2015年, 第55卷, 第8期　
刊出日期：2015-08-15

  

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电子工程
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  基于速率增强JTIDS波形的干扰检测与擦除方法

  张彧, 吴钊, 宋健

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 821-825.

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  联合战术信息分发系统(JTIDS)是一种应用广泛的态势感知数据链。为解决速率增强JTIDS波形在部分频带阻塞干扰下性能恶化的问题, 该文提出了一种低复杂度的干扰检测与擦除策略。首先对每个脉冲的信噪比(SNR)进行估计, 并对脉冲进行粗分类。接着, 估计出整个时隙内普通脉冲的平均SNR。最后, 对脉冲进行精细分类, 并依据一定的策略给每个脉冲赋予一个擦除因子。仿真表明: 该方法能极大减小部分频带阻塞干扰对解调性能的影响, 显著降低误码率。该方法复杂度低, 易于实现。
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  结合信源和信道的多级矢量量化联合优化算法

  徐敬德, 崔慧娟, 唐昆

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 826-830.

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  针对传统的信源优化多级矢量量化抗误码性能较差的问题, 提出了一种结合信源和信道的多级矢量量化码本联合优化算法。该算法将码本联合优化与非等重信道保护相结合, 充分利用多级矢量量化中各级码字之间的相互作用关系和非等重信道保护的特性, 对各级码字进行非等重误码率的迭代优化来降低整个系统失真。在低速率语音编码中线谱频率参数的仿真测试表明: 与信道优化的多级矢量量化独立码本和非等重信道保护相结合的方案相比, 在8%误码率信道下该算法线谱频率参数的平均谱失真降低了0.1 dB; 与等重误码率的码本联合优化方案相比, 在各种误码率信道下该算法线谱频率参数的平均谱失真都有明显降低。
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  基于用户位置信息的密钥生成安全性

  栾凤宇, 张焱, 郑繁繁, 许希斌, 周世东

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 831-837.

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  随着无线与移动通信个人业务的快速发展,利用无线信道的特性生成密钥的方法成为新的研究热点,但这种方法并非绝对安全。当窃听者获得足够的散射环境信息和用户位置信息,就可能重构出合法用户之间的信道信息,影响密钥的安全性。其中用户和窃听者共同的散射环境难以做到对窃听者保密,但用户位置信息由于用户移动和窃听者有限的观测能力具备不确定性,能够为密钥生成提供安全保障。该文以密钥生成速率为安全性的衡量,研究了基于合法用户位置信息的密钥生成速率。首先推导了窃听者对不同场景(视距、非视距和不同散射物数量)中的用户位置推测误差表达式; 然后通过仿真,分析了窃听者对距离和角度不同观测误差、同一密钥生成周期内不同的信道观测次数对密钥生成速率的影响; 基于仿真和分析结果,证明了利用用户位置不确定度能够保障一定的密钥生成速率,从而确保了密钥的安全。
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  星载互连并行Clos网络

  刘凯, 晏坚, 陆建华

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 838-843.

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  针对空间辐射环境造成的星载交换可靠性下降的问题, 提出了一种互连并行Clos(interconnected parallel Clos, IP-Clos)网络以抵抗空间辐射造成的交叉点故障和交换单元故障。IP-Clos包含多个Clos平面, 相邻Clos平面通过平面间连接进行互连。通过采用平面间连接, 每一级都存在多条路径到达下一级。理论计算表明, 相比并行Clos网络, IP-Clos网络增加了交换单元间的连接数量, 在交叉点故障和交换单元故障下具有更高的可靠性。数值分析表明, 对于同步轨道(GEO)卫星, 采用宇航级FPGAs实现的IP-Clos网络在交叉点故障下的平均失效时间大于 2.1×10⁵ d, 在交换单元故障下的平均失效时间是6.86×10³ d。
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  基于鲁棒主成分分析的SAR舰船检测

  宋胜利, 杨健

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 844-848.

