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2022年 第58卷 第6期 刊出日期：2022-11-20

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2022年第6期目次

2022, 58(6):  0. 

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重复使用火箭着陆缓冲的机构冲击动力学分析及实验验证

袁晗, 王小军, 张宏剑, 牟宇, 王檑, 王辰

2022, 58(6):  977-988.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.084

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为描述运载火箭着陆引起的着陆缓冲机构横向振动, 提出一种等效模型, 将着陆引起的激励等效为冲击激励和稳态激励的叠加。采用假设模态法求解着陆缓冲机构的横向振动模态, 并考虑轴向力与横向振动的耦合, 进一步通过模态叠加法求解振动响应, 得到由着陆冲击引起的着陆缓冲机构横向振动的半解析解。基于真实产品进行的垂直着陆冲击实验结果表明, 该模型可较精确地描述着陆缓冲机构横向振动的响应和最大弯矩。基于该模型, 分析着陆缓冲机构的构型参数和材料强度对着陆缓冲机构的影响, 研究结果可为实际工程相关着陆缓冲机构的参数设计提供指导。

高焓可压缩流动热辐射颗粒两相流理论分析

李婷婷, 刘朋欣, 袁先旭, 周强, 李青

2022, 58(6):  989-998.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.039

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从理论上推导了弥散热辐射颗粒与可压缩流动的耦合方程, 发现弥散颗粒与携带流体的相间传热系数与马赫数平方成正比。极端高温下, 弥散颗粒相与携带流体相的对流传热是单向的, 即等温颗粒不断通过对流作用传热给流体, 但对流作用无法冷却高温热辐射颗粒。通过考察均匀流中缩核效应对惯性颗粒动力学的影响, 发现质量损失会诱导颗粒惯性参数发生变化, 从而改变颗粒的非定常速度曲线。

表面等离激元波导中表面等离激元二次谐波的产生机制

张同舟, 徐艺, 高宝伟, 张家森

2022, 58(6):  999-1006.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.085

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在表面等离激元波导的二次谐波产生过程中, 波导较大的色散导致的相位失配阻碍了其实际应用, 能够消除相位失配的波导尚未见实验报道。通过将单层二硫化钼与平面表面等离激元波导相结合, 在波导中实现从基频表面等离激元到倍频表面等离激元的转化, 并研究单层二硫化钼-银结构的二次谐波产生特性, 为表面等离激元波导中二次谐波产生的实际应用打下基础。

一种SHA2硬件加速器的设计方法

马占刚, 李婷婷, 曹喜信

2022, 58(6):  1007-1014.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.086

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针对SHA2硬件吞吐率难以提升的问题, 提出一种提升SHA2硬件加速器性能的新方案。1) 使用4 Kb的乒乓缓存存储填充好的消息块, 使消息填充单元和哈希迭代运算单位两部分硬件电路得以两级流水并行处理。2) 在哈希迭代运算中, 提取对两轮哈希迭代运算没有依赖性的计算作为预处理, 使之与迭代运算的后处理部分形成真正的流水线处理, 可以避免以往研究中的伪流水线问题。3) 预处理和后处理部分均采用无进位链的3:2压缩器/4:2压缩器和快速加法器等电路, 使关键路径明显变短, 关键路径延迟明显变小。该方案还支持SHA2双哈希计算: 直接对源操作数的摘要进行第二次哈希计算, 得到双哈希计算的最后结果, 减少外部存储器的访问次数和数据处理, 从而提升SHA2双哈希计算的处理速度。

基于FPGA的SSD目标检测硬件加速器设计

谢豪, 曹健, 李普, 赵雄波, 张兴

2022, 58(6):  1015-1022.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.096

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设计了一种基于FPGA的目标检测算法的硬件加速器, 采用循环分块和循环展开的方式来优化卷积池化循环, 可以以任意并行度进行卷积和池化计算。使用一种基于AXI总线的数据重排序方式, 在不带来额外硬件资源开销的情况下, 对特征图进行重排序, 可以降低数据传输时间。将该硬件加速器部署至Xilinx ZCU 102开发板进行验证, 结果表明SSD算法前向推理性能为534.72 GOPS, 推理时间为113.81 ms。

