西安理工大学自动化与信息工程学院教授柯熙政:勇当现代信息技术发展的领头雁 实现信息与通信工程学科新飞跃

积极探索不畏前行针对授时设备的基准问题,柯熙政建立了一种多尺度数据融合模型,将小波原子时算法应用于工程实践,以提高时间尺度的频率稳定度。相关技术获批2项发明专利和2项计算机软件著作权,并获2007年度陕西国防科技进步二等奖、2012年陕西省科技进步二等奖。

无线光通信中大气湍流噪声测量研究

光信号的强度闪烁、光斑漂移、光束扩展、到达角起伏等大气湍流现象会影响光信号在大气中的传输性能。本文将这种闪烁效应看作是光通信系统传输中的乘性噪声,推导了大气湍流乘性噪声模型,并进行了实验测量研究。结果表明:按照晴天、雾霾天、雪天、小雨天、中雨天、大雨天及阴天的顺序,湍流乘性噪声对光通信的通信质量影响加剧,大气折射率结构常数逐渐增大,噪声信号的偏斜度与陡峭度随之增加,导致光强信号的衰落概率变大;同时随着信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)的增大,系统的中断概率逐渐减小;而在相同的SNR下,中断概率随着大气折射率结构常数的减小而减小。研究大气湍流噪声对无线光通信系统的影响具有重要的意义,它为大范围、高速的无线光通信技术带来重要的技术突破,对无线光通信技术的发展起到重要的作用。

激光束光斑漂移反演大气湍流各向异性实验研究

设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统,进行了一系列的激光束大气传输外场实验,对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移,反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明,近地面大气湍流具有各向异性且表现为:一、与风向相关,当激光传输路径与风向夹角很小时,其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异,当激光传输路径与风向正交时,其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关,表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配,且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果,本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念,该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。

无线光通信中的信道均衡研究进展

在无线光通信中,信道不理想是影响系统可靠性的主要因素,而在接收端放置一个与信道特性相反的均衡器可以抵消信道对信号产生的负面影响,从而校正多径时延等因素带来的码间串扰问题,使信号在接收端得到恢复和重建。文章在总结国内外均衡技术研究进展的基础上,对比总结了各个典型信道均衡技术以作参考,包括迫零均衡、最小均方误差均衡、判决反馈均衡、Volterra均衡等。在实际应用中可以根据具体需求及均衡算法特点选择适当的均衡器来实现信道均衡。最后,展望了无线光通信中信道均衡技术的发展前景,为后续研究者在该领域的探索提供新的思路和参考价值。

无线光通信一对多发射天线研究进展

无线光通信是一种新兴的通信技术,具有高速、大容量和安全性好等优势。然而,传统的无线光通信系统存在着单对单通信模式限制,无法满足多用户同时通信的需求。无线光通信中光学天线起着发射和接收耦合光信号的作用,一对多点发射天线可以拓展无线光通信的应用。对国内外一点对多点光学天线的发展进行总结,介绍了一对多光学天线的基本原理。对目前现有的几种一对多光学天线设计方案进行讨论。最后对该领域的发展趋势和未来发展方向进行展望。

光放大器原理及其发展

光通信系统的工作性能,除与光源有关外,还与其传输媒质有关。随着光纤技术的发展,通过追求光通信领域的远距离传输,诞生了光放大器,光放大器可以做到直接放大光信号,在通信领域有很大的应用价值。总结了光放大器的基本原理及其发展。首先介绍了光放大器的概念、分类和原理。然后分别对三类光放大器的关键技术进行了介绍,包括工作原理与性能方面,然后对各类光放大器的国内外现状进行了分析。最后,对光放大器未来的发展进行了展望。

