自旋玻璃与消息传递算法Spin Glass and Message-Passing 概要
第二讲 自旋玻璃
非磁性杂质 2, LaCe合金中的Ce在常压下为磁性，但在高压下失去磁
性 3, CuNi合金中的Ni含量小于25％时,Ni原子不具有磁性
用Anderson模型来解释以上现象
何为准束缚态？ (VBS)
（定域电子与巡游电子杂 化，杂化越强则 越大）
在时间坐标上有序
比较：顺磁系统在空间和时间上都无序
自旋玻璃的发现（20世纪70年代）
磁化率尖峰温度 为自旋冻结温度
与反铁磁相变的区别
磁化率尖峰被直流磁场抹低 冻结温度随频率增加而上升
自旋玻璃为什麽会“冻结” ？
无序－磁杂质无序分布 受挫－不能让所有磁矩都处于能量有利的状态 铁磁相互作用与反铁磁相互作用的竞争
lim
N
<Si(t0)•Si(t0+t)>
，
取 i从1到N的平均值
自旋玻璃的种类
• RKKY型自旋玻璃（有巡游电子） • 非金合金自旋玻璃（巡游电子局域化） • 半导体自旋玻璃（基本上没有巡游电子）
类自旋玻璃行为和复杂体系
神经系统 计算机原理
思考题续：
10，叙述自旋冻结的物理机制。 11，为什麽零磁场冷却和磁场中冷却的磁化率－温度
杂质周围的电子云“晕” 和 Friedel振 荡
类似形 成驻波
磁性杂质周围的Friedel 振荡
极化电子云
RKKY相互作用
局域磁矩之间通过极化电子云产生间接交换相互作用
RKKY相互作用的特点
交换常数的符号随着两磁矩的距离而周期振荡； 相互作用能大小与两磁矩距离的3次方成反比
自旋玻璃：
一种新的磁矩系统有序状态 在空间坐标上无序，
石墨烯在室温下实现自旋过滤
石墨烯在室温下实现自旋过滤
佚名
【期刊名称】《石油化工应用》
【年(卷),期】2017(36)2
【摘要】据美国《IEEE光谱》杂志报道,美国海军实验室的科学家将一层石墨烯置于镍层和铁层之间,制造出了首个能在室温下过滤自旋的薄膜结点设备,最新研究将有助于下一代磁随机存储器（MRAM）的研制。
此次研究制造出的最新设备就是一个例证。
从本质上来说,新设备就像一种过滤器,
【总页数】1页(P92-92)
【关键词】过滤器;自旋;室温;石墨;磁随机存储器;美国海军;新设备;IEEE
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.85
【相关文献】
1.双层石墨烯中自旋过滤态和量子自旋霍尔效应 [J], 徐雷;张军
2.石墨烯中自旋过滤态和量子自旋霍尔效应 [J], 杨圆;李小兵;林季资
3.Nature：对石墨烯叠层材料施压可调控导电率,石墨烯基半导体有望实现室温应用 [J], 土豆儿;
4.石墨烯纳米带复合异质结中的自旋过滤效应 [J], 张向华;刘帅杰;田莉;张枭;陈凯杰
5.石墨烯在室温下实现自旋过滤 [J],
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高温超导体中的自旋玻璃态
高温超导体中的自旋玻璃态摘要：近年来，随着高温超导材料的发展，特别是在铜氧化物高温超导材料方面的研究进展，使得自旋玻璃态逐渐成为科学家研究的一个方向。
自旋玻璃是一种非晶态磁性材料，对它的研究具有极大的科学意义和不可估量的潜在应用价值，自旋玻璃的应用非常广泛，在绝大多数科研项目中都发挥了极其重要的作用，高温超导就是其应用之一。
该文从自旋玻璃态的一系列现象出发，研究分析了最近几年来科学家们对自旋玻璃态的研究成果。
关键词：自旋玻璃态高温超导体铜氧化物自旋玻璃系统不同于其他系统，它包含着自旋，但是自旋取向却是很复杂的，在自旋玻璃中存在着竞争，这种竞争发生在铁磁性和反铁磁性的磁矩之间，人们在研究合金的过程中发现了自旋玻璃现象，这就是自旋玻璃最初的起源，因此自旋玻璃原来是指一些金属或者合金，这些金属或者合金中含有大量局域磁矩，竞争的存在是此系统的特点，其间的竞争是发生在铁磁相互作用与反铁磁相互作用之间的。
这种磁系统最后会冻结，从而成为自旋玻璃态，其原因是温度下降，使得磁系统内部发生了一系列复杂的变化，磁矩的取向发生了很大的变化。
若从时间的观点上看，所有磁矩转动自由度消失，被冻结固定在一个方向上；若从空间观点上看，这种冻结是杂乱无章的，磁矩分布的方向是无序的。
1 自旋玻璃态研究现状自从20世纪80年代初发现铜氧化物高温超导体以来，越来越多的实验表明该体系从反铁磁绝缘体向超导体过渡过程中，出现了明显的电子自旋玻璃态，甚至持续到超导的铜氧化物之中，因此人们对自旋玻璃从实验上和理论上都进行了大量的研究。
1.1 自旋玻璃态相图的研究金属到氧化物的转变看起来像是一个自然的场，这个场中存在着自旋、电荷和自由分布的晶格度之间的相互作用[1]，在金属到氧化物的转变像图中，自旋玻璃态的相是很常见的，并且可以在其他情况下观察到，这可以看成是一个自然的结果，这个结果是由于在这样复杂的系统中具有化学掺杂而产生的无序状态引起[2]。
磁性受挫可以理解为是局域反铁磁改变的结果，这种改变是发生在三维反铁磁长程序连接的铜离子之间，早期用掺杂的方法对自旋运动和其演变进行的观察显示出，完整的自旋玻璃态转变过程发生在一个有限的反铁磁领域，在不对称但是磁性有序的相中发生联合冻结。
一种无线式六维力传感器的研制
㊀２０２１年㊀第１期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．１㊀收稿日期：２０２０－０１－１４一种无线式六维力传感器的研制吕志鹏，王卫英，刘思凡，马成聪（南京航空航天大学机电学院，江苏南京㊀２１００１６）㊀㊀摘要：针对旋翼系统在旋转状态下的多个维度的力和力矩信息采集的应用背景，设计了一种带有数据无线发送功能的六维力传感器㊂建立了传感器弹性体的有限元分析模型，确定了应变片的粘贴位置㊂通过合理的组桥电路设计，将六个维度的力和力矩以电压信号的方式反馈出来，并设计了相应的信号处理电路使其满足Ａ／Ｄ采集模块的范围电压㊂最后将整个硬件电路以ＰＣＢ封装在传感器内部，制成传感器样机㊂关键词：旋翼系统；无线数据发送；六维力传感器；有限元分析；组桥电路设计；传感器样机中图分类号：ＴＨ８２３㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０１－０００４－０５ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＳｉｘ⁃ａｘｉｓＦｏｒｃｅＳｅｎｓｏｒＬＹＵＺｈｉ⁃ｐｅｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｉ⁃ｙｉｎｇ，ＬＩＵＳｉ⁃ｆａｎ，ＭＡＣｈｅｎｇ⁃ｃｏｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｆｏｒｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｍｏｍｅｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｍｕｌｔｉｐｌｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒｏ⁃ｔｏｒｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｓｔａｔｅ，ａｓｉｘ⁃ａｘｉｓｆｏｒｃｅｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａ⁃ｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｂｏｄｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｉｃｋｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅｏｆｓｉｘｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｗａｓｆｅｄｂａｃｋｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅａｓｓｅｍｂｌｙ，ａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒａｎｇｅｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅＡ／Ｄａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｎ⁃ｔｉｒｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｐａｃｋａｇｅｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈａＰＣＢｔｏｍａｋｅａｓｅｎｓｏｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｓｉｘ⁃ａｘｉｓｆｏｒｃｅｓｅｎｓｏｒ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｏｆｂｒｉｄｇｅａｓｓｅｍｂｌｙ；ｓｅｎｓｏｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅ０㊀引言目前大多数的六维力和力矩传感器都是安装在机器人腕部，用来检测机械手抓取工件或者与外部环境接触时所承受的力和方向［１］㊂而用于与直升机旋翼轴相连，检测旋翼系统在旋转状态下作用在旋转轴上的力和力矩分量的多维力传感器并不多见㊂而如果能够得到这些力和力矩的准确信息，对于了解旋翼的动力学性能，对旋转机翼的翼型配置㊁桨叶平面形状和桨尖形状设计将提供重要的数据来源［２］㊂本文设计了一种能够和旋翼主轴共同旋转的小型的六维力传感器原理样机，可以通过法兰与旋翼的主轴相连，并且能够将所测得的六维力和力矩信息实时地以无线的方式发送出去，代替传统利用导电旋转滑环的方式传输数据㊂１㊀传感器总体结构设计本文设计的六维力传感器是基于电阻应变式测量原理，总体结构如图１所示㊂其中，传感器数据采集系统的硬件电路部分被集成在了传感器内部㊂传感器的装配体从上而下分别为顶盘㊁基座㊁弹性体㊁电路板㊁电池和底座㊂顶盘上内圈的４个通孔通过螺栓和螺母与弹性体中心凸台上的４个通孔相连接㊂弹性体轮辐外圈上的８个通孔通过沉头螺丝与基座上的８个螺纹孔相连接㊂电路板最外圈有４个通孔通过六角铜螺栓与底板上相对应的螺纹孔相连接㊂电池通过双面胶粘贴在底板上㊂图１㊀传感器三维模型剖视图㊀㊀㊀㊀㊀第１期吕志鹏等：一种无线式六维力传感器的研制５㊀㊀２㊀弹性体设计及有限元分析２．１㊀弹性体结构设计弹性体作为传感器上粘贴应变片的承力元件，其结构设计的好坏直接决定了传感器的工作性能［３］㊂六维力传感器弹性体由整块圆盘料加工而成，如图２所示㊂图中，Ａ１Ａ２㊁Ｂ１Ｂ２㊁Ｃ１Ｃ２和Ｄ１Ｄ２为弹性梁，Ｅ１Ｅ２㊁Ｆ１Ｆ２㊁Ｇ１Ｇ２和Ｈ１Ｈ２为浮动梁，４支弹性梁通过中心凸台连接，中心凸台的上表面作为弹性体承受外载荷的受力面用来将力和力矩传递给弹性梁㊂４支浮动梁的作用是通过增大弹性体的应变输出来增加传感器的灵敏度㊂弹性体各主要几何尺寸如下：（１）弹性梁：宽４ｍｍ，高６ｍｍ，长２０ｍｍ；（２）浮动梁：宽１ｍｍ，高６ｍｍ，长２４ｍｍ；（３）中心凸台：边长２４ｍｍ，高８ｍｍ；（４）轮缘：外径８０ｍｍ，内径５６ｍｍ，高６ｍｍ㊂图２㊀弹性体结构２．２㊀弹性体有限元分析本文中采用Ａｂａｑｕｓ软件进行弹性体受力变形的有限元分析㊂弹性体的材料选择为７０７５铝合金，其材料参数如表１所示［４］㊂表１㊀弹性体材料参数材料弹性模量Ｅ／ＭＰａ泊松比μ屈服极限σｓ／ＭＰａＡＬ７０７５７２００００．