实时电磁环境监测系统设计与实现

随着数字技术的发展,瞬态信号对射电天文观测的影响越来越大,围绕瞬态信号测量需求,开展实时电磁环境监测技术研究与工程应用极其必要.首先,本文依托射电天文台址实际测量需求,给出了电磁环境监测系统硬件构架设计方案.其次,依据信号分析仪参数配置与测量时间、测量不确定度的关系,给出了实时电磁环境监测测量时间配置方法;并采用数据压缩、多线程并行处理、环形缓存区设计等技术方法实现高速数据传输,提高了测量系统的可靠性.最后,开发了系统测量软件及基于Web的频谱监视软件,实现电磁环境实时测量与监视,应用于QTT(QiTai Radio Telescope)台址,为台址瞬态信号特征分析与干扰缓解策略的制定提供数据支撑.

反射面天线全路径机电耦合建模与补偿研究综述

反射面天线广泛应用于射电天文、卫星通信等领域,其电性能与结构制造工艺、安装误差和环境载荷等因素间存在极为复杂的影响关系,因此随着天线口径增大、频段提高,天线设计制造的难度也在不断增加.为突破该技术难题,本文围绕反射面天线机电耦合理论建模与补偿技术发展现状,从误差分类角度分别概述了主面、副面结构变形及馈源位姿偏移等误差对天线电性能的影响,从主动反射面、阵列馈源等技术手段出发,梳理了反射面天线在服役过程中的全路径电性能补偿方法.这些现状梳理,有助于理论方法的创新,更好地完成天线设计,有助于准确预测天线服役性能,更有效地实现全工况下的综合补偿,达到天线的性能指标.

射电天文台址区域化干扰电平阈值量化及其应用

为高效分析与评估台址周边辐射源对天文观测的影响,本文提出一种台址区域化干扰电平阈值量化方法.建立台址地形模型并进行网格划分,采用高效网格检索算法实现台址区域任意位置(网格)至望远镜的相对地形数据提取.在此基础上,选取适应于台址地形特征的电波传播算法,计算台址区域任意位置至望远镜的电波传播损耗,依据望远镜馈源口面干扰电平限值及旁瓣增益,实现台址区域干扰电平阈值量化,并应用于QTT台址,为射电望远镜电磁兼容性设计、台址无线电管理、干扰缓解策略提供重要技术支撑.

超宽带脉冲星信号采集与处理架构设计及功能验证

采用超宽带观测系统对于提升脉冲星到达时间精度具有显著效果,但超宽带接收系统所产生的超高速数据流对终端系统的实时传输、分发和处理形成了较大挑战.本文以QTT规划的S波段超宽带接收系统为对象,采用先进的射频信号直接采集和混合架构多功能天文计算模型设计了脉冲星信号采集与处理系统架构.采用一块RFSoC平台将宽带模拟信号分为2个模拟子带进行采集,然后信道化为多个数字子带并通过2个100 Gb网络端口分发至多个HPC处理节点进行实时处理,可实现3 GHz宽带信号的同步采集和多功能处理,系统架构简洁、可扩展性强.对射频信号分段采集、100 Gb网络多路分发、VDIF数据格式封装等功能进行了测试,并开展了单子带脉冲星观测实验.

超高性能混凝土(UHPC)力学性能研究进展

基于最紧密堆积理论的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)的概念自20世纪70年代被提出以来,针对该混凝土的理论研究和工程应用都取得了突破性的进展.本文综述了近半个世纪,特别是近十年来超高性能混凝土力学性能的研究进展,包括:(1)准静态荷载作用下UHPC的力学性能;(2)冲击与爆炸荷载下UHPC的力学响应;(3)UHPC力学性能的耐久性.最后,对今后UHPC力学性能的研究给出了展望.

变形双反射面天线的机电耦合分析方法

双反射面天线广泛应用于雷达、卫星通信和射电天文等领域,针对变形双反射面天线的电性能求解问题,本文提出了基于物理光学法的机电耦合分析方法.深入分析了双反射面天线主副反射面变形对天线电性能的影响,通过将主副反射面轴向变形转换为天线远场积分公式中的相位误差影响项,建立了反射面表面结构位移场与天线远场之间的机电耦合关系.进一步将相位误差影响项作一阶泰勒级数展开,使得结构误差从天线远场积分运算中独立出来,通过构建包含主副反射面变形信息的误差矩阵可实现变形反射面天线远场的快速计算.对一个2.2 m天线进行案例分析,结果验证了所提方法的正确性.

