電子技術

時延受限傳感器網(wǎng)絡移動Sink路徑選擇方法研究

郜帥，張宏科

目的：已有研究表明 sink移動方案能有效提升無線傳感器網(wǎng)絡的能耗效率，但Sink點移動速度的限制通常會帶來較大的數(shù)據(jù)收集時延，與某些實時性要求較高的應用產(chǎn)生矛盾。本文致力于研究時延受限的無線傳感器網(wǎng)絡中Sink點移動路徑優(yōu)化設計問題，在滿足數(shù)據(jù)收集時延的前提下，實現(xiàn)全網(wǎng)整體能耗的最小化。方法：基于帶移動Sink的無線傳感器網(wǎng)絡應用模型，首先將受數(shù)據(jù)收集時延約束的Sink路徑優(yōu)化問題進行數(shù)學化描述，然后對網(wǎng)絡能耗的影響因素進行分析，得到傳輸跳數(shù)和路徑地理位置對能耗的定量和定性影響。接著，為了克服訪問節(jié)點實際物理位置帶來的缺陷，提出了一種基于虛擬點優(yōu)先級的路徑選擇算法VNP（Virtual Nodes’ Priority），通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)人為添加虛擬訪問點，借助于節(jié)點間無線遠程通信傳輸?shù)哪芰硎占瘋鞲袛?shù)據(jù)，從而有效降低算法時間復雜度，減小節(jié)點總量對算法運行時間的影響，提高算法規(guī)?？蓴U展性。具體方法為：在以特定步長選擇可能虛擬訪問點的基礎上，從虛擬點集合中選擇滿足軌跡長度上限的最佳 sink訪問點集合，而對最佳訪問點集合進行TSP（Travelling Salesman Problem）問題求解得到的閉合軌跡即為sink點移動軌跡。結果：采用MATLAB構建仿真平臺，對所提sink優(yōu)化路徑選擇算法進行性能分析。首先比較仿真虛擬點選擇算法中不同步長對路徑選擇的影響?？梢钥闯?，隨著步長的增加，虛擬點個數(shù)將會減少，從而VNP算法的計算時間將會縮短，但是而計算時間的縮短是以犧牲整體能耗為代價的，步長的增加帶來了更多的能耗。另外，當步長大于節(jié)點最大通信范圍時，計算時間性能的改善將不太明顯。然后，論文將所提VNP算法與另外兩種基準算法 RP-UG（Rendezvous Points with Utilitybased Greedyheuristic）和RP-UG-C（RP-UG with Centered start point）。進行對比。從仿真結果可以看出，隨著監(jiān)測區(qū)域內(nèi)節(jié)點規(guī)模的增大，三種算法帶來的能耗會隨之增大，而其中RP-UG隨機選擇初始點，并沒有考慮路徑地理位置對全網(wǎng)能耗的影響，其全網(wǎng)整體能耗明顯高于另外兩種算法。VNP方法的能耗略高于RP-UG-C，在能耗指標方面二者基本相當。根據(jù)三種算法在計算時間方面的比較，RP-UG和RP-UG-C在算法時間復雜度方面處于同一數(shù)量級，且遠高于VNP算法的計算時間（數(shù)百至數(shù)千倍）。VNP算法雖然在能耗性能方面略遜于RP-UG-C算法，但在計算時間方面要遠遠勝出，VNP以較小的能耗代價獲得較大的計算時間“收益”。且由于 VNP算法時間復雜度由虛擬點數(shù)量直接影響，而節(jié)點規(guī)模對計算時間的影響較小，故與RP-UG和RP-UG-C相比，VNP算法具有良好的規(guī)?？蓴U展性。結論：針對移動無線傳感器網(wǎng)絡中sink移動速度與時延要求之間的矛盾，本文提出了一種移動sink路徑優(yōu)化選擇方法VNP以滿足時延要求同時最小化網(wǎng)絡整體能耗。VNP通過避免訪問各傳感器節(jié)點實際物理位置及遍歷虛擬節(jié)點來降低算法時間復雜度，基于節(jié)點的無線通信能力來計算各虛擬點優(yōu)先級，且兼顧考慮了路徑地理位置對能耗的影響。仿真實驗表明，與基準算法相比，該方法在犧牲少量能耗的前提下能顯著降低算法時間復雜度，具有良好的規(guī)?？蓴U展性。

