基于浮空器照射源的双基弧形阵列SAR辅助降落模式成像算法

较之传统的单基线性阵列SAR,以浮空器为照射源平台的双基弧形阵列合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种全新高效、高分辨率的雷达成像系统;该成像模式继承了弧形阵列天线和浮空器的优点,在直升机辅助降落、应急救灾等领域具有重要的应用前景。在该成像模式中,由于浮空器平台平向移动、直升机平台向下运动以及弧形阵列天线特殊的圆弧型构造的影响,目标的回波信号很难直接处理,给成像带来了困难。针对这些问题,根据浮空器照射源双基弧形阵列SAR模式的成像几何模型以及回波特征,本文提出了一种基于两步运动补偿和Keystone变换的方法。其中第一步利用Taylor级数展开对双平台复杂斜距方程进行近似处理,对该成像模式下的距离分辨率和方位分辨率进行了简单分析,第二步根据浮空器平向运动产生的斜距误差,构造相应的运动补偿因子对浮空器平移引起的距离徙动项进行相位补偿;第三步根据直升机平台向下运动产生的斜距误差,构造相应的补偿因子对直升机下降引起的距离徙动项进行补偿;之后为了校正距离向与方位向之间耦合,根据Keystone变换思想引入新的角度变量对方位角进行变换从而补偿掉距离频率及方位向角度的耦合,接着在方位频域内进行方位向脉冲压缩。最后通过对不同点阵目标成像补偿前后的仿真结果对比分析、点阵目标成像性能指标分析以及场景分布目标的模拟验证了成像结果的准确性以及成像方法的有效性。

基于深度强化学习的风场中浮空器驻留控制

建立了平流层浮空器区域驻留模型,在有动力和无动力推进的情况下,基于马尔可夫决策过程,将具有优先经验回放的双深度Q学习应用于平流层浮空器区域驻留控制。通过平均区域驻留半径、区域驻留有效时间比等参数来评价区域驻留控制方法的效果。典型风场中仿真分析结果指出:在区域驻留半径为50 km、区域驻留时间为3天的任务下,无动力推进的平流层浮空器的平均区域驻留半径为28.16 km,区域驻留有效时间比为83%;有动力推进平流层浮空器的平均区域驻留半径可达8.84 km,可实现区域驻留半径为20 km的飞行控制,区域驻留有效时间比为100%。

具有多晶阻挡层的浮空P区IGBT开关特性研究

为了减少浮空P区IGBT结构的栅极空穴积累,改善结构的电磁干扰(EMI)噪声问题,从而提高结构电磁干扰噪声与开启损耗(Eon)之间的折中关系,研究提出了一种具有多晶硅阻挡层的FD-IGBT结构。新结构在传统结构的浮空P区上方引入一块多晶硅阻挡层,阻挡层接栅极,形成与N型漂移区的电势差。新结构在器件开启过程中,多晶硅阻挡层下方会积累空穴,导致栅极附近积累的空穴数量减少,从而降低浮空P区对栅极的反向充电电流。通过TCAD软件仿真结果表明,相比于传统FD-IGBT,新结构开启瞬态的过冲电流(I_(CE))和过冲电压(V_(GE))的峰值分别下降26.5%和8.6%,且在栅极电阻(R_(g))增加时有更好的电流电压可控性;相同开启损耗下,新结构的dI_(CE)/dt、dV_(CE)/dt和dV_(KA)/dt最大值分别降低26.5%,15.1%和26.1%。

具有低EMI和低开启损耗的浮空P区IGBT研究

为了优化浮空P区IGBT结构的电磁干扰噪声(EMI)与开启损耗(E_(on))的折中关系,提出一种假栅沟槽连接多晶硅阻挡层的浮空P区IGBT结构。新结构在浮空P区内引入对称的两个假栅沟槽,并通过多晶硅层连接。假栅沟槽将浮空P区分为三部分,减少了栅极沟槽附近的空穴积累,降低了栅极的固有位移电流。二维结构仿真表明,在小电流开启时,该结构与传统结构相比,栅极沟槽空穴电流密度减小90%,明显降低了集电极电流(I_(CE))过冲峰值和栅极电压(V_(GE))过冲峰值,提高了栅极电阻对dI_(CE)/dt和dV_(KA)/dt的控制能力。在相同的开启损耗下,新结构的dI_(CE)/dt、dV_(CE)/dt和dV_(KA)/dt最大值分别降低32.22%、38.41%和12.92%,降低了器件的EMI噪声,并改善了器件EMI噪声与开启损耗的折中关系。