核物质对称能理论参数的贝叶斯统计推断

本文采用了中子星模型与贝叶斯统计方法相结合的理论框架,基于目前发布的中子星质量、半径和潮汐形变的观测数据推断了描述核物质对称能的参数的不确定范围.我们发现,现有的中子星潮汐形变观测数据无法改善人们对核物质对称能的认识.基于最近联合重离子碰撞和天体观测得到的中子星物质状态方程,得到的结果与之前基于中子星观测数据得到的结果基本一致.另外,基于假想的中子星最大质量数据,我们发现其对核物质对称能参数不敏感.相比之下,CREX和PREX-II合作组发布的中子皮厚度的实验数据对核物质对称能参数的约束更加有效.采用核液滴模型与贝叶斯统计方法相结合的理论框架,发现使用208Pb和48Ca的中子皮厚度数据得到的核物质对称能参数的不确定范围存在很大的差异,两者几乎没有交集.鉴于实验测量误差的不同,48Ca中子皮厚度数据对核物质对称能参数的限制要比208Pb数据更加严格.中子皮厚度数据得到的参数区间与中子星观测数据得到的区间有较大差异,中子皮厚度数据更加支持对称能较软的情况,而中子星观测数据则更倾向于对称能较硬的情况.最后,我们还研究了在基于中子星观测数据约束核物质对称能参数时参数的先验分布效应.计算结果显示曲率参数Ksym不依赖于其先验分布,斜率参数L轻微依赖其先验分布,而偏度参数Jsym严重依赖其先验分布.

3 m法电波暗室测量平台及其应用

围绕奇台110 m射电望远镜电磁兼容测量及电磁防护设计需求,建构了3 m法电波暗室测量平台,为大型射电望远镜电磁兼容性设计及其性能测量验证提供重要的数据支撑和技术支持.首先,阐述了3 m法电波暗室测量平台的组成、测量系统及相关设备性能参数、测量系统链路配置、测量方法等,具备屏蔽效能测试、辐射发射测量和辐射抗扰度测量能力,并分析了采用GJB 151B和GB/T 9254标准开展辐射发射测量结果的差异性.在此基础上,给出了该测量平台的实际应用考虑及应用实例,为国内大型射电望远镜电磁兼容设计提供重要技术支撑.

岩石脉冲压裂的增压现象与机制

脉冲压裂是实现缝网压裂的有效途径.现场进行脉冲压裂时管路存在高频振动的现象,同时室内实验与现场试验均发现,与恒排量水力压裂相比,脉冲压裂可以在较低泵注压力下将岩石压裂,即存在脉冲低压破岩现象.针对此现象,本文通过原理性实验和模拟,发现脉冲压裂中存在增压现象,具体包括管路中的增压以及裂缝内的增压.从管道内水波叠加、水柱振动和裂缝内水压汇聚三个角度解释了脉冲增压现象和机制.揭示了“水波叠压增压”、“水柱共振增压”、“缝尖汇聚增压”三类增压机制,很好地解释了岩石脉冲压裂过程中的“低压脉冲致裂”现象.对于脉冲压裂,多数泵注条件下,管道内存在水波叠加增压,只是增压幅值有差别,且增压效果有限.少数泵注条件下(泵注频率等于或接近水柱固有频率),才会存在水柱共振增压,且增压效果显著.对于类似楔形结构的裂缝,其内通常存在汇聚增压,且增压效果明显.

基于改进SARA的综合孔径射电望远镜成像算法

综合孔径射电望远镜在射电天文领域具有重要的应用价值.然而,综合孔径射电望远镜反演成像过程是病态的反问题.虽然以稀疏平均重加权分析(Sparsity Averaging Reweighted Analysis,SARA)算法为代表的压缩感知技术已经成功应用于综合孔径射电望远镜成像中,但是传统的SARA算法存在着软阈值参数难以选择的问题,依然存在较大的重构误差.为此,提出一种改进的SARA算法.该算法利用一种改进的投影快速软阈值迭代算法求解最小化模型,在迭代过程中充分利用数据保真项和正则化项的信息自适应地更新软阈值参数,并采取重启和自适应策略来加速收敛,以提高反演成像的精度和速度.仿真结果表明,与传统的压缩感知算法相比,改进SARA算法能有效地降低重构误差并提高计算速度,证明了其有效性.