３５０５㊀㊀弹性体是通过轮缘上的８个定位孔固定在基座上的，因此将８个定位孔的所有方向上的自由度全部设置为０㊂施加载荷前，在弹性体中心处设置一参考点并且与凸台的中心孔内壁表面建立耦合关系［５］㊂此外，因为弹性体结构关于坐标轴严格对称，所以只对ｘ和ｚ轴方向的力和力矩进行分析㊂其中ｘ和ｚ轴方向的作用力以集中力的方式作用在耦合参考点上；ｘ和ｚ轴方向的力矩以力偶的形式作用在耦合参考点上㊂通过Ａｂａｑｕｓ的分析和后处理技术［５］，增大变形放大系数，弹性体分别受到满量程的单维力Ｆｘ＝３００Ｎ㊁Ｆｚ＝９００Ｎ㊁Ｍｘ＝２０Ｎｍ与Ｍｚ＝２０Ｎｍ时的应变分布云图如图３所示㊂从图中可以看出，弹性体在各维度满量程的载荷下的最大米塞斯应力都没有超过材料的屈服应力，所以弹性体结构在强度方面达到了要求㊂（ａ）Ｆｘ＝３００Ｎ㊀（ｂ）Ｆｚ＝９００Ｎ（ｃ）Ｍｘ＝２０Ｎｍ㊀（ｄ）Ｍｚ＝２０Ｎｍ图３㊀弹性体受力应变分布云图为了更清楚的了解弹性梁表面节点在各单维载荷作用下的应变大小，同时也是为了给应变片的贴片位置选择提供参考［６］，运用Ａｂａｑｕｓ的路径映射技术，输出弹性梁在各单维额定载荷下的节点应变路径曲线㊂以弹性梁与中心凸台的交界处作为顶端，与浮动梁交界处作为末端，根据前面的应力㊁应变分布云图，在弹性梁发生主要变形的表面定义一条用于应变映射的节点路径，从而输出这一条路径上各节点应变的确切数值，如图４所示㊂从图中可以看出，弹性梁的应变与距离呈现递减趋势，在弹性梁与中心凸台和浮动梁的交界处由于应力集中的关系，应变路径曲线出现较大幅度的弯折㊂这部分应力集中可以通过在交界处增加圆角的方式予以减轻［７］㊂３㊀应变片布置及组桥设计传感器的弹性体上共粘贴有２４个应变片，其中每４个应变片组成一个全桥电路，共组成６个全桥电路来测量作用在传感器上的六维力和力矩㊂参考图４的应变路径曲线图和应变片自身的尺寸大小，将用来测量Ｆｘ㊁Ｆｙ和Ｆｚ的应变片贴片位置定于弹性梁表面距中心凸台边界的５ｍｍ处，用来测量Ｍｘ㊁Ｍｙ和Ｍｚ的应变片贴片位置定于弹性梁表面距中心凸台边界１２ｍｍ处㊂粘贴应变片的弹性体和应变片编号示意如图５所示㊂㊀㊀㊀㊀㊀６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪａｎ．２０２１㊀（ａ）Ｆｘ＝３００Ｎ作用下沿路径各节点的应变分布图（ｂ）Ｆｚ＝９００Ｎ作用下沿路径各节点的应变分布图（ｃ）Ｍｘ＝２０Ｎｍ作用下沿路径各节点的应变分布图（ｄ）Ｍｚ＝２０Ｎｍ作用下沿路径各节点的应变分布图图４㊀节点应变沿路径分布图图５㊀应变片布置示意图其中应变片１㊁２㊁３㊁４组成一个全桥电路用来测量切向力Ｆｘ所引起的应变㊂应变片５㊁６㊁７㊁８组成一个全桥电路用来测量切向力Ｆｙ所引起的应变㊂应变片９㊁１０㊁１１㊁１２组成一个全桥电路用来测量轴向力Ｆｚ所引起的应变㊂应变片１３㊁１４㊁１５㊁１６组成一个全桥电路用来测量弯矩Ｍｙ所引起的应变㊂应变片１７㊁１８㊁１９㊁２０组成一个全桥电路用来测量弯矩Ｍｚ所引起的应变㊂应变片２１㊁２２㊁２３㊁２４组成一个全桥电路用来测量扭矩Ｍｚ所引起的应变㊂４㊀硬件电路及ＰＣＢ设计４．１㊀硬件电路总体结构设计传感器硬件系统能够实现六维力和力矩的信号采集以及通过无线模块实现测量数据的无线传输，图６是传感器硬件电路系统框图，具体可以划分为以下模块：（１）信号调理模块：将电桥输出的电压信号经由仪表放大器ＡＤ６２３电路进行放大，再将放大后的信号经过双通道通用运算放大器ＬＭ３５８电路进行电压抬升与滤波处理，处理后输入到ＳＴＭ３２微控制器的Ａ／Ｄ口进行数模转换；（２）ＳＴＭ３２微控制器模块：用来接收处理传感器采集的数据信息，包括实时的力和力矩信号数据㊁温度信号数据，并将采集的数据信息发送到无线端口；（３）无线通讯模块：将所有采集的数据信息通过ＮＲＦ２４Ｌ０１无线模块电路发送到另一块载有ＮＲＦ无线模块的ＳＴＭ开发板，并由它将接收到的数据通过串口通信方式发送到ＰＣ端进行实时的处理和显示㊂图６㊀传感器硬件电路系统框图４．２㊀信号调理模块电路设计信号调理模块电路由前置放大电路和后置电压抬升与滤波电路两部分构成，如图７所示㊂在设计放大电路时，首先对放大倍数进行估计㊂对于每一维度的应变电桥来说㊂由有限元分析结果，可以大概估计出贴片位置在满量程情况下的最大应变ε，根据全桥电路原理［８］，估算出每一维度的电桥在满载情况下的㊀㊀㊀㊀㊀第１期吕志鹏等：一种无线式六维力传感器的研制７㊀㊀输出电压㊂为了获得较好的模拟电压输出信号，将经过放大后的输出电压范围控制在－１．６５ ＋１，６５Ｖ之间，由此计算出所需的放大倍数并将其列于表２㊂（ａ）前置放大电路（ｂ）后置电压抬升与滤波电路图７㊀信号调理模块电路表２㊀放大倍数估算表力和力矩满载时电桥输出应变ε／１０－６满载时电桥输出电压／ｍＶ放大倍数Ｆｘ＝３００Ｎ１１５１．６１１．５１４３Ｆｚ＝９００Ｎ１９２６．７１９．２８６Ｍｘ＝２０Ｎｍ１３８７．７１３．８１２０Ｍｚ＝２０Ｎｍ１０５４．５１０．５１５７㊀㊀由表２可知，电压信号的放大倍数不是很大，这里直接选用仪表放大器ＡＤ６２３对电压信号进行放大㊂ＡＤ６２３是一款易于使用，可提供满摆幅输出，高性能的芯片㊂它具有低成本㊁低功耗的特点㊂此外，ＡＤ６２３的外围电路非常简单，只需外接一只反馈电阻ＲＧ就可以精确控制放大电路的增益［９］㊂此外，本设计使用的Ａ／Ｄ采集模块是微控制ＳＴＭ３２自带的，它只能够转换范围０ ＋３．３Ｖ的电压信号，所以经由放大后的电压信号，必须再进行相应的电压抬升才能满足要求㊂这里选用双通道通用运放ＬＭ３５８来搭建后置的电压抬升与滤波电路，其中，ＬＭ３５８的１通道连接外围电路用来作为反相加法器将电桥经由放大后的－１．６５ ＋１．６５Ｖ的范围电压信号反相抬升至－３．３ ０Ｖ，２通道用来作为一阶的有源滤波滤除了１００Ｈｚ以上的高频噪声并进行了反相的等比例放大，最终将电压信号调理成０ ＋３．３Ｖ的可被Ａ／Ｄ采集的范围电压㊂４．３㊀无线通信模块电路设计采用ＳＴＭ３２微控制器连接外部无线模块ＮＲＦ２４Ｌ０１实现六维力传感器实测数据的无线发送㊂ＮＲＦ２４Ｌ０１模块接口和微控制器的连接电路如图８所示㊂ＳＴＭ３２微控制器使用的是ＳＰＩ２口与ＮＲＦ２４Ｌ０１模块接口相连，ＳＴＭ３２的４个引脚ＰＧ１０㊁ＰＢ１３㊁ＰＢ１４和ＰＢ１５分别与ＮＲＦ２４Ｌ０１模块的片选线ＮＲＦ＿ＣＳ㊁时钟线ＳＰＩ＿ＳＣＫ㊁主设备数据输入线ＳＰＩ＿ＭＩＳＯ和主设备数据输出线ＳＰＩ＿ＭＯＳＩ相连㊂ＰＩ１１㊁ＰＧ１２引脚分别与无线模块的中断引脚ＮＲＦ＿ＩＲＱ㊁芯片使能引脚ＮＲＦ＿ＣＥ相连㊂图８㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１模块接口与微控制器连接电路４．４㊀ＰＣＢ设计根据传感器信号采集的硬件连接原理图设计相应的集成电路板㊂电路板采用双层敷铜板作为印制板，双面铜皮与地线网络相连接㊂电路板形状为圆形，直径９６ｍｍ，在顶层走信号线，底层走电源线，信号线宽度为０．２５４ｍｍ，电源线与地线宽度都为０．５０８ｍｍ，通过过孔将顶层与底层的印制线相连接㊂焊有电子元器件的ＰＣＢ如图９所示㊂图９㊀含有电子元器件的电路板整个硬件电路的ＰＣＢ板制作完成后，将顶盘基座㊁弹性体㊁电路板与电池按照图１所示的三维剖视图进行装配，装配完成的实物如图１０所示㊂５㊀结束语本文设计了一种带无线数据发送功能的能够与旋翼模型共同旋转的小型六维力传感器原理样机，通过对弹性体的有限元分析，确定应变片适合的粘贴位置㊂共２４片应变片组成６路全桥电路测量六个维度的力和力矩信息，并对６路电压信号进行了相应的处㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪａｎ．２０２１㊀理㊂最后制成六维力传感器样机㊂（ａ）粘贴完应变片的弹性体㊀（ｂ）传感器内部（ｃ）传感器实物外观图１０ 六维力传感器样机参考文献：［１］㊀郑朝阳．一种机器人腕力传感器弹性体结构设计与力学性能分析［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１７（１１）：１４－１６．［２］㊀陈维芹．用于直升机旋翼试验的多功能测试系统及应用［Ｊ］．测试技术学报，２００３（１）：２９－３２．［３］㊀ＭＡＪＱ，ＳＯＮＧＡＧ．Ｆａｓｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｉｎｓｆｏｒｃｒｏｓｓ⁃ｂｅａｍｓｓｉｘ⁃ａｘｉｓｆｏｒｃｅ／ｔｏｒｑｕｅｓｅｎｓｏｒｓｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ．［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ（Ｂａｓｅｌ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ），２０１３，１３（５）：６６６９－６６８６．［４］㊀周建方．材料力学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．［５］㊀孙永军．空间机械臂六维力／力矩传感器及其在线标定研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１６．［６］㊀茅晨，宋爱国，马俊青．新型六维腕力传感器［Ｊ］．南京信息工程大学学报（自然科学版），２０１１，３（５）：４０２－４０７．［７］㊀何小辉，蔡萍．一种小量程六维力／力矩传感器的设计与分析［Ｊ］．传感器与微系统，２０１２，３１（１）：２０－２２．［８］㊀周杏鹏，孙永荣，仇国富．传感器与检测技术［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１０．［９］㊀余秋军，李丹，杜娟，等．基于ＡＤ６２信号处理的压力变送器设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１８（４）：２４－２７．作者简介：吕志鹏（１９９５ ），硕士研究生，主要研究方向为力传感器㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：８３８６３５８９５＠ｑｑ．ｃｏｍ王卫英（１９６５ ），副教授，主要研究方向为计算机辅助工程㊁仿生机械㊁柔性生产系统㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｍｅｅｗｙｗａｎｇ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第３页）［６］㊀ＫＵＲＯＳＡＷＡＫ，ＳＨＩＲＡＫＡＷＡＫ，ＫＩＫＵＣＨＩＴ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ：ＡｓｉａａｎｄＰａｃｉｆｉｃ，２００５ＩＥＥＥ／ＰＥＳ．ＩＥＥＥ，２００５：１－６．［７］㊀ＳＴＡＮＣＩＵＭ，ＧＨＩＴＡＯ，ＶＩＮＴＥＡＡ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ［Ｃ］／／ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＴｏｐｉｃｓｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＩＥＥＥ，２０１５：９６１－９６４．［８］㊀张斌．小型化铯光泵原子磁力仪研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１５．［９］㊀张豪敏．铷原子激光光泵磁力仪的研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１６．［１０］㊀耿毅．激光光泵原子磁力仪的研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１４．［１１］㊀王永超．光泵磁力仪的频率采集系统的设计与实现［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２０１２．［１２］㊀孙伟民，刘双强，赵文辉，等．光学原子磁力仪［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，２０１５．［１３］㊀ＫｅｙｓｉｇｈｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＫｅｙｓｉｇｈｔＢ２９６２ＡＤａｔａＳｈｅｅｔ［Ｚ］，２０１９．［１４］㊀王虹，马俊兴．实验曲线的线性度研究［Ｊ］．河南科学，２００５，２３（１）：２６－２８．作者简介：王维东（１９６７ ），博士，副教授，主要研究方向为原子磁力仪系统㊁ＡＩ嵌入式系统设计及图像视频处理等㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｄｗａｎｇ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
一种基于单偏振光子的量子密钥分配协议
一种基于单偏振光子的量子密钥分配协议
傅涛;王海彬
【期刊名称】《计算机科学与应用》
【年(卷),期】2017(007)007
【摘要】提出一种简单而有效的量子密钥分配协议(简称为SEQDKD)。
协议基于单偏振光子系统,实现了高效率的量子密钥分配任务。