來源出版物：電子學報, 2011, 39(4): 742-747

入選年份：2015

一種基于LEACH協(xié)議的改進算法

呂濤，朱清新，張路橋

摘要：目的：無線傳感器網(wǎng)絡是一種基于分簇結構和分層技術的分簇路由協(xié)議。LEACH雖然至今已過去 10多年，但仍是當前在該鄰域中認可度最高、最有影響力的分簇路由協(xié)議之一。本文通過對LEACH的分析和研究，對LEACH原有的不足之處進行改進，提出一種基于LEACH協(xié)議的改進算法。方法：利用LEACH原有的網(wǎng)絡模型和能量模型對協(xié)議的運行過程進行仿真，通過統(tǒng)計節(jié)點能量數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)LEACH運行過程中出現(xiàn)的問題。（1）LEACH采用三層結構的網(wǎng)絡模型，節(jié)點負責感知環(huán)境、采集數(shù)據(jù)并發(fā)送；簇頭負責收集節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)融合，融合后的數(shù)據(jù)由簇頭直接發(fā)送給基站。模型假設每個節(jié)點擁有足夠的能量將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站；每個節(jié)點可以使用功率調節(jié)；每個節(jié)點可以計算功耗以支持不同的MAC協(xié)議。（2）LEACH的能量模型采用自由空間模型和多徑衰減模型。（3）協(xié)議的運行過程是將網(wǎng)絡運行分成若干輪，每輪由建立階段和穩(wěn)定階段組成。在建立階段，完成簇的選舉和組織；在穩(wěn)定階段，節(jié)點輪流采集數(shù)據(jù)發(fā)送給各自的簇頭，簇頭負責將簇內(nèi)所有節(jié)點的數(shù)據(jù)融合后最后傳輸給基站。每輪過后，LECAH重新選舉簇頭并組織新的簇，開始網(wǎng)絡新一輪的運行，直到網(wǎng)絡所有節(jié)點的能量耗盡。結果：通過對LEACH的仿真表明，在運行過程中協(xié)議可能出現(xiàn)的問題為：（1）極大簇和極小簇并存造成能量消耗不平衡。LEACH采用隨機選擇輪流成為簇頭的算法，其參考指標是節(jié)點成為簇頭的次數(shù)；而節(jié)點的加入是以接收信號的強弱為依據(jù)，因此在成簇過程中會出現(xiàn)簇內(nèi)節(jié)點過多的簇（極大簇）和簇內(nèi)節(jié)點過少的簇（極小簇，包括孤節(jié)點）。（2）簇頭選擇不合理造成簇頭猝死。造成簇頭在穩(wěn)定階段猝死的原因主要有兩個：在網(wǎng)絡運行后期，此時節(jié)點平均剩余能量已經(jīng)很低，很多節(jié)點的能量已經(jīng)瀕臨耗盡，簇頭的能量已不足以完成一輪的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，簇頭在死亡后沒有通知簇成員，導致簇成員節(jié)點繼續(xù)采集和傳輸數(shù)據(jù)，造成能量浪費。簇頭選擇和分簇不合理是加速能量消耗的另一個原因。結論：LEACH的良好性在于：隨機部署，自適應和自配置簇形成；局部控制數(shù)據(jù)傳輸；低功耗媒體訪問控制；特定應用數(shù)據(jù)處理，如數(shù)據(jù)匯聚和壓縮。但是LEACH沒有考慮在分簇中出現(xiàn)極小簇和簇頭猝死情況下對網(wǎng)絡能量平衡和負載平衡的影響，本文基于此提出通過設置簇成員數(shù)門限和分布式合并極小簇的方法來平衡網(wǎng)絡能量使用；通過能量估計的方法使簇頭在穩(wěn)定階段猝死后，簇內(nèi)節(jié)點能停止工作，避免能量浪費；通過能量估計的方法改進了簇頭選擇標準，使節(jié)點成為簇頭更合理。仿真結果表明，改進后的算法可以有效平衡能量負載，降低極小簇過快消耗能量的負面影響從而充分延長網(wǎng)絡壽命。