浮空器副气囊研究及其体积评估方法

浮空器副气囊体积动态变化攸关浮空器的安全,对其准确建模及实时客观评估一直是浮空器设计的难点。然而通过观察窗查看体积刻度线来粗略估算副气囊体积及采用单激光测距仪进行测量都存在评估不准的问题。针对上述难点和问题,对浮空器副气囊的体积确定进行建模分析研究,提出一种采用双高精度相位激光测距仪测量副气囊丰满度并使用最小二乘法对副气囊体积进行评估的方法。该方法根据实时准确的丰满度数据,建立了副气囊体积与丰满度之间的关系式,实现对副气囊体积实时动态评估。试验与数据分析表明该方法能够较准确地对副气囊体积进行动态评估,验证了理论模型和通过丰满度测量评估体积的合理性,在浮空器工程设计中提供了一种可供参考的设计思路,具有一定的工程指导作用。

浮空器囊体材料的气密性研究

浮空器产品的一个重要技术指标是囊体气密性。为了对产品实际加工后的囊体材料气密性进行研究,模拟实际加工工况,对Vectran、尼龙、聚酰亚胺三种不同织物为承力层的囊体材料本体揉搓前后及片幅之间连接处的透氦率进行测试,分析了透氦率变化情况。结果表明:囊体材料透氦率随着揉搓次数及热合缝隙面积增加而增大,含外热合条的缝隙处透氦率与本体材料相当。该结果可用于指导囊体材料的选择、产品的加工及整体泄漏量的评估。

浮空器囊体热合区域透氦率性能研究

浮空器实际使用中氦气渗漏量远超理论计算值而极大地影响自身驻空性能。本文基于漏氦量误差产生原因,探讨了囊体热合缝部位的漏氦机理,通过热合区域透氦率试验,提出了改进思路和方法。针对长航时浮空器设计,研究了不同热合缝结构形式和工艺方法对漏氦率的影响以优选出低漏氦的浮空器囊体的成型技术。结果表明:通过优化囊体结构形式和工艺方法,如在囊体热合缝外侧热合或胶黏有保护性质的外热合条、尽量选用热合工艺加工等方式来有效提高囊体的阻隔、保型能力,可以提高浮空器的驻空时间。

箭载浮空器投放过程热力学与动力学仿真分析

基于常规浮空器上升过程的模型,建立箭载浮空器系统充气展开过程的热力学与动力学模型,利用Matlab编程的方式对具体算例进行仿真计算,详细分析了高度、压差、气体温度等随时间变化的特性。探究了投放高度、充气开始时刻降速、充气时长等因素对系统运动过程的影响。结果表明,通过合理控制上述三个变量,可以减小系统充气结束时与目标高度的距离,以减少压差和到位时间,实现充气展开过程的优化。理论模型和仿真程序可为箭载浮空器发放参数的选择提供参考。

基于风力发电的高空浮空平台能源平衡研究

针对平流层浮空器驻空过程中出现的能源需求问题,提出了一种基于风力发电的高空浮空平台,根据驻空时的浮重平衡、推阻平衡为基础,设计了系统的高度联合调节机制,建立了系统在高度变化过程中的能源平衡模型。在此基础上,根据特定区域的风场数据,计算驻空过程中系统整体的能量产生及能量消耗,对系统的能源平衡性能进行分析计算。研究结果表明,在两个特定点的实际风场中,系统均能在驻空的同时,满足自身的能源需求,保证系统的能源平衡。