通信激光器及其调制技术研究进展

在光通信领域,激光器及其调制带宽、调制速率对无线光通信至关重要。对半导体激光器信号的调制方式主要有内调制和外调制两种。这两种调制技术具有各自的特点,适用于光纤通信中的不同领域,都是当前重要的研究热点。内调制激光器又称为直接调制激光器,因其具有高速传输以及低成本的特点,成为目前应用在第五代移动通信技术(5G)前传和数据中心中的高性价比光源。而外调制激光器不存在光源附加的Chirp,所以可以有效地克服光纤色散造成的复合二次差拍(CSB)失真。文章在回顾通信激光器及其调制技术发展历程的基础上,介绍了西安理工大学在该领域所做的工作以及取得的主要进展。针对半导体激光器发生非线性失真的内外因素进行讨论,仿真响应特性各参数、线性化补偿方法以及功率控制系统对光发射器件输出光源的作用,并分析了温度的起伏对激光器和调制器件输出功率产生的影响。采用折射率椭球基本理论和数值分析,分别在纵向和横向调制下,讨论出射光强随温度的变化趋势。结果表明,纵向调制下出射光光强随温度的变化趋势只与铌酸锂(LN)晶体折射率的变化有关;横向调制下出射光光强随温度的变化趋势不仅要受到晶体折射率的影响,还要受到晶体尺寸及其膨胀系数的影响,因此可以利用特殊尺寸的晶体来提高电光调制器的温度稳定性。

紫外光非直视通信研究进展

紫外光技术在军事和民用领域有着广泛的应用,如空间探测、紫外光制导、紫外干扰、电晕放电检测和军事通信等领域。文章从紫外光的单次和多次散射出发,介绍了紫外光通信的国内外进展,分析了紫外光通信中的不同链路情况,针对非直视链路紫外通信的脉冲展宽效应和大气湍流影响进行了探讨,总结了紫外光Ad Hoc网络,最后对紫外光通信的发展进行了展望。

基于混合特征提取与跨模态特征预测融合的情感识别模型

为从多模态情感分析中有效挖掘单模态表征信息,并实现多模态信息充分融合,提出一种基于混合特征与跨模态预测融合的情感识别模型(H-MGFCT)。首先,利用Mel频率倒谱系数(MFCC)和Gammatone频率倒谱系数(GFCC)及其一阶动态特征融合得到混合特征参数提取算法(H-MGFCC),解决了语音情感特征丢失的问题;其次,利用基于注意力权重的跨模态预测模型,筛选出与语音特征相关性更高的文本特征;随后,加入对比学习的跨模态注意力机制模型对相关性高的文本特征和语音模态情感特征进行跨模态信息融合;最后,将含有文本−语音的跨模态信息特征与筛选出的相关性低的文本特征相融合,以起到信息补充的作用。实验结果表明,该模型在公开IEMOCAP(Interactive EMotional dyadic MOtion CAPture)、CMU-MOSI(CMU-Multimodal Opinion Emotion Intensity)、CMU-MOSEI(CMU-Multimodal Opinion Sentiment Emotion Intensity)数据集上与加权决策层融合的语音文本情感识别(DLFT)模型相比,准确率分别提高了2.83、2.64和3.05个百分点,验证了该模型情感识别的有效性。

基于调频连续波雷达的人体生命体征检测算法

针对现有雷达非接触生命体征检测精度低、实时性差等问题,提出一种基于调频连续波(FMCW)雷达的人体生命体征检测算法。首先,通过毫米波雷达获取生命体征信号;其次,利用改进的经验小波变换(EWT)算法,实现生命体征信号的自适应分解和重构,通过引入麻雀搜索算法(SSA)和模糊熵(FE)寻找频谱分割线的最优值;最后,通过改进频率插值的估计算法计算心率和呼吸频率。通过与医用重症监护仪进行对比实验验证所提算法的优越性和鲁棒性。实验结果表明,所提算法相较于小波变换(WT)算法、CEEMD(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition)算法和VMD(Variational Mode Decomposition)算法,均方误差(MSE)分别减小了77.65、27.25和21.05,平均绝对百分比(MAPE)分别减小了7.33、4.33和3.42个百分点,实时性分别提高了0.72 s, 16.74 s和1.87 s。同时,利用所提算法也实现了对心率变异性(HRV)的检测。

