第1期 第2期 第3期

第1期 封面 目录

计算机 图形图像 评述 Website Google Scholar

多模态认知计算

Multi-modal cognitive computing

李学龙
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 1-32
摘要 人类利用视觉、听觉等多种感官理解周围环境,通过整合多种感知模态,形成对事件的整体认识.为使机器更好地模仿人类的认知能力,多模态认知计算模拟人类的“联觉”(synaesthesia),探索图像、视频、文本、语音等多模态输入的高效感知与综合理解手段,是人工智能领域的重要研究内容,也是实现“通用人工智能”的关键之一.近年来,随着多模态时空数据的海量爆发和计算能力的快速提升,国内外学者提出了大量方法,以应对日益增长的多样化需求.然而,当前的多模态认知计算仍局限于人类表观能力的模仿,缺乏认知层面的理论依据.本文从信息论角度出发,建立了认知过程的信息传递模型,结合信容(information capacity),提出了多模态认知计算能够提高机器的信息提取能力这一观点,从理论上对多模态认知计算各项任务进行了统一.进而,根据机器对多模态信息的认知模式,从多模态关联、跨模态生成和多模态协同这3个方面对现有方法进行了梳理与总结,系统地分析了其中的关键问题与解决方案.最后,结合当前阶段人工智能的发展特点,重点思考多模态认知计算领域面临的难点与挑战,并对未来发展趋势进行了深入分析与展望.
关键词 人工智能; 多模态; 认知计算; 联觉; 信容; artificial intelligence; multi-modal; cognitive computing; synaesthesia; information capacity;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

基于正交回归和特征加权的脑电情感特征选择方法

EEG emotional feature selection method based on orthogonal regression and feature weighting

徐雪远, 刘建红, 李子遇, 翟广涛, 邬霞
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 33-45
摘要 颅内容积传导效应导致大量脑电特征之间具有高度相关性,而这些高度相关的脑电特征无法为情感识别提供额外的有用信息,并且会降低基于脑电信号的情感识别效率.为了去除冗余信息和挑选有判别力的脑电特征,本文提出了一种基于正交回归和特征加权的脑电情感特征选择方法.与传统特征选择方法相比,该方法利用正交回归在脑电特征映射空间中保留更多的判别信息,更加适合于非线性和非平稳脑电信号的分析处理.为了验证所提出方法的性能,我们采集了由视频诱发的多通道脑电情感数据,并将所提出方法与4种常用的脑电特征选择方法进行了比较.实验结果证明了本文所提出方法能有效降低脑电特征集内冗余信息,并挑选出具有判别力的脑电特征子集.此外,通过分析由该方法所挑选的脑电特征类型,我们发现中心频率特征是最具判别力的脑电情感特征.该发现将为未来脑电情感特征提取研究提供新的思路.
关键词 脑电; 特征选择; 情感识别; 正交回归; 特征加权; electroencephalogram; feature selection; emotion recognition; orthogonal regression; feature weighting;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

面向多设备协同场景的实时视频流分析系统

Toward cooperative multi-agent video streaming perception

杨铮, 董亮, 蔡新军
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 46-65
摘要 实时视频流分析在智能监控、智能制造、自动驾驶等场景中具有重要价值,然而其存在计算负载高、带宽需求大和延迟要求严格等特点,难以通过传统的本地计算模式或者云计算模式进行部署.近年兴起的边缘计算范式,将复杂的计算任务从终端设备上传到物理临近的边缘服务器上,能够有效解决设备层面的部署问题.然而,例如无人机编队飞行、车队自动驾驶和多机器人协同等不断涌现的多设备协同场景,新增了系统层面的综合性能要求,包括智能分析的实时准确率、设备之间的性能一致性和系统容纳的设备数量上限.当前的边缘计算范式对多设备协同场景的优化尚显不足,未能有效解决设备之间对上传带宽和服务器算力的竞争问题,所以难以满足这类场景的要求.本文设计了MASSIVE系统,能够在多设备协同场景中,全面提升实时视频分析的综合性能.首先, MASSIVE系统提出了适合多设备协同场景中度量视频流分析系统综合性能的评价体系.其次, MASSIVE系统设计了帕累托改进调度器来计算帕累托最优的系统调度策略,使得系统在3个维度上同时取得了相比已有系统更好的性能表现.最后, MASSIVE设计了虚拟流量整形器来保证各个设备在无线网络中按照调度策略上传视频流数据.实验结果表明, MASSIVE在多种典型的视频分析任务中,相比于当前的代表性系统,至少达到了122.7%的实时准确率、1.8倍的系统容量和更好的系统一致性,并达到了帕累托最优.
关键词 实时视频流分析; 边缘计算; 多设备协同; 多目标优化; 帕累托最优; real-time video analysis; edge computing; multi-agent cooperation; multi-objective optimization; Pareto optimal state;

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar

基于事件触发机制的多四旋翼无人机鲁棒自适应滑模姿态控制

Robust adaptive sliding mode attitude control of MQUAVs based on event-triggered mechanism

李鸿一, 王琰, 姚得银, 周琪, 鲁仁全
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 66-80
摘要 针对一类具有外部干扰的多四旋翼无人机姿态系统,研究其在无向拓扑下的姿态跟踪问题,提出一种基于事件触发机制的鲁棒自适应滑模控制方法.首先,建立多四旋翼无人机的姿态动力学模型,并引入干扰观测器,对系统受到的未知外部干扰进行估计.其次,为了节约四旋翼无人机的网络传输资源,本文在传感器和控制器之间引入事件触发机制,并结合鲁棒滑模控制算法,设计基于事件触发的鲁棒自适应滑模控制器.此外,通过Lyapunov稳定性理论证明闭环系统中所有信号最终有界,并证明所设计的事件触发机制能够有效避免Zeno行为.最后,仿真结果验证所提控制方法的有效性.
关键词 滑模控制; 事件触发机制; 干扰观测器; 姿态跟踪; 多四旋翼无人机系统; sliding mode control; event-triggered mechanism; disturbance observer; attitude tracking; MQUAVs;

