基于TCAD和Geant 4的SRAM单粒子效应评估

基于Geant4和TCAD (Technology-Computer Aided-Design)建立了一套评估静态存储器(SRAM)单粒子效应的方法. 该方法利用TCAD软件模拟半导体存储单元对粒子能量沉积的响应, 获得SRAM的重离子单粒子翻转截面, 并应用蒙特卡罗工具包Geant 4计算质子与硅材料的核反应以及次级粒子在灵敏体积内的能量沉积, 进而获得质子的单粒子翻转率. 利用该方法, 计算了TSMC 0.18 μm未加固SRAM的重离子和质子翻转率, 通过与同工艺SRAM的重离子实验结果进行比较, 初步验证了该方法的有效性. 该方法不依赖于地面模拟实验, 可以用来评估处于设计阶段的抗辐射加固器件.      

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

用于光互连的2．5Gbps CMOS前置放大器设计

采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺设计了用于光互连通信系统的2.5 Gbps前置放大器.该前置放大器采用了具有电压一电流反馈特性的全差分结构.用Cadence Virtuoso软件的仿真结果表明:在光探测器结电容为0.4 pF,1.8 V单电压源供电情况下,电路跨阻增益为80.88 dBΩ,-3 dB带宽可达2.11 GHz,直流功耗26.46 mW.当输入电流信号峰峰值为9.7μA时,输出差分信号摆幅为124 mV.可望工作于以后的光互连通信系统中.     

SRAM型FPGA单粒子翻转效应加固方法

应用重离子加速器和皮秒脉冲激光器开展Virtex-Ⅱ FPGA（Field Programmable Gate Array）单粒子效应加固方法有效性研究.实验结果表明,同时应用三模冗余和动态刷新加固方法能够完全纠正单粒子效应产生的功能错误.实验获得数据加密算法在不同单粒子效应加固方法下功能错误截面,发现少量的存储位翻转就可以导致程序功能错误;程序功能对存储位翻转较敏感.分析Virtex-Ⅱ FPGA不同加固方法在不同卫星轨道的有效性,同时应用动态刷新和三模冗余加固方法,可以完全校正由于存储位翻转造成的功能错误.重离子加速器和脉冲激光器实验结果同时表明,脉冲激光可以模拟重离子加速器研究单粒子效应加固方法有效性.     

半球谐振陀螺力反馈控制回路设计

阐述半球谐振陀螺(HRG)的基本组成和控制原理,详细给出其核心控制回路即力矩再平衡控制回路的频率特性设计过程和电路实现.仿真试验结果表明了该方法的有效性.     

应用于D类放大器的新型混沌频率调制电路

针对D类音频放大器的电磁干扰问题,提出了应用于D类音频放大器的易于集成的混沌频率调制电路.电路中设计了新型的混沌序列生成器,并利用频闪映射方法建立了电路的混沌模型.新型电路在保留D类音频放大器结构的基础上,采用了全新的混沌频率三角波生成器,即以频率混沌变化的三角波替代了传统D类音频放大器中作为脉冲宽度调制载波的固定频率三角波.该电路已采用0.35μm CMOS工艺设计、验证和实现.仿真实验结果表明,使用混沌频率调制的D类音频放大器输出信号实现了15dB的电磁干扰峰值能量降幅.     

14 nm pFinFET器件抗单粒子辐射的加固方法

为探究先进互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺在空间应用中的可靠性问题，研究14 nm工艺下P型沟道鳍式场效应晶体管(pFinFET)器件中的抗单粒子瞬态(SET)加固策略。通过在器件中插入平行于鳍方向的重掺杂N型沟槽(Ntie)和P型沟槽(Ptie)来减缓SET的影响。三维TCAD仿真结果表明：加固之后器件的抗SET特性和沟槽本身的偏置条件相关。当重掺杂沟槽处于零偏状态时，抗辐射加固的性能最好，SET脉冲宽度降低程度可达40%左右；然而，当处于反偏状态时，由于特殊的电荷收集过程的存在，使得SET脉冲幅度反而会明显增大，脉冲宽度减小程度并不明显。此外，还研究沟槽面积、间距及掺杂浓度对pFinFET中的SET脉冲宽度的影响，得到提高抗SET效果的加固方法。     

CMOS集成压控振荡器设计

通过分析CMOS差分负阻振荡器的工作原理,得到电路结构和参数的优化方案。基于0.18μm工艺,采用片上电感和可变电容,设计了一种基于开关调谐电容结构的宽可调范围的分段线性互补型交叉耦合CMOS集成压控振荡器。在提高振荡器的可调范围的同时,降低相位噪声。电路采用HSPICE进行仿真,在1.8 V电源电压下,振荡频率的变化范围为1.55 GHz~2.86 GHz,可调范围约为60%。功耗为5 mW~10 mW,相位噪声在10 MHz频率偏移处为-110 dB/Hz。     

二体绳系卫星系统冲击效应动力学与试验研究

为了研究冲击效应对二体绳系卫星系统动力学特性的影响，开展了基于绝对节点坐标法的柔性绳索模型及绳系卫星系统运动特性分析研究。首先介绍了绝对节点坐标法柔索模型的建立过程，并进行了动力学仿真实验，在仿真时充分考虑了柔索的轴向刚度矩阵、弯曲刚度矩阵以及质量矩阵，可在不增加计算量的同时保留系绳真实特性。最后，搭建了三自由度的二体绳系卫星地面模拟试验系统，在规格为20 m×30 m的大型气浮平台上开展了试验验证，对末尾释放阶段和初始回收阶段系绳的张力以及子星的运动状态进行了分析。验证结果表明：地面模拟试验与仿真实验相比，系绳张力误差均在5%以内，验证了该建模方法的有效性和所搭建的试验系统的可靠性，同时为绳系卫星的未来发展和地面试验的进一步展开奠定了基础。     