液晶空间光调制器及其在自适应光学中的应用

液晶空间光调制器(LC-SLM)通过对液晶折射率的调制来实现对光程的控制,在自适应光学中起着重要的作用。文章梳理了国内外LC-SLM的发展现状,对LC-SLM的工作原理和相位标定原理进行了详细介绍,针对LC-SLM在自适应光学中的应用,对国内外LC-SLM关键技术研究状况进行了讨论,分析总结了西安理工大学在该领域的实验研究。最后展望了LC-SLM的应用前景。

部分相干光在大气湍流中传输特性的研究进展

光波在大气中传播时,由于大气折射率的变化,导致光强闪烁、光束扩展和光斑漂移等湍流效应,严重影响激光通信、跟踪和成像系统的性能。部分相干光受湍流影响更小,因此其传输特性成为近年来的研究热点。本文总结了国内外部分相干光在大气湍流中的传输特性研究进展,同时介绍了西安理工大学在该领域的研究工作,主要包括光强分布、光束扩展、光束漂移、光强闪烁、到达角起伏和偏振以及散斑特性等,最后对该领域的发展方向进行了展望。

影响相干检测灵敏度的因素

【目的】相干光通信是一种高速、高质量和高保密的通信方式,而相干检测在相干光通信中有着极其重要的作用。高灵敏度的相干检测系统可以大幅提升相干光通信的距离,通过研究影响相干检测灵敏度的因素可以针对性地做出校正,从而提高检测的灵敏度。【方法】文章简要阐述了相干检测的原理,总结了该领域的国内外研究进展,分析了无线光相干检测系统产生的热噪声、散粒噪声、波前畸变、偏振失配角、光斑尺寸偏差和光轴偏转、耦合效率、探测器的性能和前置光放大器等方面对相干检测灵敏度的影响。【结果】结果表明,系统的热噪声和散粒噪声对检测灵敏度的影响可以通过控制本振光功率使其达到最小;信号光的波前畸变可以通过增加自适应校正系统来抑制;信号光与本振光的偏振失配角可以采用偏振控制补偿装置来补偿;光斑尺寸偏差和光轴偏转需要提高硬件的加工水平来减小这种误差;使用新型的探测器可以在一定程度上提升探测器的性能;前置光放大器能够对微弱的信号光进行放大,对提升检测灵敏度十分重要。【结论】文章分析了影响无线光相干检测灵敏度的因素,总结了近年来国内外学者提高检测灵敏度的方法,为实际应用中检测系统灵敏度的提升提供了理论参考,对相干光通信系统性能的提升有着重要的意义。

OWC/RF混合通信系统研究进展

无线光/射频混合通信系统克服了单一通信系统的局限性,在最大发挥无线光通信优势的同时弥补了射频通信的不足,显著提高了链路的可用性和可靠性,为未来高速大容量的信息传输提供了独特的解决方案。对近年来无线光/射频混合通信系统的研究进展进行了综述,首先介绍了不同混合通信系统模型的工作原理与应用,然后讨论了混合通信系统所面临的挑战和解决方法,最后展望了无线光/射频混合通信系统的未来发展趋势,旨在为无线光/射频混合通信系统的进一步研究和发展奠定基础。

变形镜及其控制算法研究进展

【目的】变形镜(DM)是自适应光学系统中实现波前校正的关键器件,其性能直接决定了系统的波前畸变校正能力。通过研究DM及其控制算法,可以不断改进自适应光学系统的校正能力。该研究一方面可以提高DM的精度和响应速度,使其更好地校正各种复杂的波前畸变,另一方面,可以改进控制算法,提高校正的效率和准确性。这些都将直接影响到自适应光学系统的成像质量和性能,因此,研究DM及其控制算法对于改进自适应光学系统的校正能力、扩展应用领域以及提升成像质量和性能具有重要意义。【方法】文章旨在梳理国内外关于DM及其控制算法的研究进展,分析不同的控制算法对波前畸变的校正精度,为自适应光学的发展奠定基础。首先以几种典型的DM为例,对DM的建模以及对分离促动器DM、拼接子DM、薄膜DM、双压电DM、微机电系统(MEMS)DM和音圈DM的结构及工作原理进行了详细介绍。接着分析了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型的控制算法、解耦控制算法和稀疏采样控制算法等几种控制算法。【结果】文章总结了西安理工大学在该领域所做的工作,最后指出了未来在该领域的技术突破和改进方向。【结论】DM及其控制算法的研究为自适应光学的发展奠定了基础,使其应用于更多的领域,进一步提高自适应光学系统的性能。这将有助于改善成像质量,推动自适应光学技术的发展。

