黄渤海地区大气折射环境参数统计分析

大气折射环境显著影响微波、超短波无线电装备的性能,能够减小或者扩展标准大气环境下的无线电视距。文中以黄渤海交界处的荣成为例,基于2018年探空数据统计分析了荣成站的大气折射环境参数,包括地面折射率、1 km折射率梯度、100 m折射率梯度等参数。其中,地面折射率年度变化范围可达100 N单位,地面折射率年平均值为332.3 N单位;1 km折射率梯度年平均值为-48.5 N/km;100 m折射率梯度年平均值为-44.2 N/km,100 m折射率梯度小于-100 N/km的时间概率为3%。进一步地,文中给出了计算雷达视距需要用到的等效地球半径因子以及用于表征相对标准大气无线电视距的扩展或减小的视距因子分布。结果表明:等效地球半径因子最大可达4.5;相对标准大气环境下,大气折射环境对视距影响的最大变化范围可达80%以上。研究结果可为黄渤海地区试验装备的系统设计、性能评估提供大气折射环境参考。

一种新型可移动TEM喇叭辐射波模拟器的模拟优化

为改善基于TEM喇叭的辐射波模拟器的低频辐射特性从而展宽其辐射近场半高宽,首次提出了在指数型TEM喇叭上/下两个极板的端口加上2个金属直板、并通过倾斜金属板和并联电阻相连的新型可移动模拟器的设计方案。基于FDTD方法模拟分析了该新型模拟器的特性参数对其近场辐射性能的影响,并给出了优化后的模拟器及其阵列的辐射特性。计算结果表明:尺寸为6 m×6 m×6.24 m的优化后的新型模拟器在距离口面3 m的中心位置的辐射近场脉宽能达到18.95 ns,而达到相同低频辐射性能的常规模拟器尺寸为9 m×12 m×6.8 m。且与常规模拟器相比,优化后的模拟器的场峰值更大。与前人的研究相比,优化后的模拟器场在保持高峰值的同时,时域波形后延震荡的幅度与主峰的比值明显减小。优化后的模拟器2×2阵列模型的测试平面中心点场峰值最大,且在测试平面上满足6 dB均匀性要求的有效测试区最大;有效测试区在横向上范围最大的是2×2阵列模型,其次是2×1阵列模型;在纵向上范围最大的是2×2阵列模型及1×2阵列模型。

电磁偏谐振阻抗匹配宽带传输超表面设计

针对传统传输超表面固有高Q值导致的工作频带窄的问题,提出了一种电、磁双模偏谐振阻抗匹配实现宽带传输超表面设计方法。建立了实现低损耗透波阻抗匹配的本征参数模型,并根据经典Drude-Lorentz模型分析了本征参数在电磁谐振与偏谐振区域的电磁特性。基于此,通过独立激励电、磁偏谐振模式,设计了满足宽频带阻抗匹配的本征参数电路模型。基于该模型,通过在超表面中引入金属微带线和平行贴片分别作为电、磁偏谐振器,调控结构的本征参数,从而在宽频带内实现所需本征参数条件。仿真和测试结果均证明,设计的超表面实现了双极化模式相对带宽为79.5%的3 dB传输带宽,且结构具有0°~40°的斜入射稳定性。该超表面具有超宽带、结构简单的特点,可应用于高性能天线罩设计中。

无相位测量的阵列天线故障诊断方法

传统的阵列天线故障诊断方法要求测量数据同时具有幅度和相位信息,而相位测量通常花费较多,甚至技术上不可行。为了解决该问题,文中提出了一种无相位测量的阵列天线故障诊断方法。首先构造相位误差矩阵,并将其引入阵列天线正向模型,得到含有未知相位信息的信号模型;然后基于该信号模型,交替迭代求解相位误差矩阵和阵元激励,最终达到对阵列天线故障诊断的目的。数值仿真实验表明,本文所提方法在准确性、有效性和鲁棒性上都优于传统阵列天线故障诊断方法,具有广阔的应用前景。

含金属衬底复合材料的有效电磁参数检索方法

复合材料的有效电磁参数获取对研究其电磁性质具有重要作用。然而,基于S系数的传输反射方法不适用于含金属衬底的复合材料目标,导致其有效电磁参数难以检索。为解决该问题,提出了一种新型的信息融合有效电磁参数检索方法。首先,通过主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)对有效电磁参数样本的S系数进行关联性分析和全局特征提取,简化模型复杂度。其次,构建了多输出回归信息融合网络(Multi-output Regression Information Fusion Network,MRIFN)模型对电磁参数进行检索。该模型结合了双向门控循环单元(Bidirectional Gated Recurrent Unit,BiGRU)处理主成分信息,并通过卷积层纵向融合特征信息,从而提高了检索性能。最后,通过非磁性吸波材料数据集和蜂窝有效电磁参数数据集验证了该检索方法有效性。结果表明,该方法对介电常数实部和虚部的平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)分别为0.21%和0.57%。同时考虑介电常数和磁导率的综合影响,该方法对介电常数实部和虚部的MAPE分别为2.34%和9.28%,对磁导率实部和虚部的MAPE分别为2.40%和6.40%,验证了其有效性和泛化能力。