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar

有向图中含弹性关节多机械臂系统的分布式一致性

Consensus of multiple manipulators with elastic joints under a directed graph

孟祥正, 吴爱国, 梅杰, 马广富
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 81-96
摘要 本文主要研究有向图中含弹性关节多机械臂系统的一致性问题,利用模型参考自适应一致性方法,将含弹性关节多机械臂系统的一致性问题转化成参考模型的一致性和单个机械臂系统的轨迹跟踪问题两个子问题.考虑到机械臂的相对角速度信息难以获取的情况,提出了无需相对角速度信息的线性参考模型.在轨迹跟踪算法设计上,利用反步法对单个机械臂系统设计了跟踪控制算法,使得系统达到关节角度趋于一致的结果.
关键词 含弹性关节机械臂; 一致性; 分布式控制; 多智能体系统; 有向图; manipulator with elastic joints; consensus; distributed control; multi-agent systems; directed graph;

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar

基于自适应动态时钟通信的二阶多智能体系统完全分布式一致性

Fully distributed consensus control for second-order multi-agent systems based on adaptive dynamic clock communication

邓甲, 王付永, 刘忠信, 陈增强
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 97-110
摘要 针对无向通信拓扑下二阶多智能体系统的一致性问题,本文提出了一种基于自适应动态时钟的新型事件触发控制策略.智能体根据自身的动态时钟来确定触发时刻,在触发时刻向邻居广播自身的状态信息并自适应重置时钟.每个智能体只获取邻居在触发时刻的状态信息,且仅依赖自身的状态和邻居在触发时刻的状态来更新时钟和控制信号,无需使用邻居的实时状态信息,也无需使用通信拓扑的任何全局信息.所设计的控制策略有效避免了连续通信,并且是完全分布式的.利用代数图论以及Lyapunov稳定性分析方法证明了所提出的控制策略能保证系统是渐近稳定的并且不存在Zeno行为.仿真示例进一步验证了所提出控制策略的有效性.
关键词 完全分布式一致性; 多智能体系统; 事件触发控制; 自适应动态时钟; Zeno行为; fully distributed consensus; multi-agent systems; event-triggered control; adaptive dynamic clock; Zeno behavior;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

基于多流接收空间调制的去蜂窝MIMO下行传输方法

Multi-stream receive-spatial modulation based cell-free MIMO downlink transmission method

黄谋华, 张冬梅, 许魁, 谢威, 夏晓晨
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 111-127
摘要 将多流接收空间调制(multi-stream receive-spatial modulation, MSR-SM)技术应用于用户和接入点(access point, AP)都是多天线的去蜂窝(cell-free)多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)下行链路传输,为绿色节能的无线通信提供新的思路.在AP的最高发射功率和用户的最低信干噪比(signal interference-to-noise ratio, SINR)约束下,运用连续凸逼近(sequential convex approximation, SCA)算法求得每个AP的功率控制系数,实现能量效率(energy efficiency, EE)最优化.为减少不必要的服务AP数量,降低系统总消耗功率,本文提出基于注水(water-filling)算法的接入点选择方案.通过仿真表明,本文所提的功率分配算法相比最大最小(max-min)功率控制算法可以显著提升能量效率,基于多流接收空间调制的下行链路传输模式,其能量效率性能优于传统的空分复用MIMO数字调制模式.此外,基于AP选择方案的连续凸逼近算法相比无AP选择方案的功率控制算法,能够进一步增强能量效率.
关键词 去蜂窝; 多流接收空间调制; 连续凸逼近; 能量效率; 接入点选择; cell-free; MSR-SM; sequential convex approximation; energy efficiency; AP selection;

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar

超宽角域广义布儒斯特超表面

Ultrawide-angle generalized Brewster metasurface

吕奇皓, 金城, 田步宁, 张彬超, 张鹏宇
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 128-145
摘要 针对传统超表面存在大角度电磁性能恶化问题,提出了广义布儒斯特波阻抗匹配理论,实现超表面电磁性能的超宽角域稳定性.首先针对超宽角域透波问题,将超表面本征参数由各向同性标量推广至各向异性张量,建立包含入射角变量的各向异性超表面特性阻抗模型,推导了全角域透波的广义布儒斯特波阻抗匹配条件,将单一角度下的传统布儒斯特理论推广至整个角域.接着,针对电磁吸波问题,进一步将本征参数张量从实数域推广至复数域,建立了吸波超表面的复反射系数的角域模型,推导实现双极化超宽角域吸波的广义布儒斯特复波阻抗匹配条件,将广义布儒斯特波阻抗匹配理论由超宽角域透波推广至超宽角域吸波.最后,根据该理论分别研制了超宽角域透波和吸波超表面,仿真和实验均证明了它们在0?～80?超宽角域内的透波性能和在0?～75?超宽角域内的吸波性能.
关键词 超表面; 超宽角域; 斜入射; 广义布儒斯特理论; 本征参数张量; metasurface; ultrawide-angle; oblique incidence; generalized Brewster theory; constitutive parameter tensors;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar

基于多域判别核典型相关分析的辐射源指纹特征融合方法

Radio frequency fingerprinting feature fusion based on multi-domain discriminant kernel canonical correlation analysis

孙丽婷, 王翔, 黄知涛
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 146-163
摘要 辐射源个体识别(specific emitter identification, SEI)是指通过提取信号中蕴含的有关其发射来源的硬件指纹信息,来实现对特定信号辐射源的精确识别. SEI技术的关键在于指纹特征的提取.相关研究大多侧重于定义和提取新的指纹特征,较少关注对已有特征的综合利用问题.鉴于不同分析域的特征对辐射源指纹的描述存在互补性,本文提出一种基于多域判別核典型相关分析(multi-domain discriminant kernel canonical correlation analysis, MDKCCA)的辐射源指纹多域特征融合方法,充分利用特征的标签信息以及特征间的互补性,在高维空间完成多域特征的降维与融合.以4个特征分析域8种常见指纹特征为依托,在4种不同类型的实测数据集上验证了算法的性能.结果证明,该方法无需人工特征寻优环节,可大幅降低融合特征的维度,对4类目标的准确识别率均达到95%以上,优于最优单一特征,同时优于基于直接级联或基于PCA (principal component analysis)降维变换的简单特征综合方法、基于神经网络的特征综合方法,以及基于判别相关分析(discriminant canonical correlation,DCA)等方法的特征融合方法.
关键词 辐射源个体识别; 特征融合; 多域辐射源指纹特征; 典型相关分析; 特征提取; specific emitter identification(SEI); feature fusion; multi-domain radio frequency fingerprint feature; canonical correlation analysis(CCA); feature extraction;

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar

基于忆阻器的RBM及其在车牌图像处理中的应用

A memristor-based RBM circuit implementation and application in license plate image processing