基于iRAM的抗物理内存泄露攻击密码算法轻量化实现

李彦初, 荆继武, 雷灵光, 王跃武, 王平建

2022, 58(6):  1023-1034.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.095

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提出一种基于iRAM的轻量安全密码算法实现方案, 可以在不影响系统中需要iRAM辅助的正常功能情况下, 实现多个密码算法的并发执行。该方案将密码算法实现中的敏感数据限制在单个可加载段中, 同时分离该段中的非敏感数据, 并通过修改可信应用的加载方式、仅将包含敏感数据的段分配到iRAM空间等方法, 尽量减少密码运算对iRAM的占用。在真实设备上实现国内外具有代表性的一系列密码算法, 实验结果表明, 所有算法的性能开销均小于4.3%, iRAM使用量皆少于4.5 KB, 比现有方案节省78%以上, 能够支持方案在所有主流平台上部署。

基于ARM+FPGA异构平台的目标检测加速模块设计与实现

李放, 曹健, 李普, 谢豪, 赵雄波, 王源, 张兴

2022, 58(6):  1035-1041.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.089

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为解决基于深度学习目标检测模型规模大、在边缘设备上难以部署的问题, 以YOLO目标检测模型为例, 设计实现基于ARM+FPGA异构平台的目标检测加速模块。该系统使用剪枝、量化后的压缩模型, 在FPGA实现神经网络前向推理加速, 在ARM中实现加速器调度。实验结果表明, 部署至Xilinx ZCU102开发板上, 该模块在200 MHz工作频率下, 平均计算性能达到425.8 GOP/s, 推理压缩模型速度达到30.3 fps, 模块功耗为3.56 W, 证明该加速模块具备可配置性。

基于CALPUFF模型的毒害性气体泄漏事故三维动态模拟方法——以开县井喷事故为例

张溶倩, 李梅, 杨冬偶, 刘晖

2022, 58(6):  1042-1054.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.094

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针对目前基于大气扩散模型开发的应急管理 GIS 系统中存在的时空分辨率低、未考虑三维地形等问题, 提出一套基于CALPUFF模型的三维气体扩散模拟方法。经过多层计算, 获得气体扩散浓度的三维时空分布数据。 通过Marching Cubes可视化技术读取并显示 , 可以实现三维空间的气体动态扩散效果 。以“12·23”开县特大井喷事故为案例进行模拟, 并开展二、三维对比以及模拟数据与实际情况对比分析。结果表明, CALPUFF模型三维计算得到的气体浓度在量级和空间分布上具有较高的精确性, 三维时空动态模拟具有较高的时空分辨率和重建效率, 可以达到较好的可视化效果, 能够更好地表达气体泄漏过程和扩散规律, 为应急管理提供重要的辅助手段。

海域天然气水合物开采的井中可控源电磁监测三维正演模拟

刘滢, 何涛, 张毅

2022, 58(6):  1055-1068.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.090

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为掌握海域天然气水合物在大范围开采过程中的分解范围和分解程度, 应用有限元软件COMSOL, 对采用井中可控源电磁方法监测天然气水合物开采过程进行正演模拟。通过构建含高阻天然气水合物储层的三维地层模型, 在比较井中垂直源监测系统相对于传统拖曳式水平源优势的基础上, 分析垂直源监测系统中金属套管、垂直源深度、频率、观测误差和噪声等参数对海底电场响应的影响。模拟结果表明, 金属套管、垂直源深度和电流发射频率对井中电磁监测效果的影响较大, 在有套管时, 垂直源的布设深度应位于天然气水合物储层之下, 并采用1 Hz的低频发射电流; 在小收发距时, 监测系统的观测误差和噪声对有套管监测系统的性能影响不大。天然气水合物开采范围扩大时, 井中垂直源监测系统可以确保海底接收器探测到相应的电场信号变化, 并有效地识别开采范围的横向边界。因此, 采用井中可控源电磁方法对海域天然气水合物开采过程进行储层动态监测是可行的。