新型微系统的辐射效应与抗辐射加固技术

本文介绍了微系统的发展历程、现状和趋势,着重介绍了新型微系统:系统级芯片和系统级封装,分析了新型微系统面临的科学问题,总结了新型微系统辐射效应研究现状,给出了新型微系统在辐射环境中应用需要研究的问题:辐射效应规律和机理、辐照效应实验测试方法、抗辐射加固技术,期望加大财力、物力和人力的投入力度,通过重大项目研究解决微系统在辐射环境应用中遇到的关键科学问题,提高国产微系统的可靠性,促进和保障国产微系统的国防应用.

日照对大型天线反射面面型误差的影响及修正方法

大型天线口径大、精度高、结构复杂且长时间在室外工作,日照对天线反射体产生非均匀、实时变化的热变形误差对天线电性能的影响日益突出.本文以景东120 m天线为具体研究对象,通过有限元方法计算在不同的观测姿态和日照环境下天线反射体的非均匀温度分布及其变化规律,探讨主反射面面形在实时变化日照影响下的演变规律,并针对面形非均匀热变形的实时误差开展补偿研究.结果表明,受太阳东升西落的影响,改变天线观测方位角可影响反射体温差变化达4℃,改变天线俯仰角可影响反射体温差变化达1.5℃,说明相同日照环境下,观测方位角对反射体的热影响更大;天线结构热变形在一天中呈现时变性与非均匀性,其中14时的变形量最大.受日照年度变化的影响,改变天线观测方位角将影响反射体温差呈增大、减小再增大的变化规律,其中夏季中午温度标准差最小,为0.1;对应地,反射体热变形全年呈增大、减小再增大的变化规律,其中冬季热变形最大,达2.6 mm,其余季节最大为2 mm,说明冬季日照对天线反射体的热影响更大.基于反射体热误差变化规律,引入误差耦合原理,分析反射体热变形误差,并通过馈源调整机构实现补偿.本文提出的反射体热变形仿真技术及馈源补偿方法可为提升大型天线指向精度提供理论基础与技术支持.

极紫外与X射线高精度薄膜光学系统关键技术及应用

极紫外与X射线(XUV)光学系统在物质微观结构探测和高能物理等前沿科学和重大工程方面有重要应用.本文建立了XUV薄膜表界面散射/反射的理论计算模型,发展了融合器件性能与系统结构误差的XUV光线追迹仿真方法;创建了XUV纳米多层膜界面缺陷解耦表征和生长调控方法,发展了数百毫米尺寸-几十皮米精度的多层膜镀制技术,研制了高效率XUV多层膜光栅新元件;发展了XUV掠入射和正入射成像系统的高精度集成装调技术,研制了系列X射线多通道KB成像和极紫外成像系统,成功应用于我国激光惯性约束聚变、同步辐射大科学装置和太阳观测任务等.

柔性电控微纳执行器研究进展

近年来,随着微纳米薄膜制造技术的飞速发展,新型电控微纳米执行器不断涌现.因其具有尺寸小、能直接被集成电路控制、可大批量生产等诸多优点,电控微纳薄膜执行器在微纳机器人、生物医学器件以及智能超材料领域具有广泛的应用.本文综述了近年来电控微纳薄膜执行器的重要突破.首先,阐述了基于化学和物理效应的电致动机制.其次,系统总结了多种类型的电致动薄膜材料,并着重介绍了新兴的纳米薄膜材料.接着,详细介绍了电控微纳薄膜执行器在微纳机器人等领域的重要应用.最后,本文讨论了当前电控微纳薄膜执行器研究中的关键问题和未来发展前景.

阵列微空心阴极维持放电模拟研究

本文基于流体模型模拟研究了阵列微空心阴极维持放电(MCSD)的时空动力学特性,特别对不同电极表面电流的变化规律及其与带电粒子密度和电场等微观参量的关系进行了深入分析.模拟结果表明,随着阴极电流的增加放电分为4个阶段.第一阶段为类汤生放电阶段,此时三个电极上的电流、空间电荷密度和电场强度均很低.第二阶段为空腔内放电击穿阶段,此阶段空腔内放电击穿,并产生明显的空心阴极效应.微空心阴极(MHCD)两电极表面电流、空腔内带电粒子密度和电场强度迅速升高.但是此时MHCD电极中的阳极(第一阳极)仍然为阳极角色,MHCD和第三电极间(第二阳极)放电未击穿.第三阶段,微空心阴极和第三电极空间的放电逐渐击穿,MHCD中阴极和第一阳极表面电流方向相同,第一阳极逐渐由阳极转变为阴极角色,并在其附近形成较明显的阴极鞘层结构,MCSD放电空间的带电粒子密度迅速升高.第四阶段为放电的稳态阶段,形成稳定的阵列微空心阴极维持辉光放电,MCSD放电结构中各电极表面电流之间满足定量关系.模拟结果同时表明,除了微空心阴极放电,第三电极辉光放电对空腔内放电和阵列MCSD放电的形成均具有重要的促进作用.阵列MCSD为MHCD放电和第三电极辉光放电共同作用形成的.