徐聪, 王春华, 孙晶茹
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 164-177
摘要 车牌识别在智能交通和公共安全领域具有十分重要的意义.由于拍摄环境、拍摄设备等因素的影响,获取的车牌图像分辨率较低、图像模糊,影响了车牌识别的准确率.图像超分辨率和图像去噪技术可以改善图像质量,提高车牌图像的识别率.本文提出了基于忆阻器的受限玻尔兹曼机(restricted Boltzmann machine, RBM)的全电路设计,并将其应用于车牌图像处理.忆阻RBM电路主要包含3个模块:隐单元生成模块、可见单元重构模块和隐单元再生模块.忆阻电路采用片上训练方式,提高了网络的训练效率,实现了实时的在线学习.最后,将基于忆阻器的RBM应用于车牌图像超分辨率和图像去噪,通过计算图像的结构相似性(structural similarity, SSIM)和峰值信噪比(peak signal to noise ratio, PSNR),并与传统的图像处理方法进行对比分析,验证了所提出的基于忆阻器的RBM在图像处理中的有效性和优越性.
关键词 忆阻器; 神经网络; 车牌图像处理; 受限玻尔兹曼机; 电路设计; memristor; neural network; license plate image processing; restricted Boltzmann machine; circuit design;

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar

忆阻器混合逻辑电路设计及其应用

Design and application of memristor hybrid logic circuit

代广珍, 赵振宇, 宋兴文, 韩名君, 倪天明
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 178-190
摘要 为解决传统集成电路面积大、功耗高等问题,采用纳米级忆阻器设计实现了数字逻辑电路中的加法器和乘法器.基于忆阻器MRL结构设计的OR门和AND门,设计了2T-4M结构的XOR和XNOR逻辑门.运用这些逻辑门与CMOS管混合实现了全加器,其中CMOS反相器增强了信号驱动.改进2T-4M结构实现了一种新型2T-4M逻辑模块,并基于此模块设计了2位二进制乘法器. LTspice仿真验证了电路设计的正确性.与已报道的MRL结构全加器和2位二进制乘法器进行比较发现全加器使用的元器件数量明显减少,延迟时间最少提高了53.3%,功耗最小降低了1.93 m W; 2位二进制乘法器的设计在元器件总体使用数量上也有一定的优势,总共只需要18个元器件.最后,利用全加器构成加密阵列电路,对图像进行了加解密操作,验证了电路在实际应用中的可行性.
关键词 忆阻器; CMOS; 全加器; 乘法器; 图像加密; memristor; CMOS; full adder; multiplier; image encryption;

通信 无线通信 进展 Website Google Scholar

面向6G的太赫兹光纤一体融合通信系统: 架构、关键技术与验证

6G-oriented ultra-wideband fiber-THz-fiber seamless converged communication system: architecture, key techniques and verification

朱敏, 张教, 华炳昌, 雷明政, 蔡沅成, 田亮, 王东明, 许威, 张川, 黄永明, 余建军, 尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 191-210
摘要 太赫兹通信被普遍认为是未来6G移动通信系统的核心组成部分.通过对国内外太赫兹无线通信系统中太赫兹上变频与下变频主要技术路线进行分析与对比,本文提出了一种超宽带太赫兹光纤一体融合实时系统新型架构,借助于商业成熟的数字相干光模块(digital coherent optics, DCO),解决超高容量6G太赫兹实时无线通信难题.该架构系统性融合双偏振光子上变频太赫兹产生和光电混合下变频太赫兹接收技术,解决“光纤–太赫兹–光纤”无缝融合的应用难题.考虑到光电器件带宽受限,利用超宽带太赫兹信号多维调制技术,提升频谱效率和传输容量.针对复杂时变的太赫兹光纤混合信道,提出基于深度神经网络(deep neural network, DNN)的智能非线性联合补偿技术,有效解决太赫兹光纤混合信道信噪比受限问题.基于上述架构和关键技术,完成了世界上首个360～430 GHz光子太赫兹100/200 GbE实时无线传输通信实验,创造了目前世界上太赫兹无线通信的最高实时传输纪录,通信速率较5G提升10～20倍.本文提出的技术方案可实现与高速光纤网络的无缝融合,在太赫兹与光信号之间平滑转换,且能够充分复用商用化DCO,兼容IEEE 802.3和ITU-T G.798物理层传输协议,显著降低研发技术门槛和成本,大大加速6G太赫兹技术商用化进程.本文还从大容量、长距离和集成化等方面,对太赫兹光纤一体融合通信系统的未来发展方向及关键技术进行展望.
关键词 6G; 太赫兹无线通信; 光纤通信; 一体融合; 实时通信; 6G; THz wireless communication; optical fiber communication; seamless converged architecture; real-time communication;

第2期 封面 目录

计算机 高性能计算 评述 Website Google Scholar

图计算在ATPG中的应用探究

Research on the application of graph processing in ATPG

毛伏兵, 彭达, 张宇, 廖小飞, 姜新宇, 杨赟, 金海, 赵进, 刘海坤, 王柳峥
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 211-233
摘要 ATPG (automatic test pattern generation)是VLSI (very large scale integration circuits)电路测试中非常重要的技术,它的好坏直接影响测试成本与开销.然而现有的并行ATPG方法普遍存在负载不均衡、并行策略单一、存储开销大和数据局部性差等问题.由于图计算的高并行度和高扩展性等优点,快速、高效、低存储开销和高可扩展性的图计算系统可能是有效支持ATPG的重要工具,这将对减少测试成本显得尤为重要.本文将对图计算在组合ATPG中的应用进行探究;介绍图计算模型将ATPG算法转化为图算法的方法;分析现有图计算系统应用于ATPG面临的挑战;提出面向ATPG的单机图计算系统,并从基于传统架构的优化、新兴硬件的加速和基于新兴存储器件的优化几个方面,对图计算系统支持ATPG所面临的挑战和未来研究方向进行了讨论.
关键词 图计算; 超大规模集成电路; 自动测试向量生成; 电子设计自动化; 电路测试; graph processing; VLSI; ATPG; electronic design automation; circuit test;