來源出版物：電子學報, 2011, 39(6): 1405-1409

入選年份：2014

一種基于過采樣的單通道MPSK信號盲分離算法

崔榮濤，李輝，萬堅，等

摘要：目的：單通道盲分離是欠定盲分離中一種比較極端的情況，即在只有一個接收信號的情況下實現(xiàn)對多個源信號的分離。本文針對單通道接收到兩路MPSK通信信號混合的情況，探索基于信號過采樣的單通道混合數(shù)字調制信號盲分離算法。方法：通過對接收信號的過采樣，充分利用接收到的數(shù)字調制信號的波形信息，將單通道的多信號分離問題轉化為發(fā)送符號向量及信號參數(shù)向量的估計問題，其方法是：（1）建立單通道接收信號的一般模型，分析信號模型中各參數(shù)的物理意義及其相互之間的關系。（2）基于最優(yōu)貝葉斯濾波的理論框架，將接收信號的一般模型轉化為一組狀態(tài)方程和觀測方程，以獲得貝葉斯后驗概率最優(yōu)遞推估計的數(shù)學關系式。（3）采用基于粒子濾波的算法實現(xiàn)發(fā)送符號向量和信號參數(shù)向量的遞推估計，重點是重抽樣、權值更新、信號參數(shù)和符號估計等具體算法的設計。（4）基于最大似然估計的理論，推導該算法的誤碼率性能的下界。（5）通過計算機仿真的方法，獲得不同條件下算法的性能曲線，并與已有的方法以及理論曲線進行比較，以驗證算法的有效性、考察算法的性能特點。結果：從理論分析和仿真實驗可以看出：（1）性能與過采樣率的關系：與單倍采樣的分離算法相比，基于多倍過采樣的分離算法的性能有了明顯提高，并且隨著過采樣率的提高，算法的誤碼率性能越來越好。但是當過采用率大于10時，性能改善的程度趨緩。另外，無論是單倍還是多倍過采樣，分離算法性能還未達到性能界，這主要是由于參數(shù)估計不夠準確引起的。（2）性能與粒子數(shù)的關系：在粒子數(shù)比較少時，算法的性能會隨著粒子數(shù)的提高而提高，而當粒子數(shù)達到1000時，粒子數(shù)的增多對算法性能不再有貢獻。（3）信號參數(shù)對性能的影響：算法的分離性能與兩路信號定時偏差之間的差距有關，兩路定時偏差相差越大，分離性能越好。而不同數(shù)量級的頻偏和相位偏差對算法的性能影響不大。結論：基于過采樣的單通道兩個 MPSK信號盲分離算法，利用粒子濾波進行貝葉斯后驗概率的遞推估計，從而實現(xiàn)對碼元符號和參數(shù)的聯(lián)合估計，最終實現(xiàn)多個信號的盲分離。通過對接收信號的過采樣，可以更加充分利用接收信號的波形信息，有效地抑制了噪聲影響。仿真實驗也表明，基于過采樣的盲分離算法可以有效降低誤碼率，能夠提高盲分離的性能。

來源出版物：電子與信息學報, 2009, 31(3): 566-569

入選年份：2014

基于近似KLT域的語音信號壓縮感知

郭海燕，楊震

摘要：目的：壓縮感知（CS）理論從某種意義上來說打破了奈奎斯特采樣定律的限制，具有重要的理論意義和應用價值。壓縮感知理論認為，如果信號在某已知變換域上具有稀疏性，則可以用低維觀測向量近似無損地重構高維信號。由于語音信號在已有的傳統(tǒng)變換域下稀疏性不強，所以目前對語音信號CS的研究還不多，尚屬于起步階段。本文針對語音信號在KLT域的稀疏特性，在構造基于模板匹配的近似KLT基的基礎上，研究語音信號在其下的CS性能。方法：將對語音幀的自相關矩陣進行特征值分解得到的酉矩陣作為理想KLT基，研究發(fā)現(xiàn)語音幀在其理想KLT基下投影向量的稀疏度為1。在此基礎上，研究構造各語音幀的近似KLT基。第1步，取若干組原說話人的語音進行訓練，提取各訓練語音幀及其自相關矩陣的對角元素構成的行向量（下稱為對角向量），分別構造兩個模板集（稱為模板集1和模板集2）。第2步，從模板集2中選取與測試語音對角向量 l（無窮）——范數(shù)相差最小的若干模板，用選取模板的非齊次線性組合來近似匹配測試語音的對角向量，求取非齊次線性組合系數(shù)，使得兩者均方誤差最小。第3步，由模板2元素所對應的模板1元素的非齊次線性組合，構造測試語音的近似自相關矩陣，對其進行特征值分解，構造近似KLT基?；谏鲜鰳嬙斓慕芀LT基，采取固定分配每幀觀測個數(shù)和按幀能量自適應分配每幀觀測個數(shù)兩種方案，由語音信號與觀測矩陣相乘構造相應的觀測。再以觀測為已知條件，利用 l1優(yōu)化算法重構語音信號在基于模板匹配近似KLT域的稀疏系數(shù)向量，進而重構原始語音信號，并在Haar小波域利用平移不變降噪方法對 CS重構信號進行降噪。結果：對采樣率為16 kHz的4位說話人進行實驗，研究壓縮率和重構信號分段信噪比（SNR）之間的關系發(fā)現(xiàn)：（1）重構信號的分段信噪比與選取模板的個數(shù)有關。相同壓縮率時，選取模板的個數(shù)越大，重構信號的分段信噪比越大。但是，模板個數(shù)大到一定程度時效果的改善不再明顯，實驗發(fā)現(xiàn)模板個數(shù)為16時能達到分段信噪比和運算量的最佳折衷。（2）對于女聲語音，自適應分配每幀觀測個數(shù)能得到更高的分段 SNR；對于男聲語音，固定分配每幀觀測個數(shù)能得到更高的分段SNR。這是因為女聲語音在近似KLT基下的稀疏性稍差且相對不穩(wěn)定，自適應分配每幀觀測個數(shù)利于能量較大幀的更好恢復從而改善整體性能，而男聲語音在近似KLT基下稀疏性好且穩(wěn)定，固定分配每幀觀測個數(shù)能兼顧到稀疏性不太好的幀從而有利于提高整體性能。（3）當壓縮率為0.5時，女聲語音采用自適應觀測進行CS重構，分段信噪比達到15 dB以上，平均意見得分（MOS）分達到3.30；男聲語音采用固定觀測進行CS重構，分段信噪比達到18 dB以上，MOS分達到3.71。結論：本文在構造基于模板匹配的近似KLT基的基礎上，研究語音信號在近似KLT基下的CS性能。同時還針對語音信號各幀包含的信息不盡相同的特點，提出對各幀進行自適應分配觀測個數(shù)進行CS重構，并將自適應分配和固定分配每幀觀測個數(shù)方案下的語音信號CS性能進行比較。實驗表明語音信號在基于模板匹配的近似KLT基下具有近似稀疏性，具有良好的CS性能。