尺度自适应模拟的网格尺度关联分析

采用尺度自适应模拟（SAS）对雷诺数3 900的圆柱绕流展开数值模拟,对比分离涡模拟（DES）的计算结果和已有文献中的实验数据,系统研究了SAS和网格尺度的关联性问题。详细研究了不同网格分辨率和展向计算域的影响,分析了冯卡门尺度在尾迹区的时均湍流统计特性和瞬时分布规律。结果表明:在相同的网格分辨率下,SAS预测的回流区长度小于大涡模拟（LES）,表现出较早的剪切层失稳;网格加密后,SAS预测的回流速度增大、雷诺应力峰值降低,计算结果与Lourenco & Shih的实验结果相接近。此外,在相同网格分辨率下改变展向计算域大小对SAS结果的影响很小。对SAS的网格尺度关联分析可以为该方法的工业应用提供指导。      

基于复合控制的磁悬浮CMG动框架效应抑制

针对磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）动框架效应导致转子悬浮精度和稳定性降低的问题,提出一种角加速率自适应前馈控制与自抗扰控制（ADRC）相结合的复合控制方法。建立了MSCMG转子动力学模型,分析了框架转动情况下的磁轴承扰动力矩,设计了角加速率自适应算法和线性扩张状态观测器,并结合状态反馈控制设计了复合控制器,同时对磁轴承控制系统进行了稳定性分析,仿真结果验证了所提复合控制方法的有效性。利用研制的样机搭建实验平台进行验证,结果表明:所提方法与传统PID控制方法相比,磁悬浮转子收敛后的位移峰峰值降低了39.6%,提高了磁悬浮系统的抗干扰能力。      

转台瞬时速率波动的抑制

速率指标是评价速率转台和其它具有速率功能的惯导测试设备的重要指标之一。针对惯性技术测试设备速率指标的测试方法无法反映转台运行中瞬时速率的问题,分析了转台瞬时速率波动的原因,在转台速率环引人巴特沃斯低通滤波器,通过MATLAB仿真分析和转台速率运行曲线,进一步说明了此滤波器的有效性。     

基于双耦合Duffing振子的气液两相流动特性分析

提出了双耦合Duffing振子仿真系统检测小通道气液两相流型信号的方法。搭建了双耦合Duffing振子仿真系统,针对流型信号的特征确定了3个关键参数:阻尼比、耦合系数和频率,并应用典型混沌信号Lorenz和R9ssler对该仿真系统进行了性能检测。在两相流型信号检测时,提取了振子振动的瞬时速度和位移2个特征值,并基于特征值对流型动力学特性及流型辨识进行了深入研究。结果表明:通过对典型混沌系统的检测验证,发现本文检测方法具有较好的抗噪能力,能够较好地表征典型信号的混沌特性。提取的2个特征值能够揭示出小通道气液两相流型转变过程中气液两相间的作用机理。系统的振子振动瞬时速度结合位移实现了小通道气液两相流典型流型的准确识别,有助于其他不同介质的多相流动特性分析与流型辨识。     

基于相位差的转轴扭矩测量中的零位识别与处理

提出了一种基于相位差原理的转轴扭矩测量中的零位识别与处理方法。采用两路反射式模拟输出激光光强传感器和对应的反射色带，形成两路标准的正弦信号，通过同步采样和幅度归一化处理，得到两路信号的瞬时相位差，并依此实现对转轴扭矩载荷的测试，克服了以往基于脉冲信号测量中无法在静态条件下进行零位校正的困难。对该系统实现的关键技术和参数进行了分析，通过模拟信号输入和标准扭转试验台验证了本文所提出的方法的应用效果。理论和实验结果表明，该方法不需要转轴转动，就可以准确识别其零位，从而大大降低了该技术在现场使用中的调校要求。     

航天器介质深层充电模拟研究

针对航天器介质深层充电问题,提出了一种基于蒙特卡罗模拟和充电动力学RIC模型的介质电荷分布及电场预估新方法,利用地面试验验证了其正确性.航天器介质平板充电过程被简化为屏蔽铝板与分层介质组成的Geant 4模型,通过统计方法计算出了实际入射束流下Teflon介质内的注入电流密度和剂量率分布曲线,利用RIC模型获得了背面接地时介质中的电荷密度和电场分布,利用脉冲电声法(PEA)对不同束流密度辐照下的Teflon内部空间电荷密度进行了测量.数值模拟和地面试验结果表明,Teflon在100 keV能量电子辐照下,电荷密度和电场随着束流密度的增加而不断增大,其电荷密度峰值位置约为0.042 mm,且背面接地时接地侧电场最大.由于Geant 4粒子输运模拟和RIC模型具有通用性,因此该方法适用于各种航天器介质材料.      

智能监控场景中运动目标轨迹聚类算法

轨迹分析是视频监控场景理解的基础,但由于遮挡等原因,跟踪过程会出现不完整的噪声轨迹,导致分析结果不准确.针对此类问题利用改进的轨迹相似度度量和聚类方法进行场景区域分割.首先,对轨迹进行编码,提出利用轨迹的空间特征和速度方向特征改进相似性度量方法计算轨迹间距离;其次,采用改进的层次聚类算法,以该类最长轨迹作为运动物体行为模式代表,将在空间上接近且具有相似速度特征的轨迹划分为同一场景区域,得到符合实际情况的聚类结果.本算法无需对轨迹进行复杂的预处理或过滤,并且加入速度方向特征使区域划分更加合理.最后,在真实场景下,验证了该聚类算法的有效性和普遍适用性.