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar

基于学习连续时间事件序列的动态网络链路预测

Dynamic network link prediction based on learning continuous time events

韩忠明, 王宇航, 陈福宇, 杨伟杰, 毛雅俊
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 234-249
摘要 动态网络链路预测是目前复杂网络的热点研究方向,网络表示学习可以有效学习到节点的相似性,从而为链路预测提供基础.现有的动态网络表示学习方法大多先将动态网络进行离散窗口化,然后在静态网络快照图上建模,这样很难有效处理具有细粒度时间特性的动态网络.本文提出了一种可以学习动态网络中复杂的时间特性的链路预测模型,该模型使用连续时间事件序列表示动态网络,对网络中的连续时间信息和结构演化特征进行学习,并提出了基于时间注意力的信息传递机制来模拟网络中信息的扩散与聚合,最后将链路预测转化为分类问题.实验在4个真实动态网络数据集以及模拟网络上进行,并以ap和auc作为评价指标.真实网络实验结果证明该模型能够较好地学习网络演化的连续性,得到更有效的节点表示,从而提升了链路预测效果.模拟网络的实验结果表明链路预测的效果和网络模型相关,但本文模型仍可以获得较好的预测效果.
关键词 链路预测; 连续时间; 动态网络; 表示学习; 复杂网络; link prediction; continuous time; dynamic network; representation learning; complex network;

计算机 生物信息 论文 Website Google Scholar

基于单细胞数据的癌症协同驱动模块识别方法

Cooperative driver module identification based on single cell data

陈希, 王峻, 余国先, 崔立真, 郭茂祖
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 250-265
摘要 从大规模生物组学数据中准确识别导致癌症发生的协同驱动模块是生物信息学研究领域重大课题之一.现有研究方法通常只基于批量组学数据进行识别,忽视了细胞水平上的癌症异质性,易受噪声影响.针对上述问题,本文提出了一种基于单细胞数据和先验知识指导的协同驱动模块识别方法CDMFinder.该方法首先利用基因在不同亚型及正常细胞表达数据间存在的特异性共表达信息,融合基因交互网络,优化形成分子功能关联网络,在深入挖掘基因间功能关联的同时有效降低网络复杂度;再基于重叠马尔可夫(Markov)聚类从该网络中挖掘功能簇,并提出基于融合权重和贪心策略的驱动模块识别方法,从功能簇中获得驱动模块集合;最后,融合功能交互网络与突变共现定义模块距离函数,识别获取协同驱动模块. CDMFinder充分融合评估了表达、突变、差异分析等多种因素,展现了优良的识别性能.在乳腺癌和胶质母细胞瘤多组学数据上的实验结果表明,本文方法能够识别出超过对比方法 1.35倍的驱动基因,识别到的协同驱动模块在功能/通路水平富集度上超过现有算法1.5倍.
关键词 单细胞数据; 协同驱动模块; 分子功能关联网络; 马尔可夫聚类; 多组学数据融合; single-cell data; cooperative driver module; molecular functional association network; Markov clustering; multi-omics data fusion;

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar

国密SM2加密算法的RCCA安全设计

RCCA-secure public-key encryption based on SM2

陈荣茂, 王毅, 黄欣沂
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 266-281
摘要 国密SM2密码算法已经成为保障我国网络信息系统安全自主可控的关键技术.然而近期研究发现, SM2加密算法在实际部署应用时面临高效的算法替换攻击.该种攻击可以从当前的密文预测下一次加密所使用的随机数,从而可以在不知道解密密钥的情况下成功解密后续密文.密码逆向防火墙技术已被证实可以有效抵抗该种攻击,但其要求密文具有可重随机性,与SM2加密算法本身所具备的CCA (chosen-ciphertext attack)安全性相冲突.针对该问题,本文改进SM2加密算法,构造了具有RCCA (可重放CCA)安全性的公钥加密方案.该方案具有与SM2加密算法近似的安全性,且同时支持密文重随机操作,因此可以有效兼容密码逆向防火墙.方案的设计遵循Phan等提出的OAEP三轮构造范式,结合SM2加密算法进行改进,并在随机预言机模型下给出了严谨的安全证明.本文提出了首个基于国密算法的可重随机RCCA公钥加密方案,研究结果有助于提升SM2密码算法在实际应用中的安全性.
关键词 SM2; 加密算法; RCCA; 可重随机性; 密码逆向防火墙; SM2; encryption; RCCA; rerandomizability; cryptographic reverse firewall;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

三维时频变换视角的智能微观三维形貌重建方法

Intelligent microscopic 3D shape reconstruction method based on 3D time-frequency transformation

闫涛, 钱宇华, 李飞江, 闫泓任, 王婕婷, 梁吉业, 郑珂银, 吴鹏, 陈路, 胡治国, 乔志伟, 张江峰, 翟小鹏
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 282-308
摘要 基于图像聚焦信息的三维形貌重建方法通常对微观物体的景深图像序列采用统一的聚焦评价标准,这类重建方法往往会忽视图像序列之间的联系,难以修正图像纹理稀疏或低对比度导致的连续帧深度误差.鉴于三维数据特有的多维度信息关联特性,本文将微观物体的不同景深图像序列视为三维数据,在重建过程中引入全部图像序列之间的关联关系,从三维数据时频变换的视角构造了以多视角分析、稳定性聚类、选择性融合逻辑耦合的微观三维形貌重建框架.首先从理论上分析三维数据相较于传统二维图像处理重建问题的优势,通过构造三维时频变换实现三维数据到不同尺度、区域和方向深度图像之间的映射;然后从增强深度图像特征的角度构建基于多模态纹理特征的局部稳定性聚类算法,实现同质性较好深度图像的自适应选择;最后提出选择性深度图像融合的策略,通过构造层筛过滤平衡树对滤除离散噪声后的多层深度图像进行融合,实现微观物体高精度的三维形貌重建.模拟数据与真实场景数据均验证了本文方法的有效性.三维时频变换视角的智能微观三维重建方法为基于图像聚焦信息的三维形貌重建提供一个崭新的研究视角,在精密制造、亚微米级工业测量等领域具有重要的理论意义和应用价值.
关键词 三维重建; 无监督学习; 稳定性聚类; 深度图像; 时频变换; 3D shape reconstruction; unsupervised learning; locally stable clustering; depth image; time-frequency transformation;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

基于雾扰动的图像分类对抗性攻击方法

Adversarial attack method against image classification based on haze perturbation