浮空器管材结构连接方式比较及拉伸强度分析

浮空器结构件如吊舱、过渡架及推进支架等多采用金属管材连接。目前,浮空器管材结构连接缺乏使用工况下极限值实测数据,材料及连接方式选择的理论支撑尚有不足。据此,对常用管材的不同连接方式进行比较及断裂分析。研究中铝合金和钛合金管材分别采用螺接及焊接的方式进行连接,测试样品的力学性能并结合仿真分析验证其断裂原因。结果表明:TA1钛合金管材采用焊接连接方式,相对螺接方式连接强度提高87.9%;6061铝合金管材采用螺接连接方式,相对焊接方式连接强度提高39.3%。2A12铝合金管材焊接连接强度优于螺接连接强度。同时,分析断裂原因发现,管材形变是影响焊缝连接强度的重要因素;应力集中易发生在管材端部连接处,导致端部焊缝发生断裂;管材形变会使母材断裂时伴有撕裂现象,进一步降低管材的最大连接强度。

印度佛教雕刻中的浮空花卉图像探究

在印度“梵天劝请”“帝释窟禅定”“窣堵波礼拜”“燃灯佛授记”“大神变”“涅槃”等佛教题材雕刻中,表现有飘浮在虚空之中的花卉。这类花卉虽然并不普遍,却拥有供养之花、化生之花和装饰之花的三重性质,故而较为特殊。从造型艺术的角度来看,这些浮空花卉主要有正面、侧面和多角度的观察视角和视觉表现。从技术层面来看,印度浮空花卉主要以浮雕为主,其中有高浮雕,有浅浮雕,但也有少数线刻而成的。从理念层面来看,象征仍然是浮空花卉表现中常用的理念。从法则层面来看,印度浮空花卉在表达佛经内容的同时,尝试多种装饰手法,由此将宗教文本的视觉审美效果最大化。

不确定风场下平流层浮空器全局路径规划

平流层浮空器是开展临近空间应用的重要平台,其在不确定风场中的路径规划是开展应用的关键。研究对象是具有一定水平驱动能力的平流层浮空器,针对其低动态、大尺寸及易受风场影响等特点,基于马尔可夫决策过程(MDP)提出一种浮空器在不确定风场作用下的二维全局路径规划方法,寻找由当前位置快速部署到目标区域所需时间最短的最优路径。由于风场中可能存在误差,将风场不确定性引入MDP模型中,设计相关模型参数,建立确定风场和不确定风场2种环境模型。通过仿真,分析具有不同驱动能力的浮空器在2种风场模型下的区域可达性、最优路径和最优动作序列的选择,结果表明:最优路径和最优动作会根据起始点/目标点位置、浮空器水平驱动能力及风场模型的不同发生比较大的变化;浮空器的水平驱动能力越强,区域可达性越高,2种风场模型对浮空器的二维全局路径规划影响的差异也随之减弱。

基于Fluent的低空浮空器热特性研究

该文针对浮空器的多流场耦合分析需要,利用Fluent对浮空器的热特性展开数值模拟研究。通过将浮空器蒙皮简化成零厚度壁面,结合气囊内外流场的耦合计算,获得蒙皮表面的内外对流量;利用UDF的Profile宏加载太阳辐射和长波辐射换热量。计算典型季节不同时间点下,蒙皮外表面温度分布和氦气温度变化规律。结果表明,蒙皮表面极值温度位置受对流换热的影响位于浮空器尾部;同一典型日期下,蒙皮表面昼夜温度变化范围在3~8 K,且极大值变化大于极小值变化;氦气平均温度变化范围在5 K以内,且与蒙皮表面温度变化趋势一致。研究结果对于保障浮空器的安全运行具有一定帮助,也为后期浮空器传热-流动-结构的多场耦合计算奠定基础。

基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制

为研究基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制问题。建立平流层浮空器动力学模型,提出一种基于深度Q网络(DQN)算法的平流层浮空器高度控制方法,以平流层浮空器当前速度、位置、高度差作为智能体的观察状态,副气囊鼓风机开合时间作为智能体的输出动作,平流层浮空器非线性动力学模型与扰动风场作为智能体的学习环境。所提方法将平流层浮空器的高度控制问题转换为未知转移概率下连续状态、连续动作的强化学习过程,兼顾随机风场扰动与速度变化约束,实现稳定的变高度控制。仿真结果表明:考虑风场环境对浮空器影响下,DQN算法控制器可以很好的实现变高度的跟踪控制,最大稳态误差约为10 m,与传统比例积分微分(PID)控制器对比,其控制效果和鲁棒性更优。