人工等离子体云团与无人机群的散射研究

电离层中释放的金属蒸气产生人工等离子体云团,其可显著改变无线电波传播。本文利用几何绕射理论(geometrical theory of diffraction, GTD)和有限元法(finite element method, FEM)相结合的方法,给出了经由天线、人工等离子云团和无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)群组成的传播链路中信号强度计算方法。利用30~70 MHz甚高频(very high frequency, VHF)信号研究人工等离子体云团与UAV群的复合散射特性,得出如下结论:接收功率随着信号频率增加呈下降趋势;当机群由N架UAV构成时,阵因子迭加使机群雷达散射截面(radar cross section, RCS)出现一定的起伏,同相迭加时,接收功率可比单个UAV高约20lg N dB;利用人工等离子体云团散射可实现VHF频段用于对米级尺度RCS目标进行超视距探测,有助于解决紧急情况下电离层扰动对高频探测的不利影响。

基于改进SBR技术的地面目标SAR图像快速生成技术

传统的弹跳射线(shooting and bouncing ray,SBR)技术主要适用于自由空间目标的电磁散射计算,当用于地面目标与背景复合场景的电磁散射计算和合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)图像建模与仿真时,在小擦地角下其计算误差显著增大。针对此问题,提出了一种基于“四路径”模型的改进SBR技术,其考虑了目标与邻域地面之间的多次反射效应以及目标与远区地面之间的多径散射效应对地面目标散射回波的影响。首先构建一个尺寸略大于目标包围盒的粗糙地面实体模型;然后结合“镜像法”改进射线追踪技术,分析电磁波在目标各部件间、目标同实体地面之间以及同虚拟半空间分界面之间的射线传播过程;最后结合高频渐近方法完成电磁散射计算。利用精确数值法计算结果对所提出技术进行了验证,并将其应用于地面目标的SAR图像高逼真度仿真,同实测SAR图像比对表明了所提技术具有良好的适用性。

基于G-TF/SF方法的分层地表电磁环境研究

本文将基于广义总场散射场(generalized total-field/scattered-field,G-TF/SF)方法的时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法用于分层地表的电磁环境计算中,四周采用卷积完全匹配层(convolutional perfectly matched layer,CPML)吸收边界条件。G-TF/SF方法可有效削减由地面四周截断产生的边缘效应,提高分层地表电磁环境计算精度且G-TF/SF边界只需要加载入射场,无需计算反射场与透射场。G-TF/SF方法将部分边界埋在完全匹配层(perfectly matched layer,PML)区域中,对埋在PML层中G-TF/SF边界的入射波乘以相应的系数,保证将合适的入射波等效到主网格区域进行计算。本文用G-TF/SF方法模拟计算了水平单层地表及不同分层地表情形下的电磁环境,并将水平单层地表结果与用解析法计算的结果进行对比;将不同分层情形与采用有限积分技术得到的结果对比,验证了G-TF/SF方法计算结果的正确性。

基于超材料的电磁神经网络研究进展

随着人工智能技术的广泛应用,面向智能计算的算力需求呈井喷式增长。目前芯片的快速发展已经逼近其工艺制程的瓶颈,同时功耗也不断增加,因此高速、高能效的智能计算硬件研究是一个重要方向。以光子电路神经网络和全光衍射神经网络为代表的计算架构因其计算快、功耗低等优势而受到广泛关注。该文回顾了光神经网络的代表性工作,通过3维衍射神经网络和光神经网络芯片化发展两条主线进行介绍,同时,针对光学衍射神经网络和光子神经网络芯片面临的瓶颈和挑战,如网络规模和集成度等,分析比较它们的特点、性能和各自的优劣势。其次,考虑到通用化的发展需求,该文进一步讨论神经形态计算硬件的可编程设计,并在各个部分中介绍了一些可编程神经网络的代表性工作。除了光波段的智能神经网络,本文还讨论了微波衍射神经网络的发展和应用,展示了其可编程能力。最后介绍智能神经形态计算的未来方向和发展趋势,及其在无线通信、信息处理和传感方面的潜在应用。

