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关键词： 动态视觉传感器   像素电路   地址-事件表示协议   仲裁电路  

摘要： 随着科技的不断发展,自动驾驶、野外消防、军事等领域对高帧频和低冗余的红外探测器的需求进一步提高。在传统红外探测器主时钟频率不变的情况下,随着像素阵列的增大,读取像素信息的时间也会不断增大,而且是以“帧”的方式读取信息的,会存在数据冗余的问题。为了解决上述问题,本文将传统红外探测器与探测可见光的动态视觉传感器相结合,只输出产生“事件”的像素信息,以此来达到单个像素高频率和低冗余的目的。 本文研究的事件驱动的非制冷红外探测器读出电路主要包含四个部分,分别为像素电路、行/列逻辑控制电路、仲裁电路和编码电路。当像元探测到红外辐射后,会在电容上产生向上或者向下的电压积分曲线,当电压积分曲线达到各自的阈值条件后,会开启电流反馈并迅速产生脉冲,这个脉冲就被定义为“事件”。为了读取产生“事件”像素的信息,本文采用了地址-事件表示协议,可以将产生“事件”像素的地址、极性等信息进行读取。但是在同一时刻往往会产生多个“事件”,这对读出系统会造成不小压力,本文设计了最高优先级轮换的仲裁电路,使得产生“事件”的像素被选择的机会是相等的,实现公平仲裁,且能够达到结构更简单、无毛刺等优点。最后,使用镶嵌式地址编码器对产生“事件”像素的地址信息进行编码。 本论文在Cadence平台上采用SMIC 0.18μm工艺实现了像素电路、仲裁电路和阵列电路并对其进行了仿真,仿真结果与预期相符。根据本文设计的像素电路,单个像素电路的功耗约为350 n A。在4输入仲裁树电路中,拥有最高优先权的像素获得低电平有效的应答信号的延时为360 ps。结果表明,基于事件驱动的非制冷红外探测器读出电路能够达到单个像素高频率和低冗余的优点。

关键词： 等效电路法   电路分析   宽带极化转换单元   高增益透射天线  

摘要： 电磁超表面作为一种性能优异的二维平面结构,被广泛应用于无线通信、雷达识别、军事隐形等领域。但由于超表面复杂的结构组成,用作解释其单一物理特性的工作难以进一步地指导应用设计,导致了单元性能优化工作的费时费力。为此,本文提出了一种新的设计思路,结合传输线理论及等效电路法,基于电路分析优化超表面设计过程。 基于电路分析的超表面应用设计,其关键是构建能有效反应超表面特性的等效电路模型,尤其是针对各向异性超表面单元中的复杂金属结构,使其特性在整体单元的等效电路模型中得以体现。一方面,超表面等效电路模型及其集总参数求解,可以利用电磁仿真软件的数值仿真结果逆推验证,将超表面结构等效为集总元件和传输线构成的电路。另一方面,通过引入各向异性超表面的结构主轴分析,从极化分解的角度,针对反射、透射单元建立了双极化入射的等效电路模型,实现了对各向异性超表面的电路等效与特性分析。综合上述工作,本文基于等效电路法设计了宽带极化转换反射单元及高透射效率单元,并设计实现了高口径效率的宽带透射阵。主要研究内容分为两个方面: 1、设计了一款宽带超表面反射单元用以说明电路分析指导设计的可行性,提出了双极化入射的反射单元电路模型。首先,基于反射单元的等效电路模型,通过电路分析并指导设计了一款由弧形和矩形组合而成的宽带极化转换超表面反射单元,在7.5～21.5GHz范围内极化转换率维持在0.9之上,相对带宽为96.5%。在简单验证思路可行的同时,引入各向异性结构的结构主轴概念及其特性求解方式,从极化分解的角度,将超表面等效为一个二端口电路,提出并建立了双极化入射的反射单元等效电路,给出了整体模型反射系数的推导过程。 2、提出了带极化栅的多层透射单元的双极化入射等效电路模型,设计了一款高透射效率的超表面单元,并应用于透射天线。首先,针对带极化栅的多层透射单元的各部分,根据其特性进行电路等效分析,建立了双极化入射的透射等效电路模型,给出了整体推导过程。随后以高增益天线的单元设计需求为例,结合电路分析,指导设计了一款带极化栅的高透射极化转换单元,并将设计单元应用于天线设计。在26 GHz的工作频率,天线最大增益为25.02 d B,口径效率为61.8%,且其1 d B相对带宽为28.3%,3 d B相对带宽为43.7%。