來源出版物：電子與信息學報, 2009, 31(12): 2948-2952

入選年份：2014

一種超薄吸波材料及其在縫隙天線中的應用

楊歡歡，曹祥玉，高軍，等

摘要：目的：隨著隱身技術的發(fā)展，天線系統(tǒng)的雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）日益成為制約目標整體隱身性能的瓶頸。與普通目標不同，天線RCS減縮的難點在于對輻射和散射性能的兼顧，因此，常規(guī)的隱身技術并不能簡單用于天線，尤其對天線工作頻段內(nèi)的RCS減縮十分困難。本文探索了利用超材料電磁特性減縮天線工作頻帶內(nèi)的RCS。方法：超材料利用周期的人工微結構實現(xiàn)自然界材料所不具備的奇異電磁特性。本文采用旋轉對稱的人工微結構設計了一種極化穩(wěn)定的超薄吸波體，并利用等效電路法分析了該結構的吸波機理。通過檢測吸波體表面的電場、電流分布，進一步從“場”的角度闡述了吸波體的工作機理?；谠撐w超薄、無表面損耗層和高吸波率的特點，通過適當?shù)募虞d方式，提出利用該吸波體減縮天線工作頻帶內(nèi) RCS，同時保證天線良好輻射性能的方法。結果：（1）從超材料的等效電路分析可以看出，通過適當?shù)奈⒔Y構設計，超材料與自由空間在特定頻率下阻抗完全匹配，自由空間電磁波將無反射進入超材料的微結構內(nèi)，而超材料的金屬背板保證了電磁波透射為零，這樣電磁能量將通過介質損耗和金屬歐姆損耗轉變成熱能被吸收。（2）從檢測到吸波體的表面電場、電流分布可以看出，入射波的電場分量與設計結構左右兩側的金屬作用，產(chǎn)生了電偶極子響應，構成了兩個電極，并與金屬地板強烈耦合，形成了類似于LC的諧振回路，產(chǎn)生電諧振；入射波的磁場分量在吸波體表面和背板的金屬間產(chǎn)生了水平方向的磁諧振，相應地激發(fā)出反向平行的電流，電、磁諧振同頻產(chǎn)生，使吸波體能幾乎100%吸收入射波的電、磁場能量。（3）采用旋轉對稱的結構設計，使吸波體對斜60°角照射的不同極化電磁波都有85%以上的吸收，對于垂直照射電磁波，吸收率達99.9%。（4）將該吸波體加載于波導縫隙天線的輻射口面周圍后，測試得到天線的工作頻率、帶寬和方向圖、增益變化都很小。（5）加載吸波體后，天線RCS對不同極化的入射波在5.48～5.68 GHz減縮都在3 dB以上，最大減縮量均超過17 dB，天線最大輻射方向的RCS峰值得到較好的抑制，且在－21°～21°的空域內(nèi) RCS減縮在 3 dB以上。結論：超材料呈現(xiàn)的奇異電磁特性為天線工作頻帶內(nèi)RCS的減縮提供了新思路。本文利用超材料的電磁諧振特性，設計了一種超薄吸波體，其厚度僅有λ/175，吸波率達99.9%。通過分析吸波體的吸波機理，闡述了其不需要表面的集總損耗層即可實現(xiàn)理想的吸波效果，因此非常適合于天線工作頻帶內(nèi)RCS的減縮。將該吸波體加載于波導縫隙天線，不僅保持了天線的良好輻射性能，而且可以在寬角域內(nèi)有效減縮天線帶內(nèi)RCS，尤其是天線最大輻射方向的RCS峰值可以得到明顯抑制。