高瑞均, 郭青, 余洪凯, 冯伟
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 309-324
摘要 对抗性攻击是研究深度神经网络脆弱性的前沿技术.然而现有工作大多关注基于加性噪声扰动的攻击,无法代表现实世界中的扰动因素,阻碍了对抗性攻击的实际应用.雾作为现实世界中广泛存在的自然现象,对图像造成显著影响,不可避免地对深度模型构成潜在威胁.本文首次尝试从对抗性攻击的角度研究雾对深度神经网络的影响,并提出两种基于雾扰动的对抗性攻击方法:基于优化的雾扰动对抗性攻击OAdvHaze,在深度神经网络的指引下优化大气散射模型参数,以合成有雾图像,该方法具有较高的攻击成功率.预测式雾扰动对抗性攻击PAdvHaze,采用深度神经网络直接预测雾合成参数,提高了对抗性攻击的速度.本文在ILSVRC 2012和NIPS 2017两个公开数据集上验证了所提出方法的有效性, OAdvHaze和PAdvHaze取得了与最先进攻击方法相当的攻击成功率和可迁移性.该工作将有助于评估和提高深度神经网络对现实世界中潜在雾扰动的鲁棒性.
关键词 对抗性攻击; 图像分类; 雾合成; 深度学习; 图像处理; adversarial attack; image classification; haze synthesis; deep learning; image processing;

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar

网络攻击下产品与供应链协同演进系统数据驱动变更控制设计

Data-driven change control design for product and supply chain synchronous evolution systems under cyber-attacks

李庆奎, 高雪峰, 彭晨, 张蕴隆, 易军凯
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 325-343
摘要 产品与供应链协同演进系统(product and supply chain synchronous evolution system, PSCSE)是一类复杂的分布式信息物理系统(cyber-physical system, CPS),含有大量的未建模动态与不确定性.剧烈的需求波动及突发的网络事件,使系统结构参数极易发生变化.产品设计变更是维持PSCSES稳定、满足用户需求及保证经济效益的重要手段.本文研究基于分布式CPS的PSCSES在受到DoS攻击下的应急变更控制问题.首先,针对PSCSES在网络攻击下数据包丢失问题,利用每条子链的历史数据设计基于循环神经网络(recurrent neural network, RNN)的预测器以弥补因网络攻击造成的库存数据丢失;其次,利用博弈论思想将H∞一致性控制问题转化为多人零和图博弈问题,提出一种应急变更补偿机制;进而基于Q-learning的策略迭代技术设计了模型未知的控制器求解算法,实现了系统的库存状态H∞一致性.最后,仿真实验验证了所提方法的有效性.
关键词 网络攻击; 数据驱动; 供应链; 变更控制设计; 多智能体; cyber-attacks; data-driven; supply chain; change control design; multi-agent;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar

6G无线内生安全理念与构想

Concept and vision of 6G wireless endogenous safety and security

金梁, 楼洋明, 孙小丽, 钟州, 许晓明, 易鸣, 黄开枝, 季新生, 邬江兴
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 344-364
摘要 6G开放融合、异构共存、智能互联的网络特点将引发更多未知复杂安全威胁,目前安全滞后于通信发展的格局必然难以应对, 6G时代必须打破思维定势,催生真正具有代际效应的标志性技术.内生安全从无线网络内源性缺陷产生的共性和本源安全问题出发,通过结构导向的解决方法,具有抵御未知安全威胁的能力和通信/安全/服务内源性融合的能力.本文对6G无线网络内生安全问题、理念进行了探讨,并提出内生安全在6G超高速宽带通信、超大连接超低时延、天地一体化全域覆盖等典型场景中的应用构想,给出了若干潜在关键技术和解决方案.
关键词 6G安全; 内生安全; 通信/安全/服务一体化; 无线内生安全; 移动边缘内生安全计算; 物理层链式密钥; 6G security; endogenous safety and security; communication/security/service integration; wireless endogenous safety and security; mobile endogenous security by edge computing; physcical layer offered chain key;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

下行NOMA-HetNet中联合干扰对齐与功率分配的干扰管理方案

Joint interference alignment and power allocation interference management scheme for downlink NOMA-HetNet

景小荣, 陈怡西, 高维, 陈前斌
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 365-386
摘要 在基于马特恩簇过程的下行非正交多址接入型异构网(non-orthogonal multiple access heterogeneous network, NOMA-HetNet)中,针对典型宏小区中不同干扰类型,提出一种联合干扰对齐(interference alignment, IA)与功率分配(power allocation, PA)的干扰管理方案.在该方案中,在分析IA可行性的基础上,通过设计基于干扰信道对齐的两阶段式IA算法、微基站(small base station, SBS)预编码矢量和宏用户(macro user, MUE)检测矢量,来分别消除宏基站(macro base station, MBS)对微用户(small user, SUE)的层间干扰、SBS对SUE的簇间干扰和SBS对MUE的层间干扰.同时,为抑制簇内干扰,以最大化系统和速率为目标,构建一基于PA的非凸优化问题,并通过对非线性最小速率约束条件线性化处理,将原问题转化为凸优化问题,进而利用卡罗需–库恩–塔克(Karush-Kuhn-Tucker)最优性条件,从理论上推导出该问题的最优闭式解.仿真结果验证了所提干扰管理方案的有效性.
关键词 非正交多址接入型异构网; 干扰管理; 干扰对齐; 功率分配; 凸优化; NOMA-HetNet; interference management; interference alignment(IA); power allocation(PA); convex optimization;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar

基于星间协作的低轨卫星物联网鲁棒预编码设计

Robust precoding design for inter-satellite cooperation-based low-earth orbit satellite Internet of Things

褚建杭, 陈晓明
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 387-401
摘要 随着物联网的广泛应用,地面物联网已经难以满足海量广域分布设备的接入需求,亟需研究低地球轨道(low-earth orbit, LEO)卫星物联网(satellite Internet of Things, SIoT). LEO-SIoT网络为了实现全球无缝覆盖,会使用几十颗甚至上千颗低轨卫星组成一个卫星星座,但这也造成了严重的星间干扰.本文提出一种结合非正交多址接入(non-orthogonal multiple acces, NOMA)和多波束预编码技术的LEO-SIoT网络,可以支持海量设备接入并抑制波束间和卫星间干扰.然而,卫星获取的信道状态信息(channel state information, CSI)具有信道误差,导致传统的预编码方法无法起到抑制干扰的作用.因此,本文首先以低轨卫星物联网的总功耗为目标函数,并以物联网设备所需速率阈值的中断概率为约束建立星间联合鲁棒预编码优化问题;其次,利用二阶泰勒展开、伯恩斯坦不等式(Bernstein-type inequality, BTI)和惩罚函数等数学方法将原问题转化为近似等效的二阶锥规划(second-order cone program, SOCP)问题;最后,本文提出了一种鲁棒预编码算法来解决SOCP问题.大量仿真结果证明了该算法的有效性和鲁棒性.
关键词 低轨卫星物联网; 鲁棒预编码; 非正交多址接入; 星间协作; LEO satellite IoT; robust precoding; non-orthogonal multiple access; inter-satellite cooperation;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