关键词： 生态网络   MSPA   电路理论   网络优化   长三角生态绿色一体化发展示范区  

摘要： 伴随着快速城市化,建设用地的无序扩张使得大量生态用地流失,带来一系列生态环境问题,制约了区域可持续发展。党的十九大强调建设和发展生态廊道,完善保障生态安全的重要网络体系,二十大进一步强调了生态环境保护的重要性。构建生态网络是保护生物多样性和提升生态系统功能的重要基础,对维持生态系统的动态平衡具有重要意义。长三角地区大面积城市扩张打破了原有的栖息地,降低了生态网络的连通性。而长三角生态绿色一体化发展示范区（以下简称“示范区”）是实施长三角一体化发展战略的先手棋和突破口,其规划方案中明确提出构建“一心两廊、三链四区”的生态网络,因此,研究长三角示范区的生态网络格局极其重要。 目前,已有研究主要集中在干旱区、山区、城市群和市级尺度,针对示范区的研究比较少。同时,现有研究主要集中在单一年份,针对长时间序列动态特征的量化也比较少。此外,示范区具有明确的国土空间规划方案,但针对规划方案的生态网络优化策略还鲜有研究。为此,本研究基于“生态网络构建-时空动态量化-网络优化策略”的研究思路,利用形态学空间分析方法（MSPA）和电路理论,选取长三角示范区为研究区,利用土地利用/覆被、遥感和社会经济统计等多源数据,构建示范区2000-2020年的生态网络,进而从生态源地、阻力面、生态廊道、夹点及障碍点等方面综合分析生态网络格局时空演变特征,最后,对示范区生态网络进行优化,以已有规划政策为参考,提出示范区生态网络的优化建议。 主要得到以下结论: （1）2020年示范区生态源地面积为530.63 km2,主要分布在西部、北部和中部区域;生态源地中,水体（50.86%）和耕地（41.71%）的面积占比较大;2000-2020年示范区生态源地面积下降了992.15 km2,生态源地不同地类面积减少最多的是耕地,下降了927.19 km2,其次是湿地和林地;三区县尺度上,吴江区生态源地面积下降最大,下降了5117.21 km2,嘉善次之（259.36 km2）、青浦最少（179.93 km2）。 （2）2020年阻力面平均值呈现青浦区最大（227.06）、吴江区次之（212.03）、嘉善县（210.42）最小的特点,但过去20年吴江区的阻力面平均值增长最多,从128.9增加到212.03;2000-2020年示范区阻力面平均值呈现增长趋势,从187.14增长到215.86,主要位于示范区北部、南部和东北部的不透水表面区域。 （3）2020年示范区生态廊道呈现网状交错分布,主要分布在中部和西部区域,东部和南部区域分布较少;三区县尺度上,吴江区的生态廊道数目最多（56条）,嘉善县次之（27条）、青浦区（14条）最少;2020年示范区的生态廊道平均长度是5193.03 m,其中吴江区最长（6272.19 m）、青浦区最短（2179.19 m）;2000-2020年示范区生态廊道数量增加了91条,平均长度增长了44839.91 m,主要集中在示范区中西部区域;三区县尺度上,吴江区生态廊道数量增加最多,增加了51条,其次是嘉善县（26条）,青浦区最少（10条）。 （4）2020示范区生态夹点共有27个,面积27287.01 m2,分布较为分散,生态夹点主要由耕地构成（75.68%）,其次是水体（10.81%）和湿地（8.11%）;2000-2020年示范区生态夹点增加23个,面积增加15669.56 m2;障碍点个数减少6个,而面积增加2567.83 m2;三区县尺度上,吴江区生态夹点个数增加最多,从2个增加到21个,而嘉善县的生态夹点面积增加最多,为2401.03 m2。 （5）通过增加四块垫脚石对生态网络进行优化,发现优化后生态廊道面积增加了1.89 km2,占整个生态廊道面积1.27%;最大累积电流值增加了0.1,电流值上升表明景观连通性改善;增加生态廊道进行优化,发现优化后的α、β及γ指数分别上升了0.35、0.68、0.23,优化后的网络丰富程度和连通性显著上升,结果表明通过增加垫脚石和生态廊道可以对示范区生态网络进行优化;在此基础上,结合示范区规划建议,提出示范区生态网络优化建议,主要是在示范区添加一个林地生态绿心和一个湖泊生态绿心,其中在吴江区的西南部和东北部、青浦区的北部添加生态核心,并调整嘉善县的南部生态核心。 研究结果可以为长三角及其它相似区域的生态网络构建与优化提供方法参考,且为跨省级行政边界的生态安全格局构建以及生态分区治理提供思路,具有一定的科学价值和实践意义。

