性会对外差干涉仪、偏振干涉仪和激光干涉仪等干涉系统的非线性误差、偏振误差和测量精度等带来不可忽视的影响。首先对NPBS偏振敏感度的4个特征参数的测量原理进行介绍，接着基于NPBS偏振敏感度测量系统进行一系列实验并对实验结果进行分析。NPBS的s光与p光分量的透射比和反射比基于圆偏振光入射并同步测量透/反射光中s、p偏振方向的强度来实现，以抑制光源抖动及光电探测器响应不一致性对测量结果的影响。在相位偏振敏感度测量方面，基于偏振测量系统对透/反射光的斯托克斯分量S₂、S₃进行测量，获得NPBS的s光与p光的透/反射相位差。3个NPBS样品的重复性测试实验结果表明：上述非偏振分光棱镜的偏振敏感度测量方法对NPBS透射比和反射比的测量精度(最大偏差与测量平均值之比)为-0.08%～+0.08%，重复性优于0.1%，对NPBS透射相位差和反射相位差的测量精度为-0.84%～+0.84%，测量重复性优于1%。对NPBS样品在不同入射波长和入射角度下的偏振敏感度进行了测量，结果显示：在1540～1560 nm范围内，被测...     

基于深度学习算法的原位激光CO2检测系统研制

随着全球变暖日益严重，精准检测CO₂浓度具有重要的研究意义。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高分辨率等特点，被广泛应用于气体检测领域。为进一步提升TDLAS气体检测技术的检测精度，本文提出一种基于深度学习的原位激光二氧化碳检测系统。该系统采用BP神经网络算法反演CO₂浓度，补偿了温度压强对气体浓度反演的影响，提升了检测精度；采用无线通信模块，通过MQTT协议将检测的CO₂数据上传至OneNET云平台，实现了CO₂浓度的原位检测。经测试，该系统可以快速、稳定的处理数据，并且适配于其他气体检测系统。     

一种新颖的宽频共缆微带分路器设计

随着有源相控阵天线技术的发展,天线设备同系统中的收发终端需要通过采用各类射频、数字和电源类型的线缆进行互联,采用宽频共缆传输技术可以有效降低工程成本和系统重量。设计了一种宽频共缆微带分路器,通过采用传输线的多级阻抗变换原理,在不用额外的滤波电路情况下,在射频工作频段内,总输入端口的电压驻波比小于1.8,通往射频分端口2的S₂₁大于-0.6 dB,通往控制分端口3和电流分端口4的S₃₁小于-45 dB和S₄₁小于-105 dB,实现了良好的隔离度和传输效果。该分路器具有设计简单、隔离度高、信号能量损耗小和易于调试的优点。