华南块体各向异性分区及上地幔动力学含义

林玉婷, 于勇, 陈永顺

2022, 58(6):  1069-1076.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.091

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利用SKS波分裂方法, 对布设在华南地区的宽频带流动地震观测台阵数据进行分析。研究结果表明, 华南块体(SCB)的SKS波分裂自西向东存在明显的变化。在华南块体西部克拉通岩石圈保留完整的四川盆地区域, SKS波分裂不明显, 反映该区域岩石圈厚且缺乏大规模的一致性变形; 在四川盆地东缘褶皱带区域, SKS波分裂快波方向主要为NNE向, 分裂延迟时间可以达到1 s左右, 记录了该区域岩石圈地幔经历的一致的显著变形; 华南块体东部的SKS波分裂快波方向主要为ENE向, 分裂延迟时间为1 s左右, 该区域各向异性主要来自软流圈流动的贡献, 与大地幔楔的流动方向契合; 四川盆地东缘以东200 km范围内, 各向异性结果大部分显示为Null值, 显示该区域在地质历史上可能发生过复杂的地球动力学过程。

中高密度城市居住区热岛强度计算模型研究

刘衍, 李奇, 杨柳, 张腾跃, 刘加平

2022, 58(6):  1077-1090.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.092

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基于城市热岛效应形成的物理过程, 采用解析法求解能量平衡方程, 构建城市热岛强度计算模型, 为考虑热岛影响的室外建筑热工设计参数修正提供基础模型。该模型包括城市地表能量平衡计算模块和城市冠层能量平衡计算模块两部分。同时, 采用全球城市热岛数据集以及西安、伯明翰、麦迪逊和巴塞尔的观测数据对模型进行验证, 结果表明, 城市地表能量平衡计算模块在郊区自然下垫面(RMSE<1℃)和城市建成区下垫面(RMSE<3.2℃)都具有较高的精度; 城市冠层能量平衡计算模块的计算精度较高(RMSE<1.5℃), 与同类型模型的计算精度相近, 并与实测结果有很好的一致性。采用观测数据验证城市热岛强度计算模型构建过程中仅保留一阶项的合理性(RMSE<0.7℃)。敏感性分析结果表明, 城市下垫面参数的敏感性受气候条件影响; 气象要素中, 风速的敏感性最高。

城市红树林表层沉积物微量金属的环境质量矿物学分析

关淳雅, 李瑞利, 王茜, 郭文潇, 沈小雪

2022, 58(6):  1091-1100.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.101

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选择深圳市福田、坝光、沙井和西乡4个典型样地, 测定红树林表层沉积物的矿物组分和微量金属元素含量, 采用矿物学评价体系探究矿物组成对微量金属富集的影响。结果表明, 深圳城市红树林表层沉积物矿物组成以黏土矿物和石英为主, 样地间存在差异; 沙井红树林微量金属污染最严重, 西乡和福田红树林次之, 坝光红树林污染程度最轻, 多种微量金属的富集受到人类活动影响; 微量金属的富集与沉积物矿物组分相关, 石膏和黏土矿物具有较高的微量金属富集能力。

深圳市公共体育设施空间供需及影响因素研究

吴健生, 钱韵, 王宏亮, 朱蕙桢, 王晗

2022, 58(6):  1101-1110.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.088

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基于“10分钟健身圈”的视角, 结合兴趣点(POI)和手机信令等数据, 使用GIS网络分析测量深圳市公共体育设施可达性, 并利用基尼系数对深圳市公共体育设施资源供需匹配的公平性进行分析。运用地理探测器方法, 探究深圳市公共体育设施空间供需的影响因素, 得到如下结果。1) 深圳市公共体育设施总体上可达性较高, 基本上满足10分钟健身圈的要求。2) 公共体育设施资源分配相对平均。同一市辖区不同街道的设施分配高度公平, 市辖区之间的平等性可以进一步提升。3) 盐田区、坪山区和大鹏新区的街道供需匹配较好, 福田区和罗湖区交界处街道的体育设施分布集中, 对服务能力造成一定的限制。4) 地价因素是影响深圳市公共体育设施空间供需关系的最主要因素, 其次是路网密度和公交站点数目, 人口总数和人造地表比例也对供需关系存在一定的影响。