关键词： 矩量法   自适应频率扫描   向量拟合   特征值解析扩展   矩阵压缩  

摘要： 随着集成电路工作频率的不断提升,准确的电磁仿真是集成电路正常工作的保障之一。集成电路的电磁仿真通常需要在一个很宽的频带下验证其工作性能,宽带电磁场仿真技术的重要性日益凸显。基于频域的电磁仿真方法虽然相对于时域仿真方法有更好的稳定性和更高的计算精度,但是需要对每个频率点都进行一次计算,使得宽带仿真的效率低下。因此,为了满足集成电路宽频带电磁仿真的需求,本文对频域电磁仿真的扫频算法技术进入了深入研究。 本论文主要聚焦于基于积分方程的频域矩量法的宽带电磁仿真技术。目前市面上专用的芯片电磁仿真工具大部分都是采用的矩量法（Method of Moments,MoM）。该方法不需要设置边界截断条件,并且可以对芯片的分层介质使用格林函数进行等效,可以大大减少未知数个数。但是,Mo M得到的系数矩阵是稠密矩阵,在迭代求解中的矩阵-向量乘法复杂度达到O(N2-)。因此本文基于以上需求提出了几种适用于宽带电磁仿真的算法,通过高效的拟合或插值技术,精确重构出整个仿真带宽内的频率响应值,并且通过使用矩阵压缩技术提升了迭代求解的效率,从而大幅缩短了芯片电磁仿真的时间。 首先,提出了一种在向量拟合法的基础上用线性插值进行数值补偿的自适应频率扫描算法,介绍了在有理函数上与线性插值相结合的函数形式。为了进一步提升该方法的收敛性,根据迭代过程中的拟合结果提出了自适应选点策略与误差控制措施方案,实现了自适应的频率扫描技术,并通过实验算例验证了该算法的鲁棒性。 其次,为了解决该算法在频谱范围特别广且存在多个谐振频率点的情况下,出现采样点过多且拟合结果不准确的情况,创新性地结合了向量拟合法和基于模型的参数估计算法（Model Based Parameter Estimation,MBPE）。该算法通过粗略估算出的系统谐振点位置将频段进行分段处理,在每个分段频段内,运用MBPE得到频率响应。与上文提出的自适应扫频技术相比,该混合扫频技术在分段频域内,可以复用已准确计算的频率点,减少了采样点的选取,加入了改进的自适应选点策略与收敛误差判定的约束条件,提高了拟合的精准度。通过多个实验算例的验证,证实了这一方法的高效性与准确性。 最近,一种基于物理的解析扩展特征值（Analytic Extension of Eigenvalues,AEE）的快速扫频方法被提出,该方法可以仅用非常少的频率点就能对平滑S参数结果进行逼近,非常适合用于电感器、电容器等元器件的频率扫描,但该方法在宽频带的情况下精度不足,因此为了提高精准度,本文在AEE的基础上,根据阻抗参数引入了拉格朗日插值技术,可将已有频率点的特征值推广至所需频带内的所有其他频率点上,从而得到全频段的频率响应。同时该算法仅需准确计算三个频率点的频率响应,相较于与基于数学函数的扫频方法,能够大大提升仿真的效率。 本文除了研究频率扫描算法外,还对矩阵压缩迭代求解和并行计算进行了研究。采用自适应交叉近似（Adaptive Cross Approximation,ACA）压缩方法,通过识别并提取矩阵中的关键元素,大幅减少了求解过程中所需的计算量,从而实现了迭代求解的快速收敛。此外,还利用并行计算技术实现了芯片的宽带并行矩量法仿真,通过使用多线程并行技术,有效提升了电磁仿真的执行效率。