自由空间光通信中被动调制研究进展

【目的】传统的自由空间光(FSO)通信需要参与通信的两端同时安装激光发射系统、激光接收系统和捕获、追踪和瞄准系统,使得系统的重量、体积、功耗、设备复杂程度和技术难度被迫提升,限制了FSO通信的发展。而利用非对称空间激光通信链路构建的被动调制技术,能够实现通信端体积小、重量轻和功耗低的设计,为自由空间激光通信技术在中小型场景中的应用提供了便利。【方法】文章对被动调制的原理及其调制形式进行了阐述,介绍了逆向调制系统的组成和逆向调制器(MRR)的工作原理,对常见MRR如角反射器MRR和“猫眼”MRR进行了分析,并对波长的选择以及光学接收器口径的大小进行了探讨。【结果】总结了被动调制的不同实现类型和特点,概括了其在FSO通信中的应用,展望了该技术未来的发展方向和前景。【结论】被动调制在未来可沿着高速率、焦平面像素化、双向通信和相干检测等方向发展并且有较大的发展空间。

水下无线光通信模型及其实验研究进展

为了分析水下无线光通信技术在海洋湍流中的传输行为,基于水下非视距(NLOS)传输模型、水下信道模型和相关实验,对水下无线光通信技术进行了全面总结,并分析了蓝绿光在3种不同NLOS传输模型下的传输特性。结合先前的实验结果,阐述了光在水下传输过程中吸收散射及湍流效应对水下折射率结构常数和概率分布的影响机理。同时,对水下光通信实验进行了总结,通过研制的光学系统验证了不同传输速率和不同距离下的水下光通信性能,并对水下无线光通信未来的发展方向进行了展望。

可见光LED通信研究进展

可见光LED通信兼顾照明与通信,具有高效、节能等优点,受到了人们的广泛重视。本文从阐述LED发光原理出发,介绍了可见光LED通信研究进展,分析了通信系统中部分关键技术。针对白光LED通信在室内的应用,对LED光源布局和可见光定位进行了讨论,以及几种常见可见光异构组网方案,最后对可见光通信未来的发展方向进行了展望。

自由空间光通信中的空时网格码

讨论了无线激光通信中的空时网格码。首先设计了带有两副发射天线的4PPM-空时网格码的编码器,并介绍其设计原理和编译码方法,其次对多输入多输出大气光信道的信道容量进行了理论分析,最后通过蒙特卡洛算法对光信道容量和误码率进行仿真验证。结果表明:基于空时网格码的自由空间光通信能够减小闪烁效应对大气光通信中误码率的影响;当发射天线数目固定不变时,系统误码率随着接收天线数目的增加而减小;当收发天线数目可变时,系统信道容量随着收发天线数目的增加而增大。

激光信号在雨中的传输衰减

在观测激光信号在雨中传输时,其衰减比率随着雨滴的大小而变化,雨滴越小衰减越大。根据Mie理论和Joss等人雨滴谱分布,分析了粒子尺度及不同波长对激光散射的影响,并且计算了衰减效率因子与粒子尺度的关系,推导了光波在单球粒子和稀疏分布雨中衰减的计算公式,得到了衰减与降雨率之间的确定关系。通过数值计算发现:小雨粒子各个方向的散射光强明显大于大雨粒子的散射光强;前向散射光强随粒子半径的增加,整体呈现增加趋势,并出现了明显的上下震荡;激光信号通过雨介质传输时,小雨衰减系数较大,雷暴雨衰减较小。这解释了在实验中观测到的现象,激光信号在小雨中的衰减要比大雨中的衰减大。