來源出版物：電子與信息學報, 2012, 34(11): 2790-2794

入選年份：2014

基于變采樣率的多假設預測分塊視頻壓縮感知

練秋生，陳書貞，郭偉，等

摘要：目的：平均分配采樣率的測量方式忽略了視頻中不同區(qū)域的結構復雜度和變化程度不同的事實。針對這一問題，該文根據(jù)視頻幀間相關性的分布特點，探索能夠高質量重構圖像并合理分配采樣率的變采樣率壓縮感知方法。方法：利用圖像塊幀間相關性的大小分配不同的采樣率，采用變采樣率多假設預測算法以充分利用幀間相關性對圖像塊進行重構。首先，利用相同的測量矩陣得到目標幀與其參考幀對應塊的測量向量，根據(jù)其差值能量將圖像塊分為3類：近似不變塊、緩慢變化塊和快速變化塊。再對不同類別的塊分別選用不同的采樣率處理。這種測量方法能夠根據(jù)不同塊具有的不同場景復雜度和變化強度自適應調整自身的測量點數(shù)（即塊采樣率），從而達到合理分配采樣率的目的。在接收端，首先利用基于光滑L0（Smoothed L0）范數(shù)的方法來快速重構參考幀，并將其作為非參考幀的變采樣率多假設預測重構的參考。其次，通過變采樣率的多假設預測根據(jù)變采樣率的測量值得到預測幀，并用基于冗余殘差字典的迭代加權最小二乘法的ε；正則化模型重構預測殘差，最終得到高質量的重構幀，本文提出的基于變采樣率測量的視頻壓縮感知過程所示。結果：對多假設幀預測方法（MHFP）軟件包中的4組標準視頻序列測試本文提出的算法性能，可以得到以下結果：（1）在其余條件完全相同的情況下（選用與多假設幀預測方法中相同的隨機投影矩陣、參考幀和殘差重構算法），實驗數(shù)據(jù)說明使用變采樣率測量方法（VS-MHFP1）與MHFP的重構結果相比，重構峰值信噪比（PSNR）有所提高，說明僅僅依靠變采樣率的測量方式就能夠使得測試序列的重構質量改善。（2）給出了本文提出的視頻壓縮感知重構算法 VS-MHFP2與 MHFP及FS-MHFP的性能比較?？梢钥闯霰疚乃惴ǖ闹貥嬞|量優(yōu)于后兩者。其中 FS-MHFP表示固定采樣率的多假設預測重構方法（除采樣方式外，F(xiàn)S-MHFP的其它條件與VS-MHFP2相同）。就客觀評價而言，VS-MHFP2的重構圖像的PSNR比MHFP 和FS-MHFP均有提高，F(xiàn)oreman，News，Susie，F(xiàn)ootball分別提高2.67 dB，5.55 dB，2.52 dB，2.95 dB和1.29 dB，2.70 dB，1.76 dB，0.64 dB。（3）就主觀視覺而言，從圖2中可以看出本文算法VS-MHFP2能夠有效重構視頻中的主要運動區(qū)域。Foreman局部放大圖中可以看出，F(xiàn)S-MHFP算法重構的運動程度較大部分（例如嘴唇周圍部分）具有明顯的塊效應，而VS-MHFP2能夠有效消除塊效應，提高重構質量。（4）對于較簡單的測試序列如Susie序列，本文方法可以自適應降低總采樣率，并且能夠保證很好的重構質量。而對于較復雜的測試序列如Football序列，本文方法則能夠自適應增大采樣率，確保一個可以接受的重構質量。結論：視頻中不同的運動目標可能以不同方式運動，因此不同區(qū)域的幀間相關性不同。基于這一認識，本文提出一種充分利用幀間相關性的變采樣率視頻壓縮感知算法，對于非參考幀的測量，按照不同區(qū)域相對參考幀的不同變化程度合理分配采樣率以獲得高效采樣，該采樣方式能夠根據(jù)不同視頻場景的結構和運動自適應調整采樣策略以合理分配采樣率。在重構端，采用變采樣率多假設預測方法來達到充分利用幀間相關性的目的，并利用稀疏表示先驗進行殘差重構。實驗結果表明該文算法能夠在低采樣率下重構出高質量的視頻圖像，而且這種變采樣率測量的方式有利于提高運動劇烈區(qū)域的重構質量。