基于低管秩张量分解的互质阵列自适应波束成形算法

Coprime array-adaptive beamforming based on low-tubal-rank tensor decomposition

程耘, 刘天鹏, 师俊朋, 苏晓龙, 刘振
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 402-416
摘要 互质阵列因其大阵列孔径和高自由度特性在波束成形领域受到广泛关注.为了充分利用该特性,近年来学者们提出了基于孔洞填充的算法,有效提高了互质阵列波束成形的性能.然而,这些算法存在计算量大、噪声鲁棒性弱等缺点,难以适应复杂多变的实际环境.为此,本文利用张量的多维结构在参数估计上的性能优势,提出了一种基于低管秩张量分解的互质阵列自适应波束成形算法.首先将互质阵列的多采样虚拟信号矩阵重排为张量形式,利用其低管秩特性补全缺失的互相关信息;然后从补全后的张量数据中提取信号参数,并与目标先验进行匹配,最终得到波束成形权矢量.本算法分别利用ADMM和Tucker分解提高了张量补全和分解的运算效率;所设计的目标匹配方案也有效控制了算法误差.仿真结果展示了本算法在性能和计算复杂度相对于现有方法的优势,尤其是在低信噪比和少采样数的情况下.
关键词 自适应波束成形; 互质阵列; 张量分解; 自由度; 参数估计; adaptive beamforming; coprime array; tensor decomposition; degree-of-freedom; parameter estimation;

第3期 封面 目录

计算机 图形图像 评述 Website Google Scholar

仿视网膜传感器视觉重建算法研究综述

Review of visual reconstruction methods of retina-like vision sensors

朱林, 田永鸿
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 417-436
摘要 视网膜启发的传感器(又称仿视网膜传感器)是近年来新兴的视觉传感器,其通过对场景光强信息进行连续采样,输出高时间分辨率的异步脉冲信号.本文将围绕基于仿视网膜传感器的采样原理进行总结,包括空间对比度传感器、时间对比度传感器、时域积分传感器,以及其他具有附加采样电路的仿视网膜传感器.相对于传统相机,仿视网膜传感器具有高动态范围、高时域分辨率的特征.但是,以1和0 (或-1)形式存储的脉冲信号难以与传统视觉信号兼容.如果把仿视网膜采样看作场景光强的紧凑编码过程,那么视觉信息重建即为视觉信息的解码过程.因此,视觉信息重建可以成为一个连接仿视网膜传感器与传统视觉的桥梁.近年来,出现了一些利用异步脉冲信号进行图像重构的算法,通过对脉冲信号进行一系列处理,可以重构出高时域分辨率的图片.本文综述了仿视网膜传感器的采样原理及分类,总结了目前基于事件相机和脉冲相机的视觉信息重建方法.同时,探讨和展望了仿视网膜采样和视觉信息重建的机遇和挑战,以及可能的发展方向.
关键词 仿视网膜传感器; 仿视网膜采样机制; 神经形态相机; 图像重构; 光流估计; 深度估计; retina-like vision sensor; retina-like visual sampling; neuromorphic camera; image reconstruction; optical flow estimation; depth estimation;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar

基于进化策略的自适应联邦学习算法

Adaptive federated learning algorithm based on evolution strategies

公茂果, 高原, 王炯乾, 张元侨, 王善峰, 谢飞
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 437-453
摘要 联邦学习是一种多设备参与的,保护数据隐私的深度学习技术.它能够在私有数据不出本地的同时训练全局共享模型.然而,在复杂的物联网环境中,联邦学习面临着统计异构性和系统异构性的挑战.不同的本地数据分布和高额的通信计算成本,使得过参数化的模型不适合在物联网应用中直接部署.同时,非独立同分布的数据也使采用参数平均聚合的联邦学习更加难以收敛.联邦学习场景下的研究难点在于,如何根据私有数据为每个客户端建立个性化的轻量级模型的同时,把这些模型汇总成为联合模型.为了解决这一问题,本文提出了一种基于进化策略的自适应联邦学习算法.该方法将模型结构进行编码,把每个参与者视作进化策略中的个体,通过全局优化来为每个客户端自适应地生成不同的个性化子模型.客户端根据网络单元重要性和编码在服务器端超网中抽取相应的子网来进行本地更新,而这种网络局部更新的方法天然契合dropout的思想.在真实数据集上进行的大量实验证明,本文提出的框架相比于经典的联邦学习方法,模型性能得到了显著改善.在客户端数据非独立同分布的情况下,该算法在有效降低了客户端在通信带宽和计算力受限条件下参与联邦学习门槛的同时,提高了全局模型的泛化能力.
关键词 联邦学习; 进化策略; 模型编码; 网络剪枝; 本地个性化; federated learning; evolution strategy; model encoding; network pruning; local customization;

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar

身份基加密机制的挑战后泄露容忍性

After-the-fact leakage resilience in identity-based encryption

周彦伟, 王兆隆, 乔子芮, 杨波, 顾纯祥, 夏喆, 张明武
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 454-469
摘要 现有的多数抗泄露加密机制的研究均假设敌手的泄露是来自收到挑战密文之前,并禁止敌手在挑战后进行泄露操作.然而,在现实中敌手往往是接触到密文数据后会通过各种手段获取相应密钥的泄露信息,因此挑战后的泄露容忍性更符合实际环境的真实应用需求.针对上述不足,本文将对身份基加密(identity-based encryption, IBE)机制的挑战后泄露容忍性展开研究,提出IBE机制熵泄露容忍性的属性要求和安全性定义;并在状态分离模型中联合熵泄露容忍的IBE机制和二源提取器设计抗挑战后泄露攻击的IBE机制,对上述构造在选择明文攻击下的安全性进行了形式化证明.此外,为了获得具有更优安全性的IBE机制,在上述构造的基础上,通过增加消息验证码设计选择密文攻击安全的挑战后泄露容忍的IBE机制.
关键词 挑战后泄露容忍性; 身份基哈希证明系统; 身份基加密机制; 熵泄露容忍性; after-the-fact leakage resilience; identity-based hash proof system; identity-based encryption; entropic leakage resilience;