关键词： STT-MRAM   读取电路   感测裕度   SA模块   SC模块   可靠性  

摘要： 自旋转移力矩磁随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory,STT-MRAM)由于其体积小、速度快、功耗低等特点,一直以来备受瞩目。然而,随着工艺尺寸的不断缩小,读取电路所测得的存储单元的感测裕度的大小不断降低,较低的感测裕度导致整体阵列的读取正确率严重下降。此外,电路的温度对存储单元的读取正确率的恶劣影响也愈发严重。因此,不加改进的读取电路所得的阵列读取正确率已经无法满足存储电路读取正确率(>6σ)的要求。如何调整、优化外围读取电路以提升存储阵列的读取正确率,是保证STT-MRAM继续发展亟需解决的问题。本论文对工艺尺寸缩小、电路温度这两个重要因素对阵列读取正确率的影响进行研究,并提出优化、调整读取电路的方案以提升存储阵列的读取正确率。首先,测得读取电路中感测放大器(Sense Amplifier,SA)模块的失调电压是确定感测电路(Sense Circuit,SC)模块感测裕度大小以及进一步确定读取正确率的前提条件。因此本论文通过对SA工作原理、影响因素等研究,提出SA输入等效失调电压的仿真计算方案并进行仿真验证。此外,本论文分析了工艺尺寸缩小对不同读取电路的读取正确率的影响,并且设计了一个带有新型加法器的SC模块。仿真验证了此模块提升外围读取电路的感测裕度,进一步提升存储单元的读取正确率。最后,本论文研究了电路温度对存储单元读取正确率的影响,并且设计了具有过热保护功能的外围电路保证存储电路一直工作在设定的温度窗口中。 本文针对STT-MRAM的读取电路研究分为以下: (1)STT-MRAM的存储单元为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)器件。本论文首先对MTJ的静态、动态性能以及STT翻转性质进行研究以及建模,并以此模型较为全面地表征MTJ的性能,为后续读取电路的性能仿真提供真实的参考。此外,对不同的国内外STT-MRAM读取电路进行分类、总结,研究读取电路的性能指标以及未来的发展趋势。 (2)STT-MRAM读取电路中SA模块是将模拟电压信号转换为数字信号的模块,其等效输入失调电压大小决定了读取电路感测裕度的下限。因此,测得读取电路中SA模块的输入等效失调电压大小是确定感测裕度的范围、进一步确定存储单元读取正确率的前提条件。本论文首先分析了失调电压对电路的影响,接着利用状态方程、小信号模型分析结合的方法较为全面地研究了SA的工作原理、影响失调电压的因素,同时结合大数定理、曲线拟合的方法提出测量计算SA失调电压的方案,该方案可以较为准确地测得SA失调电压的均值与标准差。 (3)工艺尺寸不断缩小给STT-MRAM读取电路带来了许多严重的问题,本论文对这些问题进行分析与总结。首先工艺尺寸缩小将导致存储单元MTJ器件的阻值重叠面积增加、感测裕度大小的严重下降。因此不加改进的读取电路所测得的存储单元的读取正确率无法满足要求。本文提出了一个带有新型电压加法器的新型STT-MRAM读取电路,具有功耗低、面积小等特点,满足STT-MRAM对读取率的要求。 (4)STT-MRAM阵列对温度具有较高的敏感性,温度升高对数据存储具有较大的影响。而随着工艺尺寸的不断缩小,电路温度对存储单元的读取正确率的恶劣影响愈发严重。本论文中,通过对MTJ器件温度因素对翻转概率的影响的分析,可以确定一个保证STT-MARM的阵列读取正确率在设定范围之内的温度窗口。此外,本论文设计了一种过热保护模块,可以使得整体存储电路在设定的温度窗口中工作,保证存储单元的读取正确率不受温度的影响而降低。