基于轻量型AES加密算法的浮空器平台数据传输方案

针对浮空器平台在数据传输过程中受到自身处理器性能限制的问题,提出了一种基于轻量型AES加密算法的浮空器平台数据传输方案;首先,方案以AES加密算法为基础,通过寻找轮函数循环的局部最优次数和将状态矩阵行移位变换改为列移位变换实现轻量型AES加密算法;其次,通过字节代换、列移位变换、列混合和轮密钥加4个步骤,设计以七次轮函数循环为核心的轻量型AES加密算法;最后,通过字节填充和矩阵旋转两个操作对过往不同类型的浮空器平台飞行数据进行预处理,并将预处理后的数据作为明文数据源输入对传输方案进行测试和分析,验证了轻量型AES加密算法的安全性和有效性;实验结果表明,该算法与AES加密算法相比,在保证数据安全传输的同时提高了算法运行速度,可以较好地应用于浮空器平台。

一种基于4G和5G融合信令网关接入的浮空平台应急通信系统组网方式

研究基于空间平台的应急通信系统网络结构,实现创新是非陆地接入网络(NTN)的热门前沿技术。本文提出一种基于4G和5G融合信令网关接入的浮空平台应急通信系统组网方式,并给出了网络架构、信令面和用户面协议栈、信令网关主要功能特点,为建立适应空间平台特殊环境的新型应急通信系统网络提供了技术解决方案,以期为支持应急通信系统特色解决方案的功能开发奠定基础。

一种浮空通信中继平台的系统功能设计

为解决“三断”条件下森林火灾灭火救援指挥通信难题,提出了一种在无人直升机平台上搭载光电侦察设备、通信中继设备的浮空通信中继平台的设计方案,实现火场一线队伍和指挥所之间的指挥通信和信息共享,解决特重大森林火灾救援中看不见、联不上的问题,进一步提高森林消防应急救援的指挥效率。

浮空器气体混充定高建模与仿真

依据浮空器浮重平衡特性以及理想气体状态方程,探索了一种气体混充控制浮空器平飞高度的定高方式,并对浮空器气体混充定高技术进行了总体设计研究。考虑到热力学特性对于浮空器上升过程和平飞过程的重要性,结合工程热力学中混充气体的热物性能,以超压气球作为研究对象,分析球体上升和平飞过程中的热环境,并与动力学模型进行耦合。在此基础上,对混充气球上升及平飞过程进行力学仿真,得到气球上升过程中高度、速度、气体温度以及压强的变化,验证了浮空器混充定高技术的可行性,为后续浮空器飞行试验提供指导。

浮空器囊体检漏机器人力学特性仿真研究

针对检漏机器人在浮空器囊体表面上运动的稳定性问题,对履带式永磁吸附机器人的结构特点和囊体表面工作时的受力情况进行了分析。建立了检漏机器人运动模型,对其进行了静力学分析和动力学分析,利用matlab软件对吸附单元吸附力、电机驱动转矩与倾斜角、载荷分布系数之间的关系进行了研究。研究结果表明,大倾斜角的情况下,机器人容易发生纵向倾覆的危险,机器人在直行时和转弯时电机所需驱动转矩受载荷分布系数和倾斜角的影响不同,确定了检漏机器人设计中吸附单元吸附力和电机驱动转矩等关键参数,为检漏机器人设计提供了依据。

一种改进后的浮空器气动性分析

浮空器是一种利用氢气或氦气,依靠自身浮力升空的航空器。浮空器具有成本低、驻空时间长、载荷能力大等突出优点,应用范围十分广泛。该文以一种典型浮空器为研究对象,建立浮空器的有限元模型,再利用流固耦合的方法进行仿真计算,模拟出在一定风场条件下气球的空中姿态。对比其他结构类型的浮空器仿真数据,验证了此类浮空器在性能上的先进性。通过仿真数据也能找到浮空器结构的薄弱点,可以为后续进一步研究提供重要依据,未来还将利用气动仿真技术深入分析浮空器的其他特性,力争把浮空器应用到更多领域当中。