面向通信感知一体化的室内太赫兹信道反射与透射特性研究

明确室内太赫兹(THz)波反射与透射特性对于构建太赫兹通信感知一体化(ISAC)信道模型至关重要。利用基于矢量网络分析仪的测量平台对7种室内材料在130~134 GHz频段开展了测量活动,分析了太赫兹信道反射与透射特性的频率依赖性及入射角依赖性,与282~290 GHz频段测量结果对比,揭示了2个频段内反射损耗特性。采用量子粒子群优化算法提取材料电磁参数,提出了一种频率-入射角联合的反射系数模型。结果表明,该模型能够准确刻画反射系数随频率与入射角的变化规律。研究成果补充了130~134 GHz频段材料传播系数数据库,丰富了电磁参数数据集,建立了反射系数模型,为太赫兹ISAC系统检测、识别、环境重构等功能提供了数据基础及模型参考。

介质粗糙面与组合目标宽带电磁散射特性研究

文中对介质粗糙面和组合目标的宽带复合电磁散射特性进行研究,通过数值计算得到了复合散射系数频率响应曲线。分析结果显示,后向复合散射系数在宽频带范围内随着频率的变化而产生振荡,粗糙面的高度均方根、介电常数、组合目标尺度、目标介电常数等因素对复合散射系数有显著的影响,且影响规律较为复杂。相比之下,粗糙面的相关长度对复合散射系数的影响较为微弱。当目标是理想导体时,频率响应曲线近似呈现出准周期性的振荡形态。

基于ISMM方法的非均匀磁化等离子体湍流中电磁波传播特性研究

由于传统散射矩阵法(scattering matrix method, SMM)在计算过程中会产生奇异矩阵,本文基于改进的SMM (improved SMM, ISMM)结合一维磁化等离子体湍流模型,计算了等离子体湍流介质对电磁波在不同入射角下的反射系数和透射系数,同时分析了电磁波在非均匀磁化等离子体中的传播特性。结果表明,湍流的出现极大地影响了等离子体鞘套中电子的运动规律,使其运动过程中能量衰减增多,因此其在0~35 GHz的透射系数增大;另一方面外部磁场的增大,对左旋圆极化波与右旋圆极化波的传播特性影响相反,这是因为在左旋情况下,左旋圆极化波的旋转方向正好与电子的旋转方向相同,右旋圆极化波相反;随着入射角度的增大,相当于电磁波在等离子体湍流中的传播距离增大,导致更多的电磁波能量被吸收;此外,考虑非均匀磁化情况后,电磁波在0~35 GHz频段内的右旋圆极化的透射系数更大。这些结果为研究电磁波在非均匀磁化等离子体湍流介质的传播特性提供了理论依据。

大气折射对雷达测角的影响

在雷达测角精度计算时,大气折射会对其产生巨大影响,这一影响会成为对雷达系统性能的制约性因素。针对这一问题,论文研究分析了电磁波在对流层中的折射模型,并对电磁波的传播特性提出了两种假设:电磁波在大气中进行传播时,是按照圆弧曲线和非圆弧曲线的方式进行的。基于这两种假设,论文采用了两种不同的修正方法,并通过试验对这种修正方法进行了验证。试验结果表明,两种修正方法都能够提高雷达的测角精度,且按照非圆弧修正方法进行修正的效果更好。该研究对于理解大气折射对雷达测角的影响具有重要意义,为提高雷达系统性能提供了技术支持。

一种基于非均匀磁化等离子体的修正Z-FDTD算法

对已有的Z变换时域有限差分法(Z-transformation Finite Difference Time Domain,Z-FDTD)在电磁波与非均匀磁化等离子体中的传输特性分析的计算误差问题进行了研究,并探讨了一种修正计算误差的Z变换时域有限差分方法(Modified Z-transform Finite Difference Time Domain,MZ-FDTD),以提升Z-FDTD方法对非均匀磁化等离子体的适用性。对MZ-FDTD和Z-FDTD之间的计算误差问题,通过严格的公式推导求得该误差的计算公式,并引入误差分析因子,对比分析了该误差受空间步长和非均匀磁化等离子体的物理特性的影响特征,在充分的误差分析与网格参数对比后,以电磁波在非均匀磁化等离子体中的传输特性为分析目标,举例说明了MZ-FDTD的优越性。研究结果表明,相比于经典Z-FDTD,通过MZ-FDTD方法计算得到的数值结果具有更高的计算准确度,较低的运行时间和较少的运行内存占用。此外,对电磁波在非均匀等离子体中传输特性分析的举例说明也证明了相比于Z-FDTD,优化的Z-FDTD方法无论是在较低频段还是较高频段都保持较好的稳定性。在今后的工作中,使用MZ-FDTD方法研究非均匀磁化等离子体问题将会获得更好的计算结果,这项工作中的误差分析方法也将对某些计算电磁学在等离子体中的应用与优化工作起到一定的帮助作用。