來源出版物：電子與信息學報, 2013, 35(1): 203-208

入選年份：2014

基于目標函數(shù)的直覺模糊集合數(shù)據(jù)的聚類方法

申曉勇，雷英杰，李進，等

摘要：直覺模糊集合可以描述“非此非彼”的“模糊概念”，更加細膩地刻畫客觀世界的模糊性本質。近年來基于直覺模糊集合的模式識別、數(shù)據(jù)挖掘、計算機視覺和模糊控制等許多領域的研究，均要求對數(shù)據(jù)進行聚類分析。目前關于直覺模糊聚類的文獻比較少，個別學者提出了基于直覺模糊等價矩陣及其截矩陣的聚類方法。該方法花費大量時間計算直覺模糊等價矩陣的傳遞閉包，實時性較差，且沒有考慮樣本數(shù)據(jù)各維特征分配不均勻的情況。在傳統(tǒng)的模糊聚類方法中，如基于相似性關系和模糊關系的方法、基于模糊關系的傳遞閉包方法、基于模糊圖論的最大支撐樹方法等，均不能適用于大數(shù)據(jù)量的情況，難以滿足實時性要求較高的場合，實際中受到普遍歡迎的是基于目標函數(shù)的模糊聚類方法。針對直覺模糊集合數(shù)據(jù)的聚類問題，提出了一種基于目標函數(shù)的聚類方法。該方法通過直覺模糊數(shù)描述觀測樣本各維特征矢量，定義了直覺模糊集合間的加權相似性準則，并證明其滿足直覺模糊集相異度度量的4條公理，解決了數(shù)據(jù)聚類過程中各維特征分配不均勻的問題。通過增加非隸屬度參數(shù)對FCM聚類算法中的模糊劃分矩陣U和目標函數(shù)進行改造，進而給出迭代推導公式和算法描述。首先給定聚類類別數(shù)，設定迭代停止閾值和迭代計數(shù)器，初始化聚類原型；然后計算劃分隸屬矩陣和劃分非隸屬矩陣，更新聚類原型模式矩陣，通過計算新舊聚類原型模式矩陣的范數(shù)判定算法是否停止，從而輸出最終的劃分隸屬矩陣、劃分非隸屬矩陣和聚類原型。該算法把聚類歸結為一個帶約束的線性規(guī)劃問題，通過優(yōu)化求解獲得數(shù)據(jù)集的聚類結果，可用于解決大數(shù)據(jù)量以及實時性要求很高的聚類問題，且易于在計算機上實現(xiàn)。通過實例驗證該方法不僅提高了聚類性能，而且得到劃分非隸屬矩陣，獲取了更多關于樣本分類的信息，在態(tài)勢評估、威脅評估、數(shù)據(jù)挖掘等諸多領域將有著良好的應用前景。只要對該算法進行合理初始化，可以減少迭代次數(shù)，從而降低算法的計算復雜度，但是初始聚類原型的選擇是否合理，對于該算法的性能有一定影響，在后續(xù)研究中將著重解決。

來源出版物：系統(tǒng)工程與電子技術, 2009, 31(11): 2732-2735入選年份：2014

迭代F-內(nèi)嵌入信息生成及其遺傳發(fā)現(xiàn)-應用

于秀清

摘要：P-集合（Packet sets）是由內(nèi)P-集合（internal packet set）與外P-集合（outer packet set）共同構成的元素集合對；或者是P-集合。P-集合具有動態(tài)特征，在一定條件下，P-集合被還原成有限普通元素集合 X。P-集合是把動態(tài)特性引入到有限普通元素集合X內(nèi)，改進有限普通元素集合，在2008年被中國山東大學史開泉教授提出；P-集合是一個原創(chuàng)性的研究。有限普通元素集合X，內(nèi)P-集合，外P-集合滿足關系：如果把X，內(nèi)P-集合，外P-集合分別定義成信息X，內(nèi)P-信息，外P-信息，則由1得到內(nèi)P-信息被嵌入在信息X內(nèi)；則由2得到外P-信息被嵌入在信息X外，信息嵌入是P-集合的一個重要應用特性。論文中把迭代方法，生物遺傳特性與 P-集合的嵌入特性相結合，給出迭代內(nèi) P-嵌入信息概念，給出迭代內(nèi) P-嵌入信息存在性定理，迭代內(nèi) P-嵌入信息鏈定理與迭代內(nèi) P-嵌入信息的嵌入度定理，給出迭代內(nèi) P-嵌入信息的遺傳特征與遺傳定理，給出遺傳信息的還原方法。利用這些結果，給出迭代內(nèi) P-嵌入信息在未知信息遺傳發(fā)現(xiàn)的應用。論文中的應用例子來自信息采集與信息分類系統(tǒng)。應用例子中給出信息的分離—篩選方法與分離—篩選的認證。信息嵌入與信息遺傳是P-集合的兩個重要應用特性，它已被應用到機器人視覺識別的研究中，論文中應用例子給出的結果在實驗中得到驗證，信息的遺傳意義是：與X滿足，它表示X內(nèi)的部分信息元在內(nèi)；或者，X內(nèi)的部分信息元被遺傳到內(nèi)。與X滿足，它表示X內(nèi)的所有信息元在內(nèi)；或者X內(nèi)的所有信息元被遺傳到內(nèi)。2011年和 2012年，史開泉教授改進了 P-集合，分別提出函數(shù) P-集合（Function Packet sets）和逆P-集合（inverse Packet sets）、函數(shù)逆P-集合（Function inverse Packet sets），在中國，它們已獲得了多個重要應用。