并针对不同的协议情况而采用不同的效率计算方法,更加科学。
相较于常见的量子密钥分配协议而言,本协议达到了高的密钥分配效率并且易于实现。
更重要的是,理论论证表明,该协议对于截获重发攻击是安全的。
【总页数】9页(P688-695)
【作者】傅涛;王海彬
【作者单位】[1]江苏博智软件科技股份有限公司,江苏南京;;[2]南京信息工程大学计算机与软件学院,江苏南京
【正文语种】中文
【中图分类】TN91
【相关文献】
1.基于准单光子光源的非正交诱惑态量子密钥分配 [J], 周媛媛;周学军;高俊
2.基于椭圆偏振光注入垂直腔表面发射激光器的正交偏振模式单周期振荡产生两路光子微波∗ [J], 周娅;吴正茂;樊利;孙波;何洋;夏光琼
3.一种基于单光子的多方量子价格谈判协议 [J], 薛鼎蔚;张龙
4.单光子偏振态实现量子密钥分配的方案(英文) [J], 廖劲飞;叶柳
5.一种基于标记单光子源的态制备误差容忍量子密钥分发协议 [J], 马啸;孙铭烁;刘靖阳;丁华建;王琴
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自旋纠缠态在量子信息中的应用
自旋纠缠态在量子信息中的应用量子信息科学是以量子力学规律为基础，研究量子信息的传输、处理、存储等问题的一门学科。
自旋纠缠态是量子信息中的重要组成部分，它有着广泛的应用。
自旋指的是物理学中的一种量子角动量，既可以用经典力学的方式去理解，也可以用量子力学的方式去描述。
自旋纠缠就是指两个或多个粒子在某些方面处于强相关的状态，彼此之间的物理量（如自旋）彼此纠缠在一起，且不受距离的限制。
自旋纠缠态可以用于量子通信，其中最常见的例子就是量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）协议。
量子密钥分发是一种基于量子力学原理的密码学技术，它可以确保密钥分发的安全性和不可窃听性。
在这种方式下，两个使用纠缠的自旋态的粒子（通常是光子）进行相互纠缠，然后通过一种称为“测量”(Measurement)的操作，来使两个粒子的密钥一致。
其基本原理是：若量子纠缠状态被窃听，那么密钥的双方便可以通过自旋的不同组合来检测到窃听者的存在。
自旋纠缠态还可应用在量子计算中，它可以通过主流的线路型量子计算机（Circuit-model Quantum Computer）进行制备。
常常使用的自旋纠缠态是双自旋纠缠态或自旋链纠缠态。
双自旋纠缠态由两个带有自旋的粒子纠缠而成，自旋链纠缠态是一种由多个粒子构成的自旋纠缠态。
在量子计算中，自旋纠缠态是非常重要的资源，因为它们可以在一些计算中提高精度，减少噪音等，从而提高计算的效率。
除了以上两种应用，自旋纠缠态还用于量子模拟以及量子调控。
在量子模拟中，自旋纠缠态可以用来完成类固醇分子的模拟，从而用于开发新型的刺激响应性材料或医药物品。
在量子调控中，自旋纠缠态可以用来控制电子自旋，从而实现电子自旋操控和储存。
总之，自旋纠缠态在量子信息科学中是不可或缺的重要组成部分。
它广泛应用于量子通信、量子计算、量子模拟以及量子调控等领域。
它的研究还处于起步阶段，未来将会有更多的机会来探索自旋纠缠态的潜在应用价值。
分层可见光通信系统
分层可见光通信系统谢鑫;罗喜良【摘要】鉴于其安全性,实用性和有效性,可见光通信已经引起了许多研究者的兴趣.在一个多输入多输出的可见光通信系统中,信息可以通过两种不同类型的信道传输.根据是否存在成像透镜,这两种信道分别叫做可成像信道和非成像信道.基于这两种信道特性,本文提出了一种新型的分层可见光通信系统,这个系统能够支持两种不同类型的接收机同时跟同一发射机通信.同时,利用最优功率分配该系统可以达到最大吞吐量.计算机仿真结果也证明了这种设计是可行的.%Visible light communication(VLC)has attached a lot of interests due to its safety, practicability,and efficiency.In a VLC system with multiple light-emitting-diodes(LEDs),two different types of channels named imaging channel and non-imaging channel can be used to transmit data.In this paper,basing on the channel characteristics,we propose a novel hierarchical VLC system which supports two different types of receiverssimultaneously.Meanwhile,we also demonstrate how to achieve maximum throughput with optimal power allocation. Computer simulation results are also provided to corroborate our designs.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)004【总页数】6页(P79-84)【关键词】发射机;接收机;信道特性;可见光通信;分层通信;最优功率分配【作者】谢鑫;罗喜良【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050;中国科学院大学北京100049;上海科技大学上海201210;中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050;中国科学院大学北京100049;上海科技大学上海201210【正文语种】中文【中图分类】TN92可见光通信（Visible Light Communication，VLC）是一种新型通信技术，其最初概念的提出要追溯到2000年[1-2]，这种技术能够利用廉价的发光二极管（Light-Emitting-Diode，LED）同时提供高速通信和日常照明的功能[3]。
《2024年高迁移率半导体材料的自旋注入》范文
《高迁移率半导体材料的自旋注入》篇一一、引言随着信息技术的飞速发展，半导体材料在电子器件中的应用越来越广泛。
其中，高迁移率半导体材料因其优异的电学性能，在微电子领域具有巨大的应用潜力。
近年来，自旋电子学作为一门新兴的交叉学科，将自旋注入半导体材料成为研究热点。
本文将探讨高迁移率半导体材料的自旋注入相关研究，分析其重要性、现状及发展趋势。
二、高迁移率半导体材料概述高迁移率半导体材料具有优异的电学性能，如高电子迁移率、低电阻率等。
这类材料在微电子领域具有广泛的应用，如晶体管、太阳能电池、传感器等。
随着科技的不断发展，人们对半导体材料的要求越来越高，高迁移率半导体材料成为研究热点。
三、自旋注入技术概述自旋注入是将自旋极化的电子注入到半导体材料中，利用自旋电子的特殊性质，如自旋相干性、自旋寿命等，实现信息存储和传输。
自旋注入技术在信息存储、计算等领域具有广泛的应用前景。
然而，由于半导体材料的特殊性质，自旋注入效率较低，成为制约其应用的关键因素。
四、高迁移率半导体材料的自旋注入研究针对高迁移率半导体材料的自旋注入研究，国内外学者进行了大量的实验和理论研究。
首先，研究人员通过制备高质量的半导体材料，提高其电子迁移率和降低电阻率，从而为自旋注入提供更好的基础。
其次，研究人员采用多种技术手段，如磁场调控、光激发等，实现自旋极化电子的有效注入。
此外，研究人员还通过理论计算和模拟，深入探讨自旋注入过程中的物理机制和影响因素。
五、实验方法与结果分析针对高迁移率半导体材料的自旋注入研究，本文采用多种实验方法进行验证。
首先，我们制备了高质量的高迁移率半导体材料，并利用磁场调控技术实现自旋极化电子的注入。
通过测量和分析样品的电学性能和自旋极化特性，我们发现自旋注入效率得到了显著提高。
此外，我们还利用光激发技术进行自旋注入实验，发现光激发可以有效地提高自旋注入效率。
通过对比不同实验方法的结果，我们发现磁场调控技术和光激发技术都具有较好的自旋注入效果。
自旋玻璃模型简介和空腔法
自旋玻璃模型简介和空腔法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：自旋玻璃模型是一种用来描述自旋玻璃行为的理论模型，它在凝聚态物理领域有着重要的应用。
自旋玻璃是一种具有局域有序但整体无序的状态，它在很多强关联系统中都可以观察到，这种状态对于理解凝聚态物质的性质和行为具有重要意义。
自旋玻璃模型可以帮助我们理解自旋玻璃的产生机制以及其在物质性质中的作用。
自旋玻璃模型最早由波冲尔和安德森在1975年提出，在这个模型中，自旋系统中的自由度之间具有一种无序的相互作用，这种相互作用会导致自旋自发地形成局域的有序结构，但整体上呈现出无序状态。
这种局域有序的结构可以通过自旋玻璃模型来描述，而这种状态对于很多凝聚态系统的性质和行为具有重要的影响。
自旋玻璃模型在研究自旋液体、自旋玻璃等系统时起着至关重要的作用，它可以帮助我们理解物质在不同温度和磁场下的性质变化，以及局域对称性破缺和无序性等问题。
通过研究自旋玻璃模型，我们可以揭示强关联系统中的玻璃转变行为，为我们理解和探索凝聚态物理中的新现象和新物理提供重要参考。
空腔法是一种用来研究自旋玻璃现象的实验方法，它通过在腔中放置不同形状和尺寸的自旋液体样品来观察其自旋动力学行为。
在空腔法中，研究人员可以通过调控腔体和样品之间的相互作用来探索自旋玻璃的形成机制和性质。
空腔法可以提供一个高度可控的实验环境，使得研究人员可以精确地测量自旋玻璃的特性，并对其进行深入的研究。
自旋玻璃模型是研究自旋系统中局域有序和整体无序状态的重要理论工具，而空腔法则是一种研究自旋玻璃现象的实验方法。
通过结合理论模型和实验方法，我们可以更全面地了解自旋玻璃的产生机制和性质，为我们理解和探索凝聚态物理中的新现象和新物理提供重要的参考。
希望未来能够进一步深入研究自旋玻璃领域，为我们揭示未知的物质世界带来新的突破和发现。
第二篇示例：自旋玻璃模型简介和空腔法是两种常用于研究材料性质的方法。
自旋玻璃模型是一种数学模型，用来描述当温度趋近绝对零度时的自旋玻璃材料的行为。
非常规自旋轨道耦合玻色凝聚的拓扑激发
分类号：0469密级：无单位代码：10118研究生学位论文年月日论文题目（中文）非常规自旋轨道耦合玻色凝聚的拓扑激发论文题目（外文）Topological Excitations in Unconventional Spin-Orbit-Coupled Bose Condensates 研究生姓名岳虹霞学科物理学专业凝聚态物理学位类别硕士培养类型全日制导师姓名、职称刘永恺副教授培养单位物理与信息工程学院学位授予单位山西师范大学学位授予日期年月答辩委员会主席张东海教授评阅人非常规自旋轨道耦合玻色凝聚的拓扑激发中文摘要玻色-爱因斯坦凝聚（BEC ）的实现为研究多种形式的拓扑激发和新奇量子相变提供了一个很好的研究平台。
尤其是人工合成自旋轨道耦合的实现极大的丰富了冷原子系统的研究，探索自旋轨道耦合BEC 中的新奇拓扑态成为冷原子物理和其他原子交叉领域的研究热点。
人们发现自旋轨道耦合不仅可以稳定各种各样的拓扑激发还可以产生新奇的量子相。
NIST 和Rashba 型自旋轨道耦合得到了人们的广泛研究。
之后人们提出了多种多样的规范场耦合模型，虽然由于实验条件许多模型尚未实现，但是依然是理论和实验工作者研究的动力源泉。
受这些研究结果的启发，本论文研究了在两组分BEC 中耦合其他形式自旋矢量和线动量的二维拓扑激发以及在spin-1BEC 中耦合SU （3）自旋轨道耦合的一维孤子激发。
揭示了不同种类的耦合形式会产生不同的新奇拓扑激发，并阐述了不同拓扑激发背后的物理机制。
我们的工作主要分为以下两个部分：（1）SU （3）自旋轨道耦合模型中一维拓扑激发利用数值模拟求解含SU （3）自旋轨道耦合项的spin -1BEC Gross-Pitaevskii 方程，通过和常规SU （2）自旋轨道耦合数值结果比较，我们发现SU （3）这种新型自旋轨道耦合，可以得到一种新奇孤子激发—多节点复合孤子。
我们详细的研究了这种新奇孤子激发的性质，以及产生的物理机制。
自旋系统中SK模型的随机分析法