脉冲星J2313+4253的周期性消零和奇偶调制特性的研究

脉冲星子脉冲的强度调制特征对揭示脉冲星辐射过程和磁层几何具有重要意义.前人研究表明,PSR J2313+4253的单脉冲序列具有44倍和2倍自转周期的强度调制.其中2倍周期的调制周期被称为奇偶性调制,其物理起源并不清晰.本文利用佳木斯66 m射电望远镜的观测数据,对脉冲星J2313+4253在2250 MHz的单脉冲辐射特性进行了详细研究.通过相位分离涨落谱(LRFS)、谐频分离的涨落谱(HRFS)和二维涨落谱(2DFS)的分析方法,发现PSR J2313+4253的奇偶性调制来自于其短周期子脉冲漂移,并且调制现象展现出了时间依赖性.分析表明,旋转木马模型下,奇偶性调制可能起源于脉冲星火花放电过程中,辐射区子辐射束间边界不清晰而发生的混叠效应.

四峰跟踪自主全向适应CPT原子磁力仪

卫星上测量地球磁场要求高精度的原子磁力仪具有全向测量能力,多数的单探头原子磁力仪不具备这一能力,CPT原子磁力仪理论上具有全向测量能力,但目前仍需要外部磁场方向参考,不能自主实现磁场的全向测量.本文提出了一种CPT原子磁力仪的分时扫描四峰双闭环控制方法,通过循环扫描+2,–2,+3和–3级CPT信号峰获得开环输出信号,并将4个CPT峰的开环输出处理形成两路控制回路的误差信号,一路求和用于校准0级中心频率,一路差分用于跟踪锁定±2,±3级CPT信号峰与0级信号峰之间的微波频率差.当磁场方向变化导致平行模式对应的±2级CPT信号峰消失时,通过±3级CPT信号峰与0级信号峰之间的微波频率差获得磁场大小,反之亦然,可以保持磁测数据连续不失锁,不需要外部磁场方向参考,首次实现了CPT原子磁力仪自主的全向测量能力.

大口径天线副面姿态测量技术研究进展

大口径反射面天线在较为复杂的风、热和重力等环境下极易发生反射面面形和姿态的偏离,导致天线效率降低.为满足大口径天线更高灵敏度和分辨率的要求,对副反射面姿态进行主动调整来实现电性能补偿是一种有效的手段,这就需要对天线副反射面位姿进行准确的测量和评估.本文综述了国内外应用广泛且较为成熟的副反射面姿态测量和评估方法,并对世界上一些先进的大口径天线上的应用情况进行了比较和总结.最后对奇台110 m射电望远镜的副反射面姿态测量技术提出了关键问题和总结了适用的测量方法.

周期驱动谐振子的一种非厄米哈密顿和经典-量子对应

本文构造一非幺正厄米变换算符和广义规范变换,定义了非厄米哈密顿算符双正交基矢的度规算符,证明了周期驱动谐振子的一种非厄米哈密顿是赝厄米哈密顿算符;从双含时薛定谔方程出发将其厄米化,从而得到其解析量子波函数;基于经典正则变换,得到非厄米哈密顿的经典对应;将系统演化一个周期,得到量子LR相和经典角变化率,以及它们之间的对应关系.本文通过对周期驱动谐振子非厄米哈密顿的分析,得出结论:哈密顿算符的厄米性是其有实数本征值的充分,但非必要条件,非厄米哈密顿算符都可以通过构造一非幺正的厄米变换算符和广义规范变换得到其厄米对应,此结论为研究非厄米系统提供了一种新思路.

国家自然科学基金计算物理前沿与展望专题·编者按

计算物理是过去五十年物理学发展最快的分支之一,作为一门交叉性很强的学科,不再只是一种方法或工具,而已成为与理论物理和实验物理同等重要的物理学研究范式,在理解和发现复杂物理现象、规律和原理中发挥了不可或缺的作用,极大地推动了物理学的发展.随着人工智能和量子计算等前沿技术的快速发展,计算物理在物理、化学、材料、能源等其他科学和技术中的应用将发挥越来越重要的作用,并可能带来物理学研究方法和内涵的根本性变革.