基于生态完整性和社会服务功能的柏条河–府河河流健康评价

席浩郡, 袁一斌, 昝晓辉, 李天宏

2022, 58(6):  1111-1120.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.104

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以成都市锦江流域典型河段柏条河–府河为研究对象, 从河流健康内涵出发, 选取生境特征、生物群落和社会服务三方面共16个指标, 建立满足河流生态系统完整性和社会服务功能的河流健康评价指标体系, 采用实地勘查、遥感、GIS和环境DNA等方法来定量化指标, 通过综合评价法分4个河段进行河流健康评价。结果表明, 各评价河段的河流健康评价指数范围为3.23~3.82, 处于亚健康水平。河流健康评价指数呈现从上游到下游沿程降低的趋势, 不同河段河流健康水平表现出的强空间异质性与人类活动相关。研究结果可为成都平原河流的可持续管理提供科学依据, 也为其他受人类活动影响的河流系统的健康评价提供方法。

面向空间管控的村庄分类方法与实践——以天津市武清区为例

戴林琳, 余璇, 吕晋美

2022, 58(6):  1121-1129.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.103

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针对村庄分类实践中普遍存在与空间管控需求衔接不紧密, 影响规划上下传导有效性的问题, 基于实用性原则, 探讨如何分步对接空间管控与用途管制要求。在此基础上, 结合村庄发展潜力评价结果以及多轮上下联动组织方式, 形成兼顾实际管控需求和村民发展诉求的村庄类型谱系与分类路径, 并以天津市武清区622个村庄为例开展实证研究。

考虑植被盖度的城市蒸散发模拟研究

陈挚, 黄樱, 丁金山, 石喆, 邱国玉, 鄢春华

2022, 58(6):  1130-1140.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.097

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基于城市涡动相关系统每30分钟蒸散发数据, 结合足迹源区分析及研究区域遥感数据, 获取源区植被盖度, 构建基于随机森林的蒸散发模拟方法。将此模拟方法应用于涡动系统空缺值插值, 并探究深圳干湿季蒸散发的主要控制因子, 得到如下结论。1) 与不考虑植被盖度的随机森林模型及边际分布抽样算法(MDS)相比, 考虑植被盖度的随机森林模型可以更高精度地模拟城市蒸散发。与实测数据相比, 模型的R²=0.73, RMSE= 20.5 W/m², MAE=13.3 W/m², pbias=0.8%。2) 对湿季日间较高蒸散发时期的空缺值进行插值, 考虑植被盖度的随机森林模型显著优于MDS模型。与实测数据相比, MDS插值模型低估 12.4%, 而随机森林模型低估 4.7%。3) 深圳湿季期间, 植被盖度是蒸散发的主要控制因素。在干季, 温度、净辐射以及饱和蒸气压差是蒸散发的主要控制因子。

大气湿对流的类型和深厚湿对流触发机制综述

郑永光, 陈炯

2022, 58(6):  1141-1152.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.093

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梳理大气湿对流和强对流天气的定义和特征, 综述深厚湿对流(DMC)的触发机制研究进展。类似贝纳德对流的大气浅薄湿对流积云的组织形态取决于边界层大气垂直风切变强度。按照触发高度, 可将DMC划分为地基对流和高架对流; 按照强弱程度, 也可以将 DMC划分为强雷暴和普通雷暴。虽然强对流天气的定义具有一定的主观性, 不同国家的定义标准存在差异, 但都具有极端性和易致灾等特点。然而, 全面监测这些天气的类型和强度的难题依然存在。地基对流的触发机制实际上位于边界层, 最为复杂多样; 很多 DMC的触发是辐合线相互作用或不同机制共同作用的结果。未来需要加强边界层的精细探测能力, 深入研究DMC触发机制的气候学特征和机理, 更需要提升高时空分辨率资料同化水平和边界层过程的数值模拟能力。

攀登科学高峰 探索生命奥秘——人工合成牛胰岛素

2022, 58(6):  1153-1156. 

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