西北师范大学硕士学位论文自旋系统中SK模型的随机分析法姓名：穆跃申请学位级别：硕士专业：@指导教师：冯德成2008摘 要自旋系统中,对高温下有外场作用的SK模型的讨论是一项基本的研究.本文主要讨论如何将由Comets和Neveu在文献[3]所介绍的随机分析法更深入的推广到自旋玻璃的高温下有外场作用的SK模型中,通过应用这种方法我们得到一些结果.主要工作如下:一、我们讨论了得出主要结论所需要的一些必备结果,比如说高温下有外场作用的SK模型中Hamilton函数平均E[ρt(−H N,t(σ)]以及相关的一些结果.二、我们对高温下有外场作用的SK模型中能的涨落结果作了重点的研究,通过随机分析法得到能的渐近结果.关键词:自旋系统;SK模型;外场;能;Hamilton函数;随机分析法.AbstractIn spin systems,the discussion of the SK model with externalfield at high temperature is a basic research.In this note we show how to generalize the stochastic calculus method introduced by comets and Neveu[3]for the SK model with externalfield of spin glasses at high temperature in more depth and we derive some results by this method.The main work is as follows:Firstly,we discussed the necessary results which is needed to derive the main conclu-sions,for example,the average of Hamiltonian E[ρt(−H N,t(σ)]and related results of the SK model with externalfield at high temperature.Secondly,we will focus on thefluctuation result of the energy of the SK model with externalfield and we derive the asymptotic result of the energy by the stochastic calculus method.Keywords:Spin system;SK model;Externalfield;Energy;Hamiltonian;Stochastic calculus method.独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
融合门控单元与多头自注意力机制的特征自动交互推荐算法
现代电子技术Modern Electronics Technique2023年12月1日第46卷第23期Dec. 2023Vol. 46 No. 230 引 言电商平台、广告公司等需要根据用户的喜好推荐内容，所以说对用户喜好进行推荐预测是非常重要的。
然而在推荐任务中寻找有意义的特征组合极为重要[1⁃2]。
一般来说，推荐算法主要分为传统推荐模型和基于深度学习的推荐模型两类。
传统推荐模型主要使用协同过滤[3⁃4]和矩阵分解[5⁃6]，但这些模型忽略了与用户和物品相关的其他特征信息，不能有效地开发特征。
因式分解机（Factorization Machine, FM ）模型[7]可以对低阶特征进行特征交叉，但无法挖掘高阶信息，而特征域因式分解机（Filed Factorization Machine, FFM ）模型[8]则在此基础上增强了特征交叉，但其本质仍然是针对低阶特征。
随着深度学习在自然语言处理、计算机视觉、对抗攻击等领域的快速发展，为推荐算法开辟了新的机遇。
研究人员发现全连接层[9]在高阶特征的挖掘有良好的表现。
所以研究人员主要以深度神经网络（Deep Neural Network, DNN ）为核心，结合传统推荐模型来进行改进融合门控单元与多头自注意力机制的特征自动交互推荐算法喻金平， 李 钰， 姚炫辰， 罗 琛（江西理工大学 信息工程学院， 江西 赣州 341000）摘 要： 为了解决推荐算法中使用手工制作、特征工程等方式枚举所有的特征组合不但会带来巨大的存储空间和计算成本，而且无用的特征交互会引入噪声使模型训练过程复杂化的问题，文中提出融合多头自注意力机制的特征自动交互推荐算法。
该算法首先利用门控机制对输入特征进行初次筛选；然后将特征送入多头自注意力机制中，选取关键特征进行不同阶的组合；最后利用残差网络进行特征融合输出预测结果。
该算法能有效地提高预测结果的准确性，同时具有良好的解释性。
关键词： 门控单元； 自动特征交互； 多头自注意力机制； 推荐算法； 特征组合； 可解释性中图分类号： TN911.1⁃34； TP301.6 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X （2023）23⁃0126⁃07Feature automatic interactive recommendation algorithm integrating gating unitand multi⁃head self⁃attention mechanismYU Jinping, LI Yu, YAO Xuanchen, LUO Chen(School of Information Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)Abstract ： In recommended algorithms, enumerating all feature combinations by means of manual production and feature engineering will result in huge storage space and computational costs. In addition, irrelevant feature interaction will bring noise, which will complicate the model training process, so a feature automatic interactive recommendation algorithm integrating multi⁃head self⁃attention mechanism is proposed. In the algorithm, a gating mechanism is used to filter the input features, the features are fed into the multi ⁃head self ⁃attention mechanism, and the key features are selected for combination of different stages.Finally, a residual network is utilized for feature fusion and output of prediction results. The proposed algorithm can effectively improve the prediction accuracy while maintaining good interpretability.Keywords ： gating unit; automatic feature interaction; multi⁃head self⁃attention mechanism; recommended algorithm; featurecombination; interpretabilityDOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2023.23.023引用格式：喻金平，李钰，姚炫辰，等.融合门控单元与多头自注意力机制的特征自动交互推荐算法[J].现代电子技术，2023，46（23）：126⁃132.收稿日期：2023⁃06⁃07 修回日期：2023⁃06⁃28基金项目：中央引导地方科技发展专项资金（20201ZDI03003）126第23期和创新。
通信感知一体化信息交互技术
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１１４．２０２１．０６．００６引用格式：潘成康，王爱玲，刘建军，等．通信感知一体化信息交互技术［Ｊ］．无线电通信技术，２０２１，４７（６）：７１８－７２３．［ＰＡＮＣｈｅｎｇｋａｎｇ，ＷＡＮＧＡｉｌｉｎｇ，ＬＩＵＪｉａｎｊｕｎ，ｅｔａｌ．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＢａｓｅｄｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｉｎｇａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４７（６）：７１８－７２３．］通信感知一体化信息交互技术潘成康，王爱玲，刘建军，王启星，王亚娟，马㊀良（中国移动通信有限公司研究院，北京１０００５３）摘㊀要：信息交互是实现未来６Ｇ无人化业务的关键支撑技术㊂在讨论无人化业务信息处理流程特征基础上，分析了智能体信息交互类型和需求，提出了通信感知一体化信息交互总体架构㊂该架构充分利用无线感知的通信能力，与无线通信融合提供增强的交互性能㊂基于总体架构，设计了基于无线感知的无线通信系统，包括无线感知信号收发机和信息编码器两部分，其中信息编码器用来调控无线感知信号的回波，从而实现信息的读取㊂最后简要介绍了智能体信息交互面临的挑战及初步解决思路㊂关键词：６Ｇ；通信感知一体化；智能体；信息交互；无人化业务中图分类号：ＴＮ９２９．５㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１１４（２０２１）０６－０７１８－０６ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＢａｓｅｄｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｉｎｇａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰＡＮＣｈｅｎｇｋａｎｇ，ＷＡＮＧＡｉｌｉｎｇ，ＬＩＵＪｉａｎｊｕｎ，ＷＡＮＧＱｉｘｉｎｇ，ＷＡＮＧＹａｊｕａｎ，ＭＡＬｉａｎｇ（ＣｈｉｎａＭｏｂｉｌｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００５３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ⁃ｔｈｉｎｇｓｉｓｔｈｅｋｅｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｒｅａｌｉｚｅ６Ｇｕｎｍａｎｎｅｄｓｅｒｖｉｃｅｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｓｅｒｖｉｃｅｓａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｓｃｅｎａｒｉｏｓａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｏｖｅｒａｌｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｂａｓｅｄｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｉｎｇａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｉｎｇｉｓｅｘｐｌｏｉｔｅｄａｓａｍｅａｎｓｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｏｅｎｈａｎｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｕｎｄｅｒｓｕｃｈａｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ａｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｉｎｇｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｔｗｏｐａｒｔｓ：ａｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｉｎｇｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒａｎｄａｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｃｏｄｅｒ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｅｎｃｏｄｅｒｃａｎｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｅｃｈｏｓｉｇｎａｌｔｏｅｎａｂｌｅｔｈｅｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｔｏｒｅａｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｌｌｅｎｇｅｓａｎｄｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：６Ｇ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｉｎｇａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｔｈｉｎｇｓ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅ；ｕｎｍａｎｎｅｄｓｅｒｖｉｃｅｓ收稿日期：２０２１－０７－１５０ 引言６Ｇ智能化业务㊁沉浸式业务和数字孪生业务等新业务的不断发展，对网络及终端提出了更高的信息处理需求，驱动通信网络向感知网络和算力网络扩展，移动终端向智能体升级㊂智能体是指具有环境感知㊁交互与响应能力的实体，如机器人㊁无人车㊁无人机以及其他智能移动设备等㊂智能体信息交互已成为６Ｇ新业务，尤其是无人化业务的关键支撑技术㊂智能体信息交互是智能体与系统或其他智能体交换数据与信息的行为［１］㊂在无人驾驶㊁无人制造等关键任务型场景中，网络和智能体必须支持更低的交互时延㊁更大的交互带宽和更高的交互可靠性㊂信息交互性能提升目前有两个明确的途径：一是将信息采集（感知）和信息传递（通信）流程融合处理，减少不必要的感知与通信行为，以降低交互带宽和处理时延；二是进一步增强无线通信能力和无线感知能力㊂对于后者，一方面，６Ｇ空口向毫米波㊁太赫兹及可见光等更高频段发展，增强无线通信能力，与无线感知频段将产生越来越多的重叠；另一方面，无线通信与无线感知在系统设计㊁信号处理与数据处理等方面呈现越来越多的相似性㊂这种技术趋势催生了通信感知一体化技术［２－３］，为智能体信息交互. All Rights Reserved.带来了革新思路㊂通信感知一体化是指基于软硬件资源共享或信息共享同时实现无线感知与无线通信功能的新型信息处理技术，可以有效提升系统频谱效率㊁硬件效率和信息处理效率㊂本文将重点讨论如何利用无线感知的通信能力，来增强智能体信息交互性能㊂１㊀智能体交互场景与需求本文将聚焦无人化业务探讨智能体信息交互场景与需求，文中，无人化业务是指由单个或多个智能体协同完成的无人为干预的业务活动㊂１．１㊀无人化业务信息处理流程无人化业务具有３个显著特征：①由具备不同程度的感知㊁通信㊁计算㊁学习和执行能力的智能体作为业务载体；②具有明确的任务目标和生命周期；③需要感知㊁通信㊁计算耦合的端到端信息处理㊂根据用户的指令或意图（任务目标和生命周期要求），无人化业务由业务管理实体进行任务建模和子任务分解，并分配给所有参与智能体㊂管理实体还可以根据用户意图修改或删除正在执行的子任务㊂子任务是指一系列具有时空耦合关系的操作动作㊂所有的可操作动作构成操作空间，由若干信息处理流程执行㊂子任务的信息流程分解为感知㊁通信和计算，如图１所示㊂感知是对业务所有要素属性与状态的信息采集，计算包括所有业务相关的数据分析㊁模型训练㊁推理和决策㊂通信用来交互感知内容㊁计算内容和系统信息㊂每个智能体都将对阶段性局域的业务状态，进行计算，确定操作动作㊂无人化业务生命周期将从初始状态感知开始，通过多个信息处理环的迭代，直到达到目标状态㊂图１㊀无人化业务全生命周期信息处理流程示意图Ｆｉｇ．１㊀Ｌｉｆｅｃｙｃｌｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｓｅｒｖｉｃｅｓ１．２㊀智能体交互类型与需求从上述分析可知，智能体信息交互分为智能体与系统之间，以及智能体之间两类㊂智能体与系统信息交互通过网络实现；智能体之间信息交互可以通过网络交互，也可以直接交互㊂如果把基站也当成一种智能体，那么智能体信息交互就可统一建模成智能体之间的信息交换㊂智能体信息交互内容分为４个类型层次［４］：数据交互㊁模型交互㊁推理交互和决策交互㊂数据交互是指智能体与系统或其他智能体交换感知数据，包括原始数据或训练集数据，又称为协同感知㊂数据交互通过数据融合可以提高感知维度㊁深度和精度㊂模型交互是指智能体与系统或其他智能体交换训练模型或分担模型训练任务，又称为协同训练㊂推理交互是指智能体与系统或其他智能体分担推理任务或交换推理结果，又称为协同推理㊂决策交互是指智能体与系统或其他智能体达成一致行动约定的过程，又称协同决策㊂决策结果通知到智能体执行单元，推动任务执行或响应任务外的突发事件㊂在图１所示的无人化业务流程中，相邻的信息处理环发生交叠，如感知与通信交叠融合㊁通信与计算交叠融合㊂传统信息处理流程中，感知㊁通信㊁计算与应用相互独立㊂这种烟囱式信息处理无法充分利用不同处理环的先验信息，导致不必要的感知㊁通信与计算行为，增加了信息处理时延㊂通感融合㊁算网融合和网业融合成为信息处理的趋势，如图２所示㊂因此，支持信息处理流程融合成为智能体信息交互技术设计的重要技术需求㊂图２㊀信息处理流程融合趋势Ｆｉｇ．２㊀Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ㊀㊀此外，智能体本身感知与计算能力有限，业务流程所需的感知与计算依赖于网络感知（协同感知），以及网络计算（边缘计算）㊂网络连接成为智能体信息交互技术的重要因素，从而对网联智能体信息交互架构提出设计需求［５］㊂基于传统的业务㊁用户㊁网络和终端４个要素组成的信息服务架构，本文提出了如图３所示的感知通信计算融合的信息交互架构［６］㊂该架构. All Rights Reserved.中，业务㊁用户㊁网络和智能体的属性与状态相互开放共享㊂业务管理实体设置在网络中的控制功能实体中，根据业务状态动态调度网络资源和重构网络功能，也可以根据网络和智能体状态动态调整业务需求㊂更重要的是，该架构支持通信感知一体化技术㊂图３㊀网联智能体信息交互架构Ｆｉｇ．３㊀ＴｅｃｈｎｉｃａｌｓｃｅｎａｒｉｏｓｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｉｎｇａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ２㊀通信感知一体化信息交互方案设计２．１㊀通信感知一体化技术概念简介通信感知一体化技术总体框架分为３层：资源层㊁能力层和应用层㊂资源层包括通信感知一体化频谱㊁通信和感知软硬件资源以及计算资源等㊂能力层包括数据处理功能㊁通信功能㊁感知功能以及协同功能㊂具体地，通信功能包括接入和转发，感知功能包括目标定位（测距测速测角）㊁目标跟踪㊁目标检测及目标成像等㊂应用层是基于能力层的功能，提供的确定性传输㊁低时延高可靠传输㊁大带宽传输等通信服务，位置服务㊁测距服务和成像服务等感知服务，以及这些服务通过智能体信息交互方式在无人化业务中的应用㊂图４㊀通信感知一体化技术框架Ｆｉｇ．４㊀Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｅｎｓｉｎｇａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ㊀㊀无线感知通信一体化的设计思路是尝试在同一频谱同一设备上实现感知与通信功能㊂因此，在具体的通信感知一体化系统设计中，可采用正交频谱资源复用方式（最小化干扰），共用收发天线（可能需要额外配置感知信号接收天线）和射频电路，并在基带部分做联合信号处理（主要是为了干扰消除）㊂当通信数据与感知数据对应的业务流有相关性时，可进一步做联合数据处理㊂在无人化业务流程中，根据信息处理流程的耦合需求，在共频谱㊁共设备基础上，灵活选择联合信号处理和联合数据处理㊂２．２㊀方案设计思路与原理将通信感知一体化技术应用到智能体信息交互中，部分或全部智能体都将配置一体化设备㊂这样，信息交互存在４种无线信号方式：无线通信㊁无线感知㊁基于无线感知的无线通信，以及基于无线通信的无线感知㊂其中前３种是重点方式，如图５所示㊂无线通信与无线感知是常规的手段，而基于无线感知的无线通信则是将无线感知采集目标信息的能力转化为通信手段㊂这点类似于基于光学成像（图像识别）的二维扫描技术㊁可见光成像通信技术［７］㊁无. All Rights Reserved.线射频标签（ＲＦＩＤ）技术和反向散射技术［８］㊂但二维码是静态的，可见光成像通信虽然实现动态传输，但速率较低，且只能工作在可见光频段㊂ＲＦＩＤ和反向散射技术属于低速率近距离无源通信技术，通常用于物品标签和物流跟踪，不适用于动态环境下智能体交互㊂图５㊀三种基于无线信号的信息交互方式Ｆｉｇ．５㊀Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｔｈｏｄｓｕｓｉｎｇｗｉｒｅｌｅｓｓｓｉｇｎａｌ无线感知和基于无线感知的无线通信采用相同的发射和接收处理流程，不同点在于：无线感知中感知主体（如智能体１）仅针对目标状态（如智能体２或其他目标）进行感知，目标不参与感知过程，而基于无线感知的无线通信需要目标（如智能体２）参与对待传信息进行编码，感知主体针对编码响应回波信号进行检测，二者的回波检测可以做联合检测㊂基于无线感知的无线通信可以采用多种信息编码方式，例如类似 哑语 的手势编码，或智能超表面编码㊂智能超表面的出现为基于无线感知的无线通信提供了一种新手段［９］，其基本原理是信息交互的一方智能体配置可通过机械㊁电子㊁光学感应或其他方式调控的超表面单元（结构化的电磁材料基本单元，对电磁波具有特定的响应），使其排列结构按照待传信息编码发生变化㊂信息交互的另一方智能体发送特定调制的电磁波，并接收对方的回波，由于回波携带了与对方编码信息对应的电磁波特征，因此可以通过回波检测获取对方的编码信息㊂基于无线感知的无线通信系统包括感知信号收发机和可调控编码超表面两部分，如图６所示㊂感知主体收发机中，感知信号生成器生成感知信号，可以是雷达体制的雷达信号，如ｃｈｉｒｐ（啁啾）信号，也可以是通信体制中基于伪随机序列调制的无线信号（如ＯＦＤＭ信号）㊂感知信号发送链路主要是射频链路和发送天线，可共用通信信号发送链路㊂发送天线可以是大规模数字阵列天线㊂回波信号接收链路主要是射频链路和接收天线，可共用通信信号接收链路㊂接收天线可以共用发送天线，也可以独立发送天线，但二者之间通过干扰隔离或／和干扰消除手段避免干扰㊂回波信号检测器利用本地感知信号对接收信号进行检测，并将检测结果送往目标信息译码器进行译码，可共用通信基带处理模块㊂译码算法与感知目标编码器采用的编码器的编码方案对应，译码信息数据可进一步与通信数据做联合处理后上报应用层㊂感知目标编码器中，信息编码器对相关信息序列进行信道编码，例如采用ＧＦ（２５６）域的ＲＳ码或卷积码等㊂超表面调控器根据编码输入对编码超表面中的电磁单元进行调控，使得入射波的回波具有与编码信息对应的电磁特征㊂图６㊀基于无线感知的无线通信系统示意图Ｆｉｇ．