來源出版物：系統(tǒng)工程與電子技術, 2011, 33(12): 2691-2695

入選年份：2014

有人機/無人機編隊協(xié)同任務分配方法

劉躍峰，張安

摘要：有人機/無人機編隊協(xié)同任務分配問題是有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的重要研究內(nèi)容之一，其目的是在滿足各項戰(zhàn)術和技術指標的前提下，將不同位置、價值和威脅程度的目標合理地分配給不同的無人機，并對無人機進行編隊和設計粗略路徑，使得有人機/無人機編隊的整體作戰(zhàn)收益最大，代價最小。協(xié)同任務分配是一個約束眾多而復雜的優(yōu)化問題，其解空間隨武器總數(shù)和任務總數(shù)的增加而呈指數(shù)級增加，使其成為一個多參數(shù)、多約束的NP問題。任務分配方法是任務控制過程的重要組成部分，是編隊協(xié)同作戰(zhàn)指揮策略的關鍵。傳統(tǒng)集中式任務分配方法雖然在一定條件下能夠獲得全局最優(yōu)解，但在實際應用中存在許多不足，在無人機自主能力不斷提高的趨勢下，采用單一的集中式控制往往會束縛無人機自主性的發(fā)揮，提高多無人機的分布式控制能力是智能化、自主化發(fā)展的必然要求?；诤贤W(wǎng)協(xié)議的任務分配方法是分布式任務分配問題求解的常用方法，具備原理簡單，易于實現(xiàn)，分配效率高等特點。本文以合同網(wǎng)協(xié)議和多智能體系統(tǒng)理論為基礎，建立了有人機/無人機編隊多智能體系統(tǒng)結構和基于合同網(wǎng)協(xié)議的任務分配模型，通過節(jié)點之間的招標—投標—中標過程實現(xiàn)無人機任務分配，使系統(tǒng)以較低的代價、較高的質量完成分布式任務。為了體現(xiàn)相關聯(lián)任務執(zhí)行緊迫程度的差別，將任務優(yōu)先權引入任務分配模型中，綜合考慮目標類型、目標價值、作戰(zhàn)能力、威脅指數(shù)等相關態(tài)勢信息以及有人機的指令，確定目標優(yōu)先級。所采用任務分配方法可以實現(xiàn)單架無人機執(zhí)行多個任務和多架無人機聯(lián)合執(zhí)行同一任務分配模式，完成預先任務分配和執(zhí)行過程中的動態(tài)任務分配，保證動態(tài)環(huán)境下的編隊整體分配效能較優(yōu)，提高了無人機編隊的動態(tài)戰(zhàn)場適應能力和突發(fā)威脅應對能力。針對作戰(zhàn)想定進行了仿真計算，結果表明，無論是預先任務分配還是動態(tài)任務分配，基于合同網(wǎng)協(xié)議的任務分配方法都具有良好的時間效率和分配效果，相對于集中式任務分配方法更加符合有人機/無人機編隊協(xié)同作戰(zhàn)的特點和任務需求。

來源出版物：系統(tǒng)工程與電子技術, 2010, 32(3): 584-588

入選年份：2014

基于壓縮感知的DOA估計稀疏化模型與性能分析

林波，張增輝，朱炬波

摘要：目的：陣列信號到達角（Direction-Of-Arrival，DOA）估計是陣列信號處理領域的關鍵問題，在雷達、通訊、地震等眾多領域有廣泛應用。利用壓縮感知可以用遠少于經(jīng)典理論所需的測量數(shù)據(jù)精確恢復滿足稀疏性的信號或者估計其相應的信號參數(shù)這一特點，可以實現(xiàn)用少量甚至單個快拍數(shù)據(jù)進行輻射源DOA的準確估計。將壓縮感知理論應用于DOA估計問題，首先要建立合適的稀疏表示和重構模型。本文分析空間稀疏化方式對DOA估計性能的影響，探索信號的最優(yōu)稀疏表示模型。方法：本文利用壓縮感知的相關性條件，建立用于輻射源DOA估計的最優(yōu)稀疏表示模型。首先，我們建立DOA估計問題的稀疏重構模型。根據(jù)陣列接收信號的數(shù)學模型，將感興趣的角度空間離散化，并假設每個離散的空間位置對應一個潛在的輻射源，那么我們可以獲得真實輻射源信號的稀疏化擴展矢量，即實際存在信號的空間位置對應的元素非0，而不存在信號的空間位置對應的元素則為0。據(jù)此建立可實現(xiàn)DOA估計的稀疏重構模型后，利用適當?shù)闹貥嬎惴纯傻玫捷椛湓葱盘柕南∈杌瘮U展矢量，進而獲得對應的 DOA估計結果。為保證有效恢復稀疏信號，空間離散化以后的陣列流形矩陣需滿足相關性條件的限制。本文通過數(shù)學計算對比等正弦空域稀疏化模型對應的陣列流形矩陣和等角度空域劃分的流形矩陣相關性的大小來得到最優(yōu)的空間稀疏化模型。結果：從數(shù)學計算和數(shù)值實驗的結果可知，空域等正弦稀疏化模型對應的陣列流形矩陣的相關性比等角度稀疏化模型對應的陣列流形矩陣的相關性要小。因此，等正弦稀疏化模型下利用稀疏重構算法得到的輻射源信號重構性能比等角度稀疏化模型下利用稀疏重構算法得到的輻射源信號重構性能要好：（1）等正弦稀疏重構幾乎可以完全重構原始的輻射源信號，而等角度稀疏重構在相同的參數(shù)設置條件下存在較大的重構誤差；（2）不同信噪比和不同信源數(shù)設置下，等正弦稀疏重構得到的信號重構誤差比等角度稀疏重構得到的信號重構誤差要?。唬?）不同信噪比下，等正弦稀疏重構得到的DOA估計成功概率比等角度稀疏重構得到的DOA估計成功概率要大。結論：將壓縮感知理論應用于陣列信號的DOA估計問題中，基于相關性條件的理論分析，給出了最優(yōu)的等正弦稀疏表示模型，結果表明等正弦信號空間稀疏化對應的陣列流形矩陣的相關性比傳統(tǒng)的等角度信號空間稀疏化得到的陣列流形矩陣要小，具有更加顯著的稀疏重構性能。近幾年已有不少研究利用多測量矢量模型、一般誤差模型的壓縮感知理論和網(wǎng)格細化處理等方法以進一步提高稀疏重構方法的超分辨性能，而結合最新的數(shù)學理論和方法設計具有最優(yōu)性能的稀疏重構模型仍是進行上述研究的前提之一，這也是今后需要進一步研究的工作。

來源出版物：電子與信息學報, 2014, 36(3): 589-594

入選年份：2014

基于滾動時域控制的再入軌跡跟蹤制導律

吳旭忠，唐勝景，郭杰，等

摘要：采用標稱軌跡制導策略設計再入制導律，制導律可分為參考軌跡生成和軌跡跟蹤兩部分。在跟蹤制導律的設計過程中，為了提高再入制導律的實時性和魯棒性，提出一種基于滾動時域控制和間接Legendre偽譜法的軌跡跟蹤方法。參考軌跡為離線求解滿足多種約束條件下的最優(yōu)軌跡。利用偽譜法將多約束軌跡優(yōu)化問題轉化為非線性規(guī)劃問題，并采用序列二次規(guī)劃的方法求解所生成的非線性規(guī)劃問題。在線軌跡跟蹤制導律的設計過程分三步進行。第一，將參考軌跡的跟蹤問題轉化為線性時變系統(tǒng)的狀態(tài)調節(jié)問題，即轉化為線性兩點邊值問題。第二，求解兩點邊值問題。傳統(tǒng)的方法需要通過反向積分Riccati微分方程，計算量較大難以在線實現(xiàn)。為了解決實時性問題，采用間接 Legendre偽譜法求解兩點邊值問題。第三，引入滾動時域控制策略。為了獲得較高的節(jié)點精度，需要采用較多的Legendre-Gauss-Lobatto點。但是，Legendre-Gauss-Lobatto點越多，求解兩點邊值問題的計算量越大，從而不利于跟蹤制導律的在線實現(xiàn)。論文引入了滾動時域控制策略，每次只需計算一段時間內(nèi)的軌跡跟蹤問題，從而可以采用較少的Legendre-Gauss-Lobatto點，降低了制導律在線計算量。綜上，論文采用滾動時域控制結合基于間接Legendre偽譜法的最優(yōu)反饋控制算法設計出一種易于在線實現(xiàn)的制導律。基于上述工作完成了亞軌道滑翔式飛行器制導過程的3自由度數(shù)值仿真研究工作，主要有：（1）在初始狀態(tài)有較大范圍擾動下，通過Monte Carlo仿真方法對開環(huán)控制和閉環(huán)控制下的軌跡狀態(tài)偏差進行對比；（2）通過在動力學模型中加入較大氣動參數(shù)誤差，在動態(tài)干擾情況下對制導律進行驗證；（3）統(tǒng)計閉環(huán)制導律的計算時間，評估制導律的實時性。研究結果表明，論文提出的再入跟蹤制導方法能夠很好地消除初始擾動和動態(tài)干擾帶來的狀態(tài)偏差，具有較強的魯棒性，同時能夠很好地滿足實時性要求。

來源出版物：系統(tǒng)工程與電子技術, 2014, 36(8): 1602-1608

入選年份：2014