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar

面向联邦学习的对抗样本投毒攻击

Adversarial examples for poisoning attacks against federated learning

王波, 代晓蕊, 王伟, 于菲, 魏飞, 赵梦楠
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 470-484
摘要 为了解决传统的机器学习中数据隐私和数据孤岛问题,联邦学习技术应运而生.现有的联邦学习方法采用多个不共享私有数据的参与方联合训练得到了更优的全局模型.然而研究表明,联邦学习仍然存在很多安全问题.典型地,如在训练阶段受到恶意参与方的攻击,导致联邦学习全局模型失效和参与方隐私泄露.本文通过研究对抗样本在训练阶段对联邦学习系统进行投毒攻击的有效性,以发现联邦学习系统的潜在安全问题.尽管对抗样本常用于在测试阶段对机器学习模型进行攻击,但本文中,恶意参与方将对抗样本用于本地模型训练,旨在使得本地模型学习混乱的样本分类特征,从而生成恶意的本地模型参数.为了让恶意参与方主导联邦学习训练过程,本文进一步使用了“学习率放大”的策略.实验表明,相比于Fed-Deepconfuse攻击方法,本文的攻击在CIFAR10数据集和MNIST数据集上均获得了更优的攻击性能.
关键词 联邦学习; 对抗样本; 投毒攻击; federated learning; adversarial example; poisoning attack;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

基于姿态与双流神经架构搜索的行人动作识别

Pose-guided pedestrian action recognition with two-stream neural architecture searching

龚申健, 张姗姗, 郭煜, 杨健, 陶冶
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 485-499
摘要 行人是城市交通场景下的弱势群体,为了避免碰撞,有必要准确地预测他们的动作行为.为此,本文首次提出城市交通场景中行人动作识别这一问题并提出了有针对性的解决方案.首先,我们创建了一个新的行人动作识别数据集(PARD)作为实验的数据基础,并给出了一个有效的基准模型MFVGG,该模型能够以较低的计算成本达到与之前先进人体动作识别方法相当的性能.为了更针对性地解决问题,本文在两个方面对基准模型进行了改进.首先,利用姿态先验来丰富特征表示,构造双流网络融合双分支编码特征.其次,本文引入双流神经架构搜索得到对于这项任务的最优层级网络架构.实验表明,提出的方法的性能超过了一般人体动作识别相关的先进算法.数据集以及代码公布在https://github.com/Yankeegsj/PARD.
关键词 深度学习; 计算机视觉; 动作识别; 网络架构搜索; 姿态估计; deep learning; computer vision; action recognition; neural architecture search; pose estimation;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

基于Transformer的高光谱图像超分辨率重建

Deep hyperspectral image super-resolution with transformers

王龙光, 郭裕兰, 林再平, 王应谦, 安玮
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 500-516
摘要 高光谱图像超分辨率重建旨在融合高分辨率多光谱图像与低分辨率高光谱图像以得到高分辨率高光谱图像.如何实现二者中空域信息和谱域信息的有效融合是高光谱图像超分辨率重建的关键.受高光谱图像的端元表示模型启发,本文在神经网络中显式地对端元进行建模,并利用其作为纽带实现空域信息和谱域信息的融合.具体来说,本文提出了一个基于Transformer的高光谱图像超分辨率重建网络,利用Transformer结构从低分辨率高光谱图像提取端元信息,并将端元信息融合到高分辨率多光谱图像中,进而完成高分辨率高光谱图像的重建.实验结果表明, Transformer结构的全局感受野增强了网络的长程建模能力,提高了端元提取精度,进而提升了超分辨率重建性能.与已有方法相比,本文所提方法在室内/遥感高光谱数据集上均取得了更优的性能.
关键词 高光谱图像; 图像超分辨率重建; 图像融合; Transformer网络; 端元特征; hyperspectral image; image super-resolution; image fusion; transformer network; endmember feature;

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar

基于边云协同的建筑能源系统分布式供需协同优化

Edge-cloud framework-based distributed optimization of a building energy system with supply-demand coordination

徐占伯, 周春翔, 吴江, 刘坤, 管晓宏
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 517-534
摘要 建筑能源系统能耗总量巨大且用能弹性高,具有很大的节能优化潜力,其提效节能被认为是降低能源电力系统终端碳排放、实现“2030碳达峰、2060碳中和”国家战略目标的重要途径之一.然而,建筑能源系统节能优化面临人员行为与系统能耗交互影响、多种能源介质时空多尺度耦合与供需能量平衡等建模挑战,以及系统决策空间随建筑规模指数增长的维数灾计算复杂性挑战.针对上述挑战,本文从信息物理融合的角度出发,提出了基于节点–流量模型的建筑能源系统分布式优化模型,刻画了电、气、热等能源物理网络与信息网络的交互影响,实现了局部数据采集和计算的一体化结构设计,支撑边云协同计算体系.进而,设计了基于边云协同的分布式迭代优化算法,证明了算法的收敛性,可实现建筑能源系统供需协同优化,并大大降低了对全局信息的依赖性和通信需求.本文以6种不同规模下实际建筑系统的数值测试结果,验证了所提方法的性能和有效性,特别在大规模建筑能源系统上具有良好的应用前景.
关键词 建筑能源系统; 信息物理融合系统; 边云协同计算; 供需协同优化; 系统优化; building energy system; cyber-physical system; edge-cloud computing; supply-demand coordination; system optimization;

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar

具有高阶时延的离散非仿射非线性系统的自适应跟踪控制

Adaptive tracking control of discrete-time non-affine nonlinear systems with high-order time delays

张言军
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 535-549
摘要 本文研究了一类具有高阶输入–输出时延的非仿射非线性离散不确定系统的自适应输出跟踪控制问题,提出了一种基于隐函数的自适应输出反馈输出跟踪控制方案.该方案主要解决了两个技术问题:一是构造了基于未知参数估计和未来时刻信号估计的隐函数方程解的自适应控制律,解决了因系统高阶时延导致的控制律因果矛盾问题并实现了闭环稳定和渐近输出跟踪;二是针对非仿射非线性控制律难求解问题,提出了基于迭代解的解析自适应控制律,实现了闭环稳定和实用输出跟踪.最后仿真研究证实了所提出控制方案的有效性.
关键词 自适应控制; 非仿射非线性; 闭环稳定; 输出跟踪; adaptive control; non-affine nonlinearity; closed-loop stability; output tracking;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar

人工噪声掩护下跳频安全通信

Artificial noise shielded frequency hopping secure communication

宋长庆, 张译丹, 赵宏志, 邵士海
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 550-565
摘要 为了对抗电磁干扰与敌方窃听,提出了人工噪声掩护下的跳频通信架构.其中,人工噪声对消是提升系统安全的关键步骤,但实际接收节点处的时间同步误差会降低人工噪声对消效果与系统保密性能.鉴于此,分析了同步误差下人工噪声对消后的残余人工噪声成分和系统保密性能,并提出了具有同步误差鲁棒性的人工噪声最优功率分配方法.理论分析和仿真结果表明,时间同步误差会在人工噪声对消时引入符号间干扰与跳间干扰,进而降低系统的保密性能.此外,当接收节点可以实现完美时间同步时,人工噪声与通信信号应等功率发射.随着时间同步误差的增加,人工噪声与通信信号的功率比应当逐渐减小,以降低时间同步误差引起的保密性能损失.
关键词 人工噪声; 跳频; 时间同步误差; 噪声对消; 功率分配; artificial noise; frequency hopping; time synchronization error; noise cancellation; power allocation;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

涡旋电磁波轨道角动量传输的量子电动力学分析

Quantum electro-dynamics analysis of vortex electro-magnetic wave transmission with orbital angular momentum

张超, 王元赫
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 566-584
摘要 随着可用频率等无线传输资源逐渐消耗殆尽,基于电磁波轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)新维度的数据传输成为未来无线通信系统潜在核心关键技术.具有OAM的电磁波被称为涡旋电磁波,具体可分为通过回旋电子辐射生成的涡旋电磁波量子,以及由不同相位的电磁波量子叠加生成的统计态涡旋波束.然而,由于统计态涡旋波束被认为是基于多天线的多输入多输出(multipleinput multiple-output, MIMO)系统的一种在直射信道环境下波束成形的特例,从而对电磁波OAM传输是否具有新维度产生争论.特别是从微观层面到宏观层面,目前缺少相应理论文献和分析方法予以澄清.为解决这个问题,本文提出了一种基于量子电动力学(quantum electro-dynamics, QED)的轨道角动量分析方法,结合统计物理学概念,对涡旋电磁波轨道角动量传输过程进行分析,明确了量子态和统计态的区别.本文的主要创新点包括:(1)提出了一种结合统计物理学的量子电动力学分析方法,建立了电磁波微观状态与宏观状态的桥梁;(2)采用所提方法,对统计态OAM涡旋波束进行了全面分析,并与量子态OAM涡旋电磁波量子进行了充分对比;(3)针对涡旋电磁波物理新维度的质疑,明确了量子态OAM为无线传输系统提供新维度.本文分析指出:量子态OAM涡旋电磁波量子与统计态OAM涡旋波束关于轨道角动量定义的内涵是不同的,分别属于内禀和外部OAM,从而导致了统计态OAM涡旋波束的外部OAM与电场强度的空域紧耦合,这也是统计态OAM涡旋波束传输不会超过传统多天线MIMO传输最大容量界的根本原因;与之相比,量子态OAM则是在物理上完全独立于电场强度且与宏观空域解耦,可构成无线传输新维度.因此,含有内禀OAM的量子态OAM涡旋电磁波量子是开发电磁波新资源的发展方向,以其为核心关键技术的无线通信系统则是未来的发展趋势.
关键词 电磁波; 轨道角动量; 涡旋波束; 量子电动力学; 涡旋电磁波量子; 微波量子; 无线通信; MIMO; electro-magnetic wave; OAM; vortex beam; quantum electro-dynamics; vortex photon of EM wave; microwave photon; wireless communications; MIMO;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

联合数学规划策略和精细极化分解的极化SAR舰船目标检测

Integrating a mathematical programming strategy and fine polarimetric decomposition into PolSAR ship detection

邢世其, 全斯农, 范晖, 王威, 黄大通, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 585-605
摘要 由于人造目标具有方位多变和结构复杂等特点,设计具有强泛化、易分辨的特征来实现极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)目标精准检测是一个非常有挑战性的问题.受数学规划思想的启发,在基于物理模型的极化分解框架下,本文设计了一种散射贡献组合特征检测器用于检测极化SAR舰船目标.一方面,利用类差倒数变换和sigmoid函数变换,首先构造了一种旋转二面角散射模型,它能充分反映由方位变化所导致的同极化和交叉极化响应之间的快速转变.结合类偶极子混合散射模型,以及通过设计基于根的判别式的模型求解策略,随后提出了一种极化信息完全利用的八成分目标分解方法,它能够有效刻画舰船目标的局部结构散射并显著改善体散射过估问题.另一方面,通过分析舰船目标不同散射机理的分布显著特性,以及舰船目标相对海杂波的散射独有特性,利用线性及非线性运算等数学规划策略,首先设计了一种稳健的散射贡献组合器特征.随后将该特征与保护滤波器结合,进一步增强其分辨能力以实现最终的舰船目标检测.实验利用不同实测极化SAR数据对所提方法进行了定性和定量验证,结果表明该方法优于现有的其他舰船目标检测方法,检测品质因素最高可达0.96.
关键词 极化合成孔径雷达; 舰船目标检测; 数学规划策略; 精细极化分解; 散射贡献组合器; polarimetric synthetic aperture radar; ship detection; mathematical programming strategy; fine polarimetric decomposition; scattering contribution combiner;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

多极化层析SAR植被高度反演基线融合方法

Fusion method for vegetation height inversion with multibaseline PolInSAR data

邢成, 杨健, 殷君君, 张瞻婕
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 606-621
摘要 植被高度反演属于森林定量遥感,在森林测绘、资源评估和生态监测等领域发挥着重要作用.本文基于多极化层析SAR数据进行基线融合植被高度反演,将森林散射相干模型推广到高维空间,通过复数域到幅度–相位域的转化降低模型非线性度,并提出了基于相干分布方差的广义幅相距离,进而发展了多基线联合参数反演方法.本文通过实测P波段极化层析SAR数据对所提方法进行了验证,同时将其与单基线反演法、基线选择法和欧式距离融合法进行了对比分析.实验结果表明,本文所提方法的反演结果与激光雷达获取的高度图相比,相关性更强,均方根误差更低,显著提高了植被高度反演的精度和稳定性.
关键词 森林遥感; 极化层析SAR; 植被高度反演; 多基线融合; forest remote sensing; Pol-tomoSAR; vegetation height inversion; multi-baseline fusion;

通信 无线通信 刊讯 Website Google Scholar

智能6G频谱、覆盖与使能技术专题简介

许威, 黄永明, 王巍, 朱伏生, 季新生
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 622-622