６㊀Ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｉｎｇ㊀㊀感知主体与感知目标通过预定方式约定通信参数，分为两个阶段：第一个阶段基于预定参数进行基于无线感知方式的通信，获取后续的通信参数，包括信道状态估计序列生成参数和长度㊁信道状态估计子帧与信息编码子帧的周期与长度㊁信息编码方式等；第二阶段根据第一阶段的通信参数进行基于无线感知的无线通信㊂为了克服多径干扰㊁杂波干扰及其他干扰，该无线通信系统设置信道状态估计序列［１０］，插入到待传信息序列前㊂信道状态估计序列可以采用固定长度或可变长度的伪随机序列，也可以采用二进制（本质与十进制㊁十六进制等效果一致）ＡＳＣＩＩ码或ＧＢ２３１２⁃８０Ｂ码的随机序列㊂例如生成２６个字母＋６个数字的随机组合，形成３２ˑ８个比特的信道状态估计随机序列（信息比特０和１可以参考ＧＢ２３１２⁃８０Ｂ码映射表获知）㊂后一种方式可以实现信源与. All Rights Reserved.信道联合优化传输和接收㊂假设感知信号为ｘ，前向信道为ｈ１，超表面电磁响应函数为ｈ２，回波信道为ｈ３，则接收回波信号为：ｙ＝ｈ３ｈ２ｈ１ｘ＋ｎ，（１）式中，ｘ可以是未调制感知信号，也可以是用已知序列调制的感知信号；ｎ为加性干扰噪声㊂由于ｈ２含有待传信息，因此需要估计ｈ２㊂为了从ｙ中估计ｈ２，需要先估计等效信道ｈ ＝ｈ３ｈ１㊂ｈ 在信道状态估计子帧中完成，例如采用最小均方误差检测方法：ｈ ＝ａｒｇｍｉｎ ｙ－ｈｈ－２ｘ ，可以进一步采用近似解：ｈ ＝ｙｈ－－１２ｘ－１，其中ｈ－２为信道状态估计序列调控的电磁响应函数，对于感知主体来说是已知信息㊂例如，对于３２ˑ８个ＧＢ２３１２⁃８０Ｂ码比特的信道状态估计随机序列Ｂ：ｈ－２＝１ｂｉ＝０ｅ－ｊπｂｉ＝１{，ｂｉɪＢ，ｉ＝０，１， ，２５５㊂（２）同样，ｈ２采用与ｈ－２同样的调控方式，即待传信息比特为０时，编码超表面电磁响应保持ｘ的相位不变，待传信息比特为１时，编码超表面电磁响应为ｘ相位的１８０ʎ改变，即：ｈ２＝１待传信息比特为０ｅ－ｊπ待传信息比特为１{㊂（３）根据信道状态估计子帧完成的ｈ 估计，得到待传信息子帧ｈ２的近似估计值为：ｈ ２＝ｙｈ －１ｘ－１㊂根据ｈ ２的估计值，获得待传信息比特为：待传信息比特＝０㊀ｈ ２＝１１㊀ｈ ２＝ｅ－ｊπ{㊂（４）最后，对检测的信息比特进行信道译码，获得感知目标的初始信息，最终实现无线通信功能㊂３㊀智能体信息交互挑战智能体信息交互是典型的感知㊁通信㊁计算融合迭代过程，目前正处于研究的起步阶段，还面临着诸多理论㊁技术与工程挑战㊂首先，智能体信息交互需要从理论上定义统一的信息交互能力来评估方案性能㊂智能体信息交互直观的能力是以最快的时间或最少的信息处理资源完成目标任务㊂因此，构建信息处理效率理论框架，研究最大化信息处理效率的技术途径及其对信息交互架构的影响，是一个重要的理论课题㊂这里信息处理效率简单定义为归一化任务全生命周期内的有效信息处理量㊂有效信息处理量可分解为信息感知量㊁信息传递量和信息计算量，其结果生成信息增量㊂信息增量是推动业务状态向目标状态递进的必要信息㊂这里存在一个理论问题：如何确定完成一个无人化业务所需的最小信息增量？确定最小信息增量是为了避免多余的信息处理，从而最大化信息处理效率㊂信息处理效率理论框架中，信息交互不是简单的一次通信或感知行为，而是端到端的信息处理㊂因此，交互时延包括感知时延㊁通信时延和计算时延，交互带宽是指一次感知通信计算生成的信息增量，而交互可靠性是考虑感知可靠性㊁通信可靠性和计算可靠性在内的信息增量的可信度㊂随着多智能体系统的发展，信息交互方案设计需要面向分布式智能架构，因此面临分布式感知与分布式计算的挑战㊂为了克服无线通信的瓶颈问题，多智能体协同决策通常假设最低的无线通信能力㊂显然，需要很多研究工作去明确信息交互与本地计算之间的信息处理量的折衷关系㊂直观上，交互的类型层次越高，交互量越小，但信息增量可能并不降低，因此尽可能地将感知与计算任务留在本地，而交互较高层次的信息内容（如模型参数㊁目标特征和推理结果等）㊂但这又带来了信息处理能效的问题，信息处理能效是单位时间单位能耗完成的信息处理量㊂目前可以看到，边缘计算或云计算，对于大部分数据分析与模型训练来说，具有更高的能效㊂将本地的数据处理任务卸载到网络，需要仔细考虑无线通信能耗与边缘计算能耗之间的折衷关系㊂此外，对于通信感知一体化方案，还面临硬件设计与干扰管理挑战㊂编码超表面的引入，某种层度增加了智能体的设备成本㊂为了提升编码超表面的编码容量，从单比特调控向多比特调控升级，则需要感知主体具备ＭＩＭＯ信号的处理能力，以检测回波信号中携带的多比特特征信息㊂最后，相比于仅采用无线通信的信息交互，本文所提的一体化信息交互方案额外带来了多种信号干扰，即智能体间㊁小区间的通信信号与感知信号间的干扰，因此需要引入资源与干扰协调机制㊂４㊀结束语以智能体为要素的无人化业务是未来６Ｇ的典型应用㊂分析发现，业务的信息处理流程呈现通感. All Rights Reserved.融合㊁算网融合和网业融合的趋势㊂同时，无线通信与无线感知频谱趋于交叠，技术特征趋势相似，从而驱动智能体信息交互向通信感知一体化方向发展㊂本文所提的一体化信息交互方案有如下特征与优点：一是基于无线感知的无线通信是无线感知的同生 功能，在无线感知的同时，可以读取合作目标的关键信息，不需要额外的频谱资源，实际上，无线通信与无线感知也是一体化频谱设计；二是无线感知读取的关键信息既可以增强通信性能，又可以作为目标检测或识别的先验信息，增强无线感知性能，实际上，无线通信与无线感知也可以相互增强性能；三是作为无线通信与无线感知的中间功能，基于无线感知的无线通信可以让整个信息交互功能实现柔性重构，从完全的无线通信功能变为无线感知，反之亦然㊂通信感知一体化信息交互方案，还需要进一步从理论层面分析其提升信息处理效率的内在机理，并从工程实践角度解决一体化硬件设计和干扰控制问题㊂参考文献［１］㊀王荣浩，邢建春，王平，等．地面无人系统的多智能体协同控制研究综述［Ｊ］．动力学与控制学报，２０１６，１４（２）：９７－１０８．［２］㊀ＡＫＡＮＯＢ，ＡＲＩＫＭ．ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＲａｄａｒｓ：ＳｅｎｓｉｎｇＶｅｒｓｕｓＳｅｎｄｉｎｇｗｉｔｈＪｏｉｎｔＲａｄａｒ⁃Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＣｏｍ⁃ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＭａｇａｚｉｎｅ，２０２０，５８（９）：１３－１９．［３］㊀ＬＩＵＦ，ＭＡＳＯＵＲＯＳＣ，ＰＥＴＲＯＰＵＬＵＡＰ，ｅｔａｌ．ＪｏｉｎｔＲａｄａｒａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｓｔａｔｅ⁃ｏｆ⁃ｔｈｅ⁃Ａｒｔ，ａｎｄｔｈｅＲｏａｄＡｈｅａｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０２０，６８（６）：３８３４－３８６２．［４］㊀殷昌盛，杨若鹏，朱巍，等．多智能体分层强化学习综述［Ｊ］．智能系统学报，２０２０，１５（４）：６４３－６５５．［５］㊀ＲＩＳＴＥＶＳＫＩＳ，ＹＵＣＥＬＥＮＴ，ＭＵＳＥＪＡ．ＡｎＥｖｅｎｔ⁃ｔｒｉｇｇｅｒｅｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｘｃｈａｎｇｅｉｎＮｅｔｗｏｒｋｅｄＭｕｌｔｉａｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，ｅａｒｌｙａｃｃｅｓｓ：１－１２．［６］㊀Ｗｏｒｌｄ５ＧＣｏｎｖｅｎｔｉｏｎ．ＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＳｅｎｓｉｎｇ，ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇｔｏｗａｒｄ６Ｇ［Ｒ］，２０２０．［７］㊀ＳＡＨＡＮ，ＩＦＴＨＥＫＨＡＲＭＳ，ＬＥＮＴ，ｅｔａｌ．ＳｕｒｖｅｙｏｎＯｐｔｉｃａｌＣａｍｅｒａＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：ＣｈａｌｌｅｎｇｅｓａｎｄＯｐｐｏｒｔｕ⁃ｎｉｔｉｅｓ［Ｊ］．ＩＥＴＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１５，９（５）：１７２－１８３．［８］㊀崔子琦，王公仆，魏旭昇，等．反向散射通信的未来应用与技术挑战［Ｊ］．移动通信，２０２１，４５（４）：２９－３６．［９］㊀ＤＡＩＬＬ，ＷＡＮＧＢＣ，ＷＡＮＧＭ，ｅｔａｌ．ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅ⁃ｂａｓｅｄＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：ＡｎｔｅｎｎａＤｅｓｉｇｎ，Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｕｌｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＡｃｃｅｓｓ，２０２０，８：４５９１３－４５９２３．［１０］李然，武刚，李岩．智能反射表面无线通信的信道估计与帧结构设计［Ｊ］．无线电通信技术，２０２１，４７（１）：３６－４３．作者简介：㊀㊀潘成康㊀博士，现任职于中国移动通信研究院㊂主要研究方向：５Ｇ应用技术㊁６Ｇ感知通信计算一体化㊂㊀㊀王爱玲㊀硕士，现任职于中国移动通信研究院㊂主要研究方向：５Ｇ关键技术标准化和６Ｇ感知通信一体化㊁空天地一体化前沿技术㊂㊀㊀刘建军㊀博士，主任研究员，现任职于中国移动通信研究院㊂主要研究方向：６Ｇ感知通信计算一体化㊁６Ｇ天空地一体通信等㊂长期从事４ＧＬＴＥ演进㊁５Ｇ无线关键技术研究及标准化㊁５Ｇ产业推动工作㊂㊀㊀王启星㊀博士，现任中国移动通信研究院未来研究院副院长，６Ｇ项目经理㊂自２００８年开始参与４Ｇ㊁５Ｇ和６Ｇ的前沿技术研究和国际标准化工作，以第一作者或者主要作者身份申请２００余件专利，曾荣获２０１８年度中国通信学会科学技术奖一等奖和中国通信标准化协会科学技术奖二等奖㊂㊀㊀王亚娟㊀硕士，现任职于中国移动通信研究院㊂主要研究方向：５Ｇ通信关键技术㊁６Ｇ感知通信计算一体化等㊂㊀㊀马㊀良㊀硕士，现任职于中国移动通信研究院㊂主要研究方向：６Ｇ愿景与需求㊁感知通信计算一体化㊂. All Rights Reserved.。
人工自旋冰纳米结构以及自旋波传输调控方法
人工自旋冰纳米结构以及自旋波传输调控方法随着科学技术的不断发展，纳米技术已经成为当今世界科技领域中的热点研究方向之一。
在纳米材料的研究中，人工自旋冰纳米结构以及自旋波传输调控方法是当前研究的热点之一。
本文将从纳米结构的定义、人工自旋冰纳米结构的意义、制备方法以及自旋波传输调控方法等方面展开探讨。
一、纳米结构的定义纳米结构是指至少在一个尺度范围内，其尺寸在纳米（10^-9m）量级上具有特殊性质的结构，或者它的特定组元之间有纳米量级的距离。
在纳米结构的范畴内，还有纳米晶体、纳米线、纳米管、纳米孔道等多种形式的结构。
二、人工自旋冰纳米结构的意义自旋冰是一种具有独特自旋排列规律的材料，由于其具有特殊的自旋结构和磁性，在纳米结构中的制备具有非常重要的应用前景。
人工制备的自旋冰纳米结构可以模拟自然界中的自旋冰矿物，并且具有许多新颖的物理特性，在自旋电子学和自旋器件等领域有着广泛的应用前景。
三、人工自旋冰纳米结构的制备方法制备人工自旋冰纳米结构通常采用光刻、蒸发、离子束刻蚀、磁控溅射等工艺方法。
通过这些工艺方法制备出具有所需结构的自旋冰纳米材料，同时需要借助先进的表征手段进行微观结构的分析和表征。
四、自旋波传输调控方法自旋波传输调控方法是指通过在纳米结构中引入磁性材料，利用超快激光和微波等手段对其进行调控，实现自旋波的调控和传输。
这一技术对于自旋电子学的发展具有重要意义，可以实现自旋波传输中的调制和控制，为自旋电子学器件的设计提供了新的思路和方法。
人工自旋冰纳米结构以及自旋波传输调控方法是当前纳米技术领域的研究热点，其在自旋电子学和自旋器件领域具有重要的应用前景。
随着科学技术的不断进步，相信这一领域的研究将会取得更大的突破和进展，为纳米技术的发展和应用带来新的动力。
五、自旋波传输调控的研究进展自旋波传输调控作为一种新型的自旋电子学调控技术，近年来在学术界引起了广泛的关注。
研究人员通过引入非线性磁性材料、磁性多层薄膜结构、纳米线等，在纳米尺度上实现了对自旋波传输和调控的探索。
第十一章 自旋玻璃
J<
四个磁矩 为使问题简化，考虑由四个自旋组成环的情况 它们之间不是等距离间隔，根据RKKY作用的特征，J的正负 与自旋间的距离有关 J<0
J<0
J<0
J< 0
?