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  针对单极化SAR舰船目标恒虚警检测无标准杂波模型可选,且多目标情况下易发生目标检测不完整和弱目标丢失的问题,该文提出一种基于鲁棒主成分分析(robust principle component analysis, RPCA)的舰船检测方法,通过利用SAR图像中内在的海面低秩属性和舰船目标的稀疏属性,借助推导的增量Lagrange乘子算法,将SAR图像分解为低秩图像、噪声图像(两者之和对应海面)和稀疏图像(对应舰船)的和,从而一次性实现目标检测和杂波抑制,不依赖任何杂波模型和检测统计量。仿真实验验证了增量Lagrange乘子算法的有效性。实测数据处理实验中与平均单元恒虚警检测法和均方误差恒虚警检测法进行了对比,结果表明该方法可以正确从海杂波中检测出舰船目标,具有良好的鲁棒性。
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  基于岸线特征点合并的极化SAR图像小型港口检测

  刘春, 殷君君, 杨健

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 849-853.

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  为了对极化合成孔径雷达(polSAR)图像中小型港口目标进行自动检测, 在分析小型港口特性的基础上, 提出了一种基于岸线特征点合并的检测方法。首先, 使用极化SAR图像水平集分割算法实现精确的海岸线提取, 并通过数字曲线分裂归并算法提取海岸线轮廓特征点; 然后针对小型港口轮廓特征点比非港口区域轮廓的密集的特性, 提出了一种岸线特征点合并算法实现港口检测。分别用RADARSAT-2系统获取的新加坡和湛江海岸区域极化SAR数据对提出方法进行了试验。实验结果表明, 该方法能够正确地检测沿岸小型港口。
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  基于极化SAR分解模型的油膜检测

  杨帆, 杨健, 殷君君, 宋建社

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 854-859.

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  为了更好地利用极化合成孔径雷达(SAR)检测海面溢油, 该文提出了基于极化分解模型的特征--Bragg散射能量占比。在油膜区域, Bragg散射能量占比会比较小; 而在海面和常见油膜类似物如油醇(OLA)区域, 该特征的值会比较大。因此, 该特征能够有效地从海杂波里检测出油膜区域, 并且能够有效地排除OLA虚警。并且该特征可以被推广应用于HH＼VV双极化数据和紧缩极化(CP)模式, 从而可以进行大面积的溢油监测。利用C波段的极化SAR数据的实验表明:在各种极化模式下该特征能够检测出油膜, 并有效鉴别油膜和油膜类似物。
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  基于Radon变换的SAR地面运动目标径向速度估计

  王智睿, 张旭东, 许稼

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 860-865.

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  合成孔径雷达(SAR)地面动目标径向速度导致的Doppler模糊和频谱分裂会严重影响对其检测和速度估计的性能。为此, 该文提出一种基于Radon变换(RT)的方法来高效准确地解决Doppler模糊和频谱分裂, 实现Doppler中心和径向速度的准确估计。该方法首先基于雷达和平台参数计算目标可能模糊数对应的距离走动倾斜角, 确定“模糊数-角度”对应关系; 进而基于实测数据计算各先验角度RT值, 搜索最大值获取模糊数。同时, 提出了Doppler频谱检测器解决频谱分裂问题, 可结合能量均衡法准确估计基带Doppler中心和目标径向速度。数值仿真试验结果证明了该方法的有效性。
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  抗部分频带干扰的交织跳扩系统设计及其容量分析

  任印鹏, 倪祖耀, 匡麟玲, 吴胜, 陆建华

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 866-872.

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  为提高抗部分频带干扰的能力, 在直接跳扩(DS/FH)的基础上提出一种交织跳扩(IDS/FH)系统, 引入多跳间交织器实现码片的离散化, 获得时频分集增益。通过将部分频带干扰下的跳扩系统等效为衰落条件下的单输入多输出(SIMO)系统, 分别对DS/FH和IDS/FH的信道容量进行分析, 得出部分频带干扰和高斯信道下的容量表达式, 并给出了IDS/FH在部分频带干扰下的最佳接收方案。理论分析得出, 在50%的强部分频带干扰, 信噪比为10 dB的Gauss信道下, IDS/FH的容量比DS/FH的提高49%。仿真结果表明: 50%部分频带干扰下IDS/FH可达到的最低误码率比DS/FH的降低2个数量级。
  
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  针对无切分维吾尔文文本行识别的字符模型优化

  姜志威, 丁晓青, 彭良瑞

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 873-877,883.