井下表面电磁波协同中继传输方法

在井下进行表面电磁波通信时,中继器布局不合理会导致信号强度减弱,为此,提出了表面电磁波的协同中继传输方法。首先,结合数值模拟与模拟试验结果,分析了表面电磁波的传播特性;然后,利用电场积分方法,建立了井下表面电磁波中继传输系统的数学模型,分析了不同中继器布局和数量对接收机信号强度的影响。研究结果表明,表面电磁波比传统无线电磁波具有更小的衰减和更高的传输速率,可成为一种高效的井下通信方式;应用表面电磁波协同中继传输技术,信号强度可平均提高5.91 dB。研究结果为增大表面电磁波井下通信的传输距离提供了新的技术途径。

基于稀疏采样的FDTD/TDPO混合优化算法

基于时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)和时域物理光学(time-domain physical optics,TDPO)的混合算法提出用稀疏采样优化近场外推的方法,解决了大口径反射面天线电磁计算用时过长、计算效率低的问题。传统混合算法中馈源的近场外推到反射面天线的步骤计算量较大,稀疏采样法从空间和时间两个维度进行间隔采样,减少了此步骤的计算量,从而节省了用时。给出了馈源为喇叭天线、抛物面口径为100个波长的抛物面天线算例,所得计算结果与传统方法相比最大相对误差仅有-36.03 dB,用时最快可缩短为原来的2.51%,与CST软件计算结果对比吻合度较高,用时缩减了93.18%,验证了本文优化算法可在不影响计算精度的前提下提高计算效率。

基于时域多分辨分析方法的长波信号时延预测

长波地波传播时延是决定陆基导航定位系统精度的关键,时域有限差分(Finite Difference-Time Domain,FDTD)方法可以提高其精度。但是FDTD方法在计算长距离的模型问题时迭代次数随之增多导致数值计算误差变大。主要通过基于圆柱坐标系下采用具有紧支撑特性的二阶矩Daubechies小波函数为尺度函数的时域多分辨分析(Multiresolution Time Domain,MRTD)方法来提高数值计算精度。随后对MRTD方法进行色散分析,最后将该方法应用于低频地波的传播预测中,提取观测点的衰减因子相位,与使用FDTD数值算法得到的结果进行对比,结果表明:MRTD方法可以在保持精度的前提下用时比FDTD更短。

基于信道模型的短波时差测量克拉美罗界分析

短波时差定位的关键在于高精度时差的提取.电离层的复杂性使得基于互相关的传统时差测量估计算法不能提取短波信号中的时延信息,该文利用国际参考电离层(IRI)模型获取电离层的电子密度信息,以数值型三维射线追踪的方法构建Vogler信道模型,得到短波信号的时延估计,并推导了在多普勒扩展不影响信号相关性时的短波时差测量克拉美罗界(CRLB).仿真结果表明,短波时差测量CRLB与采样时间、电波频率、输入信噪比有关,且冬季的时差测量CRLB低于夏季.

基于改进环境编码的无线电环境地图预测方法

深度学习相比传统预测无线电环境地图(Radio Environment Map,REM)方法有着预测时间快、精度高的优点。然而模型为了保证预测的精度往往需要设计复杂的网络进行训练,导致耗费大量的训练时间。为降低模型的训练时长,实现REM快速构建,提出了一种改进深度学习模型结合环境编码的REM构建方法。该方法在深度学习网络结构中,通过利用轻量级视觉转换器(Mobile Vision Transformer,MobileViT)模块替换传统模型的卷积模块,增加了模型的全局视野;在输入数据预处理中,引入电波传播机理,提高了模型的可解释性与图像的一维熵,通过结合经验公式计算的路径损耗与天线位置图进行环境编码,进而与城市环境地图作为共同输入。仿真结果表明,改进模型在训练阶段具有更快的收敛速度;所提出的数据预处理方法能够对模型训练起到加速的作用。

基于TCM-8PSK星座图旋转电磁波传输抗截获技术研究

跳频、扩频技术在无线通信技术中是一种非常有效的通信系统采用的低截获技术,其技术已经非常成熟,对信号的抗截获接收、识别技术非常有效。为了进一步提高信息传输的安全性,本文提出了一种基于TCM-8PSK星座图旋转电磁波传输抗截获技术。该技术通过对发送信号进行星座图变换,对信号进行加密处理,同时与调制跳变技术相结合,使信号传输在不同载波频率时采用不同的调制方式。在当今电磁信号多样、密集、多变的环境下。通过对其关键技术的深入研究,可以大幅提升电磁波信号被截获、分析和解密的难度。同时,在实现方面相对比较简单。