J< 0
J>0 J>0 无受挫
J>0 受挫
如果把每两个相邻自旋之间的耦合称作“键” 则J>0的键为正键而J<0的键为负键 从上面简单的例子可以归纳一条规律
三个磁矩 为使问题简化，考虑由三个自旋组成的系统 每个自旋只有两种取向：向上或向下，两两自旋之间交换常 数J的正负号取决于它们间的距离 假定三个自旋组成等边三角形
0
0 J>
当J>0时
同理有
0 J> 0 J>
J>
J>0
J>0
结论：J>0, 三个自旋都取同一个方向，系统能量最低， 为稳定的基态，这里不存在受挫的问题
Tg
温度 可基于熵的变 化得以理解
自旋玻璃的冻结不同于一般意义的相变
自旋玻璃在很高温度时各磁矩完全自由转动，磁系统的总熵 应为cRln(2S+1)。其中c为磁矩浓度，R为气体常数，S为磁矩 的自旋值。 在绝对零度时，全部自旋冻结，系统的磁状态只有一个，因 而磁熵为零。
从很高温度到绝对零度，系统磁熵的变化可以测比热得到
T～Tf ：因热能和磁矩间的相互作用 能相当，磁矩开始不再能够自由转动。
5％ 2％ 1％
20 40 60 80
T(K)
T<Tf ：热能低于磁矩间的相互作用 能，于是磁矩不再能够自由转动，导致 磁化率随温度降低而大幅度下降，在Tf
2） 比热 无论是一级相变还是二级相变，在相变温度附近总有一个 比热的反常，或是极大值，或是比热跳跃。
自旋密度波的概念
自旋密度波的概念全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：自旋密度波（Spin Density Wave, SDW）是一种特殊的电子自旋序，是指晶体中电子自旋在空间上有周期性的序列排列。
自旋密度波是凝聚态物理领域的一个重要研究课题，它在高温超导体、铁基超导体、拓扑绝缘体等材料中都有广泛的应用和研究。
自旋密度波是一种新奇的电子序，相比于传统的电荷密度波，自旋密度波更关注电子自旋的有序排列。
电子自旋是电子的一个内禀性质，类似于电子的“旋转”，它可以沿着一个特定的方向指向。
当电子自旋在晶格中有序排列时，就形成了自旋密度波。
在自旋密度波中，电子的自旋会在空间上呈现周期性的序列排列。
这种周期性的序列可以是一维、二维甚至三维的，取决于材料的晶格结构和电子之间的相互作用。
自旋密度波可以以不同的波矢和频率存在，这使得研究者可以通过调控外界条件来实现对自旋密度波的控制和调控。
自旋密度波的形成会导致晶体中出现磁性序，这种磁性序可以在低温下出现，并且对材料的电导率、热导率等性质产生显著的影响。
自旋密度波的研究有助于揭示材料的磁性性质和电子结构，对于设计和制备新型功能材料具有重要意义。
近年来，自旋密度波在高温超导体和铁基超导体中的研究备受关注。
在高温超导体中，自旋密度波与铁基超导体共存的现象被广泛观察到，研究者认为这种现象可能与高温超导体的机制有关。
在铁基超导体中，自旋密度波被认为是控制超导相变的关键因素，对研究者揭示铁基超导体机制和设计新型铁基超导体材料具有重要意义。
自旋密度波还被发现在拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料中。
在这类材料中，由于电子的自旋和动量之间存在特殊的关系，自旋密度波可以导致一些独特的物理现象，如自旋霍尔效应、自旋态密度波等。
这些独特的物理现象为研究者提供了研究拓扑材料和拓扑量子计算的新思路。
自旋密度波是一种重要的电子序，对于揭示材料的电子结构和物理性质具有重要意义。
自旋密度波在高温超导体、铁基超导体、拓扑绝缘体等材料中都有广泛的应用和研究，帮助研究者揭示新的物理现象和设计新型功能材料。
自旋推进微纳卫星机理分析
自旋推进微纳卫星机理分析梁振华;廖文和;张翔【摘要】To solve the problem of transverse torques on micro-nano satellites during orbital maneuver, the spin-stabilized method was selected to reduce velocity pointing error. Considering the effects of mass variation and jet damping, the spinning thrusting satellite model which subjected to constant force and zero axial torque was established. After that, the analytic solutions for angular velocity, angular momentum, asymptotic limits of angular velocity and Euler angle were obtained. The example was simulated and the results show that the analytic solutions are highly accurate. Besides, the transverse angular velocity and Euler angle are changing periodically, and the amplitude of transverse angular velocity decreases as the time is increasing. What' s more, the curve of angular momentum vector pointing is a circle, and the radius is nearly equal to the satellite velocity increment pointing error. Also, the dynamic unbalance characters of the micro-nano satellite under high spin rate have little influence on the spinning maneuver process. As the micro-nano satellite becomes more disklike, the velocity increment pointing error can be decreased, and the accuracy of the orbit maneuver is raised.%为解决微纳卫星在机动变轨过程中受到侧向干扰力矩的问题,选择自旋稳定的方式,降低卫星速度指向偏差.考虑到质量变化以及喷气阻尼力矩的影响,建立恒定推力下无轴向扭矩的微纳卫星自旋推进模型,得到角速度、欧拉角、角动量以及角速度和欧拉角最大值的解析解.应用实例进行数值分析,结果表明:所求得的解析解精度较高;在发动机点火过程中,侧向角速度和欧拉角呈周期性变化,其中侧向角速度振幅越来越小;角动量矢量指向曲线为一圆形,圆形的半径近似等于卫星速度增量指向偏差;高速自旋的微纳卫星动不平衡特性对卫星自旋机动过程影响较小;微纳卫星的外形越接近于圆盘状,卫星速度增量指向偏差越小,变轨精度越高.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2018(050)001【总页数】7页(P127-133)【关键词】微纳卫星;自旋推进;解析解;角动量;速度增量【作者】梁振华;廖文和;张翔【作者单位】南京理工大学机械工程学院, 210094 南京;南京理工大学机械工程学院, 210094 南京;南京理工大学机械工程学院, 210094 南京【正文语种】中文【中图分类】V430随着微纳卫星技术的不断发展，对卫星轨道机动能力提出了较高的要求. 相较于推力小、总冲低的微推力器而言[1]，固体发动机由于密度冲量高、体积小、结构简单、工作时间短等优势，可以用于微纳卫星快速轨道机动、空间星座部署以及离轨装置等[2-3]. 然而，由于发动机的安装误差、卫星质心偏差、发动机喷口偏离卫星主轴等原因，在点火过程中产生了侧向干扰力矩. 在不施加任何稳定方式情况下，微纳卫星受到侧向干扰力矩后，导致其速度方向偏离设计方向，从而影响其飞行轨迹. 为了降低微纳卫星在机动变轨过程中的速度指向偏差，可以选择自旋稳定控制方式[4-5].航天器通过自旋稳定降低速度指向偏差的研究已经发展数十年，并且部分已经在轨得到了验证[6]. 在自旋推进过程中发动机推力恒定，航天器角速度越大，速度增量指向偏差越小[7]. Longuski等[8-11]在恒定侧向力矩、无轴向扭矩以及忽略喷气阻尼力矩的假设下，推导出自旋推进卫星欧拉角、角动量、惯性速度、惯性位移的解析解. 根据所求得的解析解，研究了航天器自旋稳定过程中三轴方向的运动规律. 此外，Longuski又提出了使用双脉冲发动机来降低航天器速度指向偏差的方法，在发动机第一次点火结束后，航天器速度增量方向偏离设计方向一定的角度. 维持航天器自旋角速度不变，使其绕自旋轴转过一定的角度后，进行第二次点火. 通过合理的设计两次点火之间的时间间隔，使第二次点火所产生的速度增量指向偏差方向刚好与第一次相反，从而能够提高卫星在机动过程中的变轨精度[12-13]. 郜冶[14-15]及Thomson[16]研究表明，固体火箭发动机质量变化、喷气阻尼力矩以及内部燃气流对飞行器章动角度也会产生一定的影响. 对于常规大卫星而言，由于其质量高、主惯量大，在忽略卫星质量变化和喷气阻尼力矩的情况下所建立的理论模型，对计算结果的影响较小[8-13]. 而对于微纳卫星而言，星上所携带的推进剂质量分数较高，并且由于微纳卫星质量小，发动机在工作过程中所产生的喷气阻尼力矩对卫星的作用就显得尤为重要.本文开展了恒定推力作用下微纳卫星自旋推进机理研究，根据所建立的理论模型，结合仿真算例，研究了微纳卫星自旋推进运动，分析了微纳卫星自旋推进过程中速度增量指向偏差的影响因素，对微纳卫星自旋机动有一个较深入的了解.如图1所示，恒定推力作用下微纳卫星在自旋推进过程中为一绕固定点旋转的刚体，令坐标系o-xyz固定在微纳卫星上，原点位于卫星质心，3个坐标轴方向分别对应星上3个主轴方向，其中z轴为微纳卫星自旋轴. 发动机的推力大小为F，推力指向偏差角度为α，推力作用点偏移自旋轴的距离为d，喷口与卫星质心之间的距离为h, 3个轴方向上所受到的力矩分别为Mx、My、Mz. 为了能够较为显著地突出微纳卫星在发动机点火过程中的运动，设置惯性参考坐标系O-XYZ的原点O 位于初始时刻o-xyz的原点，3个轴指向分别与初始时刻o-xyz 3个轴指向一致，在微纳卫星自旋机动过程中，X、Y、Z轴指向恒定不变[9].考虑到推进剂质量损耗和发动机喷气阻尼力矩所产生的影响，微纳卫星自旋推进欧拉动力学方程为[17]由于发动机安装误差d较小，忽略卫星3个轴方向上主惯量的变化，对微分方程组(1)进行简化，令式中a为发动机点火过程中的喷气阻尼力矩大小. 发动机在工作过程中，推力作用点与卫星质心之间距离h的变化较小，因而在发动机质量流量一定的情况下，喷气阻尼力矩为一恒定值. 对于轴对称微纳卫星而言，Ix=Iy=I，令微纳卫星在发动机点火之前，可以通过星上所安装的磁力矩器进行起旋[17]，当达到卫星机动变轨所需要的自旋角速度后，触发发动机点火. 因此，在自旋推进过程中，z轴上的力矩Mz为0. 设置卫星自旋角速度的恒定，令ωx(0)、ωy(0)均为0，根据式(1)～(3)求解出微纳卫星侧向角速度解析解分别为对于大卫星而言，由于其3轴方向上的主惯量较大，在发动机工作过程中at/I的值近似为0，此时exp(-at/I)等于1，因而喷气阻尼力矩对大卫星角运动的影响可以忽略不计. 根据式(4)可知，卫星侧向角速度变化曲线为一振幅恒定的正弦曲线，与文献[18-20]分析结果一致. 然而,对于微纳卫星而言，卫星三轴方向上主惯量较小，at/I值较大，此时exp(-at/I)的值对侧向角速度带来了一定的影响，并且发动机工作时间越长，at/I值越高，卫星侧向角速度振幅也不断减少. 对解析解(4)进行化简，设置My=0，Iz<I，由于a较小，在简化过程中忽略其高阶项，从而得到发动机点火过程中，微纳卫星侧向角速度最大值约为按照3-1-2欧拉变换顺序建立微纳卫星在惯性参考坐标系O-XYZ内的运动方程为[20]在自旋角速度ωz0恒定的情况下，微纳卫星在自旋推进过程中φx、φy较小，对式(6)简化后可得o-xyz与O-XYZ两个坐标系在初始时刻重合，即φx0、φy0、φz0均为0，因此根据方程组(7)，结合侧向角速度解析解(4)，求解出微纳卫星x、y、z轴方向上的欧拉角解析解分别为式中: cosh(2at/I)为双曲余弦函数; A11、A12、A2、A31、A32、B11、B12、B2、B31、B32、C为关于Mx、My、I、k、a的参数，其中A为参数B为参数C为C=ωz0(a2+I2k2)(a2+I2+2I2k+I2k2).从式(8)可以看出，微纳卫星x,y轴方向上的侧向欧拉角变化规律一致，由于解析解内存在双曲余弦函数和指数函数，导致其变化规律较为复杂. 对式(8)进行化简，求出在发动机点火过程中，侧向欧拉角最大值约为微纳卫星在参考惯性坐标系O-XYZ内的角动量矢量H为式中方向余弦矩阵R312为[20]结合角速度和欧拉角的解析解，则微纳卫星角动量解析解为微纳卫星在机动过程中角动量矢量与X、Y轴之间的夹角θx、θy分别为由于θx、θy值较小，在计算解析解过程中，将式(13)简化为因此，微纳卫星自旋推进过程中角动量矢量指向角度为对理论模型进行数值仿真，在给定算例参数的情况下，采用四阶/五阶Runge-Kutta法求解式(1)、(6)、(10)微分方程组，计算出相应的高精度数值解. 再将参数带入所求得的解析解内，计算出角速度、欧拉角以及角动量的值. 