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  基于隐含Markov模型(hidden Markov model, HMM)的无切分文本行识别方法能够利用概率图的思想, 同步完成文本行图像的切分与识别, 避免因字符预切分失败而导致的识别错误, 但对字符模型的设计与训练要求很高, 并且在多字体融合问题中难以提高模型泛化性能。该文通过分析模型状态在图像层面的聚类意义, 先提出基于观测合理聚类的模型结构优化方法, 再提出结构与参数相结合的字符模型优化策略, 最后将其应用于多字体维吾尔文文本行的无切分识别系统。实验结果表明, 该方法能够改善模型的状态分配合理性, 并且在多字体融合问题中提高了模型泛化性能和状态利用效率。
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  雷达目标双曲线调频回波生成

  周伟, 叶春茂, 金侃, 鲁耀兵, 杨健

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 878-883.

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  由于双曲线调频(hyperbolic frequency-modulation, HFM)信号具备良好的Doppler不变性, 比线性调频信号更有利于高速运动目标的探测和成像。但是对于复杂电大尺寸目标, 直接采用高频电磁散射理论生成宽带回波计算量非常庞大。为研究HFM信号在宽带雷达成像中的应用, 该文提出一种利用目标静态电磁计算数据的HFM信号回波快速生成方法, 通过相位匹配滤波和频域降采样有效地降低了计算复杂度, 并详细分析了目标高速运动对HFM信号匹配滤波的影响。该方法同时适用于线性调频信号的宽带回波仿真。仿真结果验证了该方法的正确性和有效性。
计算机科学与技术
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  蛇形机动目标航迹旋转对射弹脱靶量的影响

  付强, 朱纪洪, 王春平

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 884-888.

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  结合蛇形机动目标对抗舰炮或高炮的作战过程, 定义了航迹直角坐标系和航迹旋转角, 在最小二乘法下建立了一次假定和二次假定的平滑滤波模型, 推导出目标运动参数、理想弹着点和射弹脱靶量的函数关系式, 证明了航迹旋转并不影响目标运动参数的求取, 但是能够引起射弹脱靶量的变化, 其原因在于理想弹着点位置的旋转影响了射弹飞行时间。若此因素可忽略, 则旋转角度与脱靶量无关。对主运动方向指向炮位原点的目标进行了仿真, 验证了上述结论。
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  基于可控功耗的扫描分段测试结构

  江舟, 向东, 神克乐

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 889-894.

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  随着芯片尺寸进入微纳米级时代, 集成电路测试过程中产生的功耗也越来越大, 已经成为了芯片生产和测试的瓶颈。已有的研究主要是降低移位功耗或者捕获功耗, 但是很少有方法能够同时降低这2个阶段的功耗, 而且目前还没有针对捕获功耗可控性的研究。该文提出了一种基于可控功耗的扫描分段结构, 该结构能够控制移位阶段和捕获阶段的功耗, 并且只需增加很小的面积开销。同时还设计了一种高效的电路结构分析算法来检测触发器之间的依赖关系, 以及一种能够直接降低同一时刻触发器跳变的扫描分段策略, 这种策略通过不断的迭代分段组合来完成最优分组。该分段方法是第一个基于电路结构依赖和时钟树影响的功耗可控方法。实验表明, 该结构在ISCAS89和IWLS2005基准电路测试中都有明显的效果。
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  分治法重建数字地形的子网凸包合并算法

  郑辑涛, 何红红, 张涛, 朱纪洪

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 895-899,905.

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  该文深入研究了以往基于分治策略的数字地形重建方法,在实践基础上分析了参与合并的两个子网凸包的各种可能情况,针对传统合并算法的局限性和弊端,给出了一个子网凸包合并算法。该算法根据公共支撑线的性质,通过判断凸包顶点投影位置的关系确定公共支撑线和支撑点,然后在确保合理的前提下,在两个凸包之间交替生成新三角形完成两子网凸包的合并。实验结果表明: 该算法稳定可靠,能够实现各种复杂情况下两子网凸包的成功合并。
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  软件定义网络中的快速移动性管理

  孙文琦, 李贺武, 吴建平

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 900-905.

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  软件定义网络(SDN)是未来互联网研究领域中的重要课题。该文首先测量和分析SDN中现有的移动性管理方案所面临的问题, 包括用户移动过程中数据包时延大和网络控制开销大等; 并以减少时延和降低控制开销为目标, 设计一种快速移动性管理方案, 该方案采用隧道和流表转发相结合的方式来实现移动性管理, 减少数据平面与控制平面的交互。模拟实验表明: 与SDN中现有的移动性管理方案相比, 快速移动性管理方案使得终端移动过程中的数据包往返时延减少了10倍左右, SDN为移动用户而产生的控制开销降低了一半以上。
  
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  基于条件随机场的中文短文本分词方法

  刘泽文, 丁冬, 李春文

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 906-910,915.