关键词： 离子淌度谱   真空紫外灯   印刷电路板  

摘要： 离子淌度谱(Ion Mobility Spectrometry,IMS),作为一种痕量化合物分析技术,目前已在多种实时检测领域中应用,随着技术的发展,合适的结构设计和控制方法能够有效的提高离子利用率以及谱图的准确性,而目前大多数IMS漂移管均采用机械加工的方式制作,这就导致仪器本身制作周期长、成本昂贵等问题,不利于现场便携式检测,而对于使用印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)制作漂移管的方式,其具有制作周期短、成本低、精度高等优势,有利于仪器小型化、便携式检测,所以本文结合真空紫外灯电离源,创新性提出了基于PCB制作的PCB真空紫外灯离子淌度谱仪。 首先,分析PCB真空紫外灯离子淌度谱仪系统性能需求,确定了总体结构组成,使用PCB制作漂移电极、绝缘环、检测器等,并采用激光加工0.1 mm厚的离子栅门,实现了超紧凑的离子漂移管设计;同时通过设计外围硬件电路,实现了ns级别的离子栅门开、关功能以及p A级别的超微弱离子电流放大等。 其次,根据系统性能需求分析,完成了系统驱动代码编写,实现了系统温度、气体流速等精准控制,采用ADS8688信号采集芯片,实现了16位超高分辨的模/数信号转换与采集,同时使用数据存储模块实时存储离子电流数据,并设计人机交互界面,集成所有功能在液晶显示屏上,极大程度上降低了仪器操作难度。 最后,通过搭建系统测试环境,测试仪器系统性能,完成对离子电流的检测、放大以及对混合化合物的检测和结果分析,结果证明,本文设计的PCB真空紫外灯离子淌度谱仪各个功能模块工作正常,能满足系统性能要求,同时能够实现对于混合化合物的检测和分析,对丙酮的分辨率能够达到28,1,3,5-三甲基苯的分辨率能够达到39。

关键词： 故障诊断   电路板芯片   红外温度   注意力机制   卷积神经网络   麻雀搜索算法  

摘要： 电路板芯片作为机载电子系统的核心组件,其稳定可靠的运行是保证民航飞行安全的关键。依赖人工经验和接触式检测的电路板芯片故障诊断方法存在诊断难度大、准确度低、人工成本高等问题,无法快速、准确的定位故障芯片位置。针对以上问题,本文提出一种基于红外温度数据的电路板芯片故障识别方法,实现了对机载电路板芯片的高精度无损检测。 首先,根据实际应用需求确定实验电路板并对其电路原理进行仿真实验分析,结合仿真结果和工作环境对电路板芯片可能出现的故障类型进行预测,利用自建红外采集系统完成多工况、多周期、多模式下的电路板红外图像拍摄。然后,通过红外热像仪配套的图像处理软件输出芯片区域的温度数据,基于升温序列的统计特征和时序特征建立故障芯片的温度特征模型,在GRU通道前添加注意力机制并利用麻雀搜索算法(SSA)对其权值参数进行寻优,完成基于时序温度数据的电路板芯片故障诊断,诊断准确率达94.73%。最后,为了降低筛选统计特征时的人工成本,同时避免因数据样本利用不足而导致的故障信息丢失问题,设计了一种可综合利用红外温度数据特征的并行网络结构,分别采用1D-CNN和2D-CNN对不同维度的数据集进行特征提取,并且在卷积网络全连接结构之前赋予特征向量不同权值以突出重要特征影响,在提高数据有效利用率的情况下充分挖掘了芯片多维度故障特征,诊断准确率为98.73%。 本文通过对比实验,验证了利用红外温度数据识别电路板芯片故障类型的方法具有可行性。通过提取红外温度数据在时间和空间维度上的故障特征,实现了对电路板芯片故障类型的无损伤、高精度识别,且算法的稳定性、泛化性均优于对比模型。