参照3 U立方星设计标准，设置卫星初始质量m0为5 kg[21]，自旋角速度为100 r/min，发动机推力大小保持50 N恒定不变，点火时间为4 s，其他参数如表1所示.从表1可以看出，所选择的立方星为轴对称卫星，其惯性积为零. 然而在实际情况下，由于卫星加工、装配等多方面的原因，高速自旋的微纳卫星存在由不均匀的质量分布而引起的动不平衡特性，为了研究其对卫星自旋机动过程的影响，在仿真过程中又加入了1%的惯量积，并与其他两种仿真结果进行对比. 计算过程中，令发动机所产生的侧向力矩均在x轴上，y轴上的力矩为0，则微纳卫星在3个轴方向上的所受到的力矩分别为在My=0时，微纳卫星在惯性参考坐标系O-XYZ内运动过程如图2所示. 角动量H轨迹为一圆形，惯性参考坐标系原点与圆心的连线为平均角动量矢量指向ΔHavg.根据表1中参数，计算出微纳卫星侧向角速度ωx(t)和侧向欧拉角φx(t)分别如图3所示(x,y方向上角速度、欧拉角变化规律一致).由图3(a)可以看出，在恒定推力作用下，侧向角速度大小呈周期性变化，发动机的喷气阻尼力矩与角速度的震荡方向相反，阻止了微纳卫星侧向角运动，导致侧向角速度振幅不断减小. 发动机工作时间越长，喷气阻尼力矩的影响越大，振幅减小越明显，但是对震荡周期没有任何影响. 从图3(b)中可以看出，欧拉角在卫星机动过程中变化规律较为复杂，其振幅并没有受到喷气阻尼力矩的影响而逐渐变小，而是在增加到一峰值时又迅速降低，保持在一定范围内，并且在发动机工作过程中不断重复此过程. 此外，从图(3)中不难看出，在仿真过程中添加了惯量积后，分析结果存在微量的差异. 在发动机点火过程中，惯量积仅仅对角速度和欧拉角的振幅产生了少量的影响. 由图(3)可以看出，根据式(5)和式(9)计算得出的角速度和欧拉角的最大值近似解与实际变化曲线的峰值相差较小，因而表明所推导的最大值解析解精度能够满足计算要求.根据图(3)可知，所求得的角速度和欧拉角的解析解与数值解所绘制的曲线基本重合. 绘制出ωx(t)、φx(t)的数值解和解析解之间的差异随时间变化关系曲线如图4所示. 从图4可以看出，解析解与数值解之间的差异呈周期变化，随着发动机点火时间的增加，二者相差也越来越大. 但是在发动机点火过程中，解析解与数值解之间的差异在较小的范围内，因此所求得的解析解精度较高.将上述所求得的角速度和欧拉角的数值解，带入式(10)、(11)、(13)，计算出角动量矢量的数值解. 再根据式(12)、(14)，计算出角动量矢量的解析解，绘制出微纳卫星角动量矢量指向随时间变化关系曲线如图5所示.从图5中绿色实线可以看出，角动量指向呈周期性变化，变化曲线为一圆形，圆形的半径即为该周期内微纳卫星的平均角动量矢量指向偏差. 随着发动机工作时间的增加，在喷气阻尼力矩作用下，圆形半径不断减小，平均角动量矢量指向偏差也逐渐降低. 然而,由于喷气阻尼力矩较小，平均角动量矢量指向偏差在微纳卫星机动过程中的减少幅度有限，内外圆半径差较小，仅仅为0.008 rad. 因此，在计算平均角动量矢量指向偏差时，可以取半径最大的圆作为平均角动量指向偏差θavg的保守值，约为0.110 rad. 在理想情况下，微纳卫星不受任何侧向干扰力矩时，平均角动量矢量与速度增量指向方向一致，均沿着Z轴方向. 然而由于受到侧向干扰力矩的影响，导致二者方向偏离Z轴一定的角度. 平均角动量矢量指向偏离Z轴角度越小，速度增量方向也越接近理想状态. 当平均角动量矢量与Z轴之间的夹角较小时，平均角动量矢量指向偏差近似等于速度增量指向偏差[22]，从而可以计算出卫星在惯性参考坐标系内的速度和位移增量. 根据牛顿运动定律，考虑到卫星在机动过程中质量的变化，可以计算出理想情况下卫星速度增量约为41.516 m/s，位移变化为82.006 m. 当采用自旋稳定的方式进行控制时，在已知平均角动量矢量指向偏差的情况下，计算出卫星Z轴方向上的速度增量约为41.265 m/s，位移变化约为81.510 m. 与理想状态下对比，精度较高，能够满足微纳卫星机动变轨要求. 微纳卫星的平均角动量矢量指向角度越小，所获得的速度增量越大，机动变轨精度越高.对比图(5)中角动量指向的数值解和解析解曲线可以看出，由于在求解欧拉角解析解的过程中对微分方程组(6)进行了简化，导致所计算的角动量指向解析解曲线为一不规则曲线. 随着发动机工作时间的增加，相对于数值解而言，解析解放大了喷气阻尼力矩的作用，导致圆形半径收敛较为明显. 然而,在发动机点火过程中，二者相差始终保持在0.005 rad范围内，因此，通过解析解计算得出的平均角动量矢量指向偏差具有一定的参考意义. 此外，从图5中还可以看出，微纳卫星不均匀的质量分布而引起的动不平衡特性，降低了自旋推进角动量指向偏差角度，对自旋推进微纳卫星影响较小，基本可以忽略.根据上文分析可知，微纳卫星在自旋推进过程中质量变化和所受到的喷气阻尼力矩对卫星平均角动量矢量指向偏差的影响较小. 微纳卫星角动量指向变化曲线为一圆形，X、Y轴向上的角动量指向变化规律一致，根据所求得的角速度和欧拉角的最大值的解析解，推导出角动量指向偏差最大值的解析解为通过式(15)可以计算出角动量指向变化曲线的直径大小，从而能够推算出微纳卫星在机动变轨过程中的速度增量指向偏差. 从式(15)可知，在侧向力矩Mx一定的情况下，微纳卫星速度增量指向偏差主要由卫星三轴方向上的主惯量和自旋角速度决定，与发动机工作时间无关. 固定微纳卫星侧向力矩恒定不变，按照表1中的相关参数，分析在4种不同自旋角速度情况下，卫星速度指向偏差和z轴方向上主惯量大小关系如图6所示.从图6可以看出，在侧向力矩和自旋角速度一定的情况下，卫星轴向主惯量越大，速度指向偏差越小，机动变轨精度越高. 在轴向主惯量和侧向主惯量相差较大时，提高轴向主惯量可以显著降低速度指向偏差；随着轴向主惯量大小不断接近于侧向主惯量，微纳卫星的速度指向偏差变化也逐渐趋于恒定. 此外，卫星自旋角速度越高，机动过程中的速度指向偏差越小，但是提高卫星自旋角速度对星上其他载荷也提出了较高的要求. 因此在前期方案设计过程中，在不影响星上其他载荷以及飞行任务的情况下，为了降低微纳卫星的速度增量指向偏差，可以选择将微纳卫星的外形设计为圆盘状.本文针对微纳卫星机动变轨过程中，由于受到侧向干扰力矩的影响，导致卫星偏离所设计的轨迹问题，开展了微纳卫星自旋推进机理研究. 考虑到微纳卫星质量轻、主惯量小等因素，建立了恒定推力作用下微纳卫星自旋推进模型. 推导了微纳卫星机动变轨过程中角速度、欧拉角以及角动量的解析解. 在假设My=0，Iz<I的情况下，对所得到的解析解进行简化，推导出了角速度、欧拉角以及角动量指向最大值的解析解. 结合仿真算例，对所求得的解析解进行理论分析，从而得出如下结论：1)侧向角速度呈周期性变化，并且由于受到喷气阻尼力矩的影响，随着发动机工作时间的增加，其振幅越来越小. 侧向欧拉角的变化规律较为复杂，其振幅在增加到一峰值时又迅速降低，在发动机工作过程中不断重复此过程.2)所求得的侧向角速度、欧拉角、角动量以及角速度和欧拉角最大值的解析解精度较高，能够满足计算要求.3)角动量指向随时间变化关系的曲线为一近似圆形，该圆的半径即为微纳卫星平均角动量矢量指向偏差，所求得的平均角动量矢量指向偏差近似等于微纳卫星机动变轨的速度增量指向偏差.4)分析了高速自旋的微纳卫星动不平衡特性对卫星自旋机动过程的影响，结果表明添加惯量积后，对自旋推进微纳卫星影响较小，基本可以忽略.5)微纳卫星在机动变轨过程中，当采用自旋稳定的方式进行控制时，卫星所获得的速度增量以及位移增量与理想状态下对比，精度较高.6)在发动机推力参数一定的情况下，微纳卫星自旋轴上的主惯量Iz越大，速度增量指向偏差越小，卫星飞行轨迹越接近于设计方向. 因此在前期方案设计过程中，为了降低微纳卫星的速度增量指向偏差，提高卫星变轨精度，可以将卫星的外形设计为圆盘状.【相关文献】[1] 梁振华,刘旭辉,朱朋,等. 固体冷气推进剂性能初步分析[J]. 推进技术, 2016, 37(1): 181-187. 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自旋玻璃：无序与阻错系统的简单模型
• 3D regular lattice
(Edwards-Anderson, 1975)
• Complete graph
(Sherrington-Kirkpatrick 1975)
• Random Poisson graph
(Viana-Bray, 1985)
8
11
ergodic vs non-ergodic
?
12
repeated heating—annealing and the equilibrium Gibbs measure
Complexity （复杂度）
13
distribution of equilibrium free-energies
1
……
6
Equilibrium (static) and dynamical properties of complex systems are both difficult and interesting • Quenched randomness, frustration, nonself averaging, …, broken ergodicity. • NP-complete combinatorial optimizations, message-passing algorithms for information science (CDMA, for example!), econo-physics, …, biological systems.
23
How to calculate the grand free energy? The cavity approabrium dynamics of even a simple system may be difficult to understand
Formal framework. Connection with equilibrium.
Glassy dynamics. Why relaxation becomes so low and non-exponential?
Macrostates of minimal free energy density matter!
17
3-spin-Interaction Ising model on a complete graph
18
the mean free energy density
19
Overlap Distribution
自旋玻璃与消息传递算法
Spin Glass and Message-Passing Algorithms
周海军 /~zhouhj/ 中国科学院理论物理研究所
提纲
1。自旋玻璃理论
• 基本图像与平衡自 由能分布 • 空腔方法
2。消息传递算法
• Vertex-Cover 问题, 3SAT 问题 • Survey Propagation算 法
What we learned from an equilibrium statistical mechanics course?
9
What we learned from an equilibrium statistical mechanics course? (contl.)
10
What we learned from an equilibrium statistical mechanics course? (contl.)
2.
3.
如果对报告中所涉及的具体模型的计算细节感兴趣，请参考 /~zhouhj/mainen.html
3
自旋玻璃理论： 自由能分
Statistical mechanics of a (simple) system in equilibrium is well-established. Partition function, free energy, …. Mean-field treatment. Phase transitions. Correlation length, scaling exponents, … . Renormalization flow.
14
distribution of equilibrium free-energies (contl.)
2
15
16
Which thermodynamic states contribute to the equilibrium properties? • If • If
Excited macrostates matter!
20
自旋玻璃理论： 空腔方法（cavity method)
Let’s define an artificial system!
22
Some examples of the grand free energy： 2-body interactions
Beta=1.25 Beta=+infinity The max-2-SAT problem The +/- J spin-glass model on a random regular graph of degree K=6
2
部分参考文献
1. Mezard, Parisi, Virasoro, “Spin Glass Theory and Beyond” (World Scientific, 1987） Mezard, Parisi, “The Bethe lattice spin glass revisited”, European Physics Journal B 20: 217-233 (2001) Mezard, Parisi, Zecchina, “Analytic and algorithmic solution of random satisfiability problems”, Science 297: 812-815 (2002)