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  中文分词是信息检索工作的一项先决任务。随着大数据时代的到来, 信息检索工作对于中文分词准确率和召回率的要求也不断提高。该文提出了一种针对中文短文本的分词方法。该方法首先利用机器学习中的条件随机场模型对待处理的中文短文本进行初步分词, 然后再利用传统词典分词方法对初步分词结果进行修正, 从而完成分词工作。针对中文短文本的特点, 该方法在条件随机场的标记选择和特征模板编写上做了相应优化。测试结果表明, 该方法改善了传统的基于词典的分词法因为未登录词和交叠歧义而产生的准确率和召回率下降的问题, 并在Sighan bakeoff 2005的四个语料测试集中均取得了0.95以上的F-Score。实验证明: 该方法适合应用于信息检索领域的中文短文本分词工作。
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  Linux设备驱动的内核服务需求特征

  茅俊杰, 陈渝

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 911-915.

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  重用Linux的设备驱动可以极大拓展新兴操作系统的应用场景, 然而目前对Linux设备驱动对内核服务的需求的理解仍然不足, 重用驱动的工作仍然缺乏辅助工具。该文选取了6类共271个Linux设备驱动作为样本, 基于源代码和历史记录进行分析和统计, 表明Linux设备驱动对内核服务的需求具有通用接口倾向性, 同类设备驱动对内核服务的需求具有相似性, 而不同类驱动的需求特征则有明显不同。这些结论有助于指导Linux设备驱动的重用和相应辅助工具的设计与开发。
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  基于向量场的深度计算方法

  路海明, 王一娇, 谢朝霞

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 916-920.

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  基于深度图像可以方便地区分前景和背景, 有效提高自然人机交互的性能。其中基于面结构光技术的深度摄像头实用性强, 得到了迅速发展, 其深度信息获取基于图像块匹配算法, 在计算每个像素点的深度时, 需要在测量范围内进行逐点搜索、图像块匹配和寻优等大量运算, 这些运算要通过高性能计算机或专用并行运算芯片才能达到实时性, 导致了深度摄像头成本的增加。本文研究基于向量场模式识别的深度图算法DepthVH, 通过生成具有深度相关特征的向量场, 将深度信息变换为特征信息, 通过直接识别各个深度点周围的向量场特征, 将该特征信息逆变换为深度信息, 实现类似Hash映射的搜索, 避免了线性搜索匹配算法的巨大运算量。采用DepthVH, 智能电视只要增加一个红外发射元件, 就可以具有自然人机交互功能。
机械工程
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  基于高效Hough变换的圆柱特征检测方法

  杨向东, 芮晓飞, 谢颖

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 921-926.

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  椭圆Hough变换方法是特征提取领域重要的研究课题之一。为提高算法的精确度和时效性, 提出了高效Hough变换(EHT)圆柱特征检测方法。该方法适用于检测圆柱特征中的椭圆轮廓, 利用单个参数的近似值, 估计其他参数的近似值。为控制算法误差, 提出了EHT的失效模型, 给出了预置参数的安全误差范围。对程序生成的椭圆图像进行检测实验, 证实了EHT方法的有效性。
物理与工程物理
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  基于分布式建筑控制策略的人员疏散系统

  马亚萍, 吴楠, 高远, 张辉, 李丽华

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(8): 927-932.

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  当前的建筑自动化控制系统尽管具备一定的现场控制能力, 但本质仍属于集中控制, 对未来大型复杂结构建筑的适用性较差。该文提出一种考虑建筑整体的分布式建筑控制策略, 比当前集中式控制策略在控制效果和系统鲁棒性等方面都具有明显优势。同时对建筑分区和其信息传输网络拓扑结构进行了一体化设计, 为分布式建筑控制策略及分布式控制算法提供了物理基础和通信基础。基于已构建的分布式建筑控制策略, 建立了分布式人员疏散动态指示系统, 该系统由通用控制器、传感器和动态指示标志等组成, 同时考虑了人员分布等因素。演习实验及模拟结果表明: 该系统可以有效平衡不同出口的疏散人数和减少疏散时间, 为人员疏散的有序进行提供了条件。