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。

近岸海域上方动态舰船尾迹的多普勒谱特性

由于舰船尾迹持续时间长且存在范围广,因此通过研究舰船尾迹进行目标探测具有一定的意义。采用线性滤波法结合文氏海谱生成了近岸有限深海域海面,并将其与动态开尔文舰船尾迹叠加,得到了时变近岸海面和上方开尔文尾迹的线性叠加模型。采用海面面元散射场模型对动态开尔文扰动近岸海面的多普勒谱特性进行仿真,重点讨论电磁波入射角为30°和80°两种情形下不同船速、风速、船向时的多普勒谱。数值计算结果表明,舰船的运行速度和船向会对近岸海面与上方动态尾迹叠加模型的多普勒谱特性造成较为直观的影响,海面风速的影响则较小。该研究可为海杂波环境下舰船尾迹的运动特征提取提供参考。

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。

面向6G通信感知一体化的亚太赫兹路径损耗测量与建模研究

针对传统通信信道路径损耗模型无法准确描述和表征感知信道的问题,开展面向6G通信感知一体化的亚太赫兹路径损耗测量与建模研究。基于雷达散射截面理论,引入室内材料回波特性的感知信道路径损耗,构建角度-距离联合的感知信道路径损耗模型。结合基于矢量网络分析仪的亚太赫兹感知信道实测数据,研究129.5~135 GHz频段内不同角度和距离下的感知信道衰落特性。实验结果表明,所构建的路径损耗模型能够准确刻画感知信道路径损耗随距离和角度遮挡因子的变化规律。

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。

陆地上方多目标复合电磁散射特性研究

针对多个三维导体目标位于陆地粗糙面上方的散射计算问题,提出了自适应积分算法结合物理光学法的AIM-PO混合算法。采用物理光学法计算粗糙面散射,采用自适应积分算法计算目标散射。粗糙面的散射将作为目标阻抗矩阵的一部分,目标与粗糙面作为一个整体进行求解。求解过程中,最主要的计算瓶颈来自于目标与粗糙面之间的耦合矩阵填充。为了克服此计算瓶颈,提出了采用快速多极子结合快速远场近似算法加速矩阵向量相乘。该方法基于远场近似准则将粗糙面区域划分为近区与远区,即粗糙面上面元与目标之间的距离满足远场近似条件的被划分为远区,否则被划分为近区。近区采用快速多级子进行加速,而远区采用快速远场近似技术加速计算。通过与传统的数值算法相对比,验证结果表明该算法具有较高的计算精度,同时能有效提升计算效率。最后对不同条件下多目标与环境复合散射特性的变化规律进行了分析。

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。

大气波导对电磁波陷获传播影响的数值模拟和试验验证

海洋环境中经常出现大气波导,它能够陷获电磁波而形成明显的异常传播特征,对雷达等电子系统性能具有重要的影响,本文主要从数值模拟和试验验证的方法,研究大气波导陷获电磁波所产生的异常传播特征,论文首先简要分析了电磁波传播的抛物近似方程数值模型及其步进类型的傅立叶解法,利用这一数值模型对多种大气波导环境下电磁波进行数值模拟,利用模拟的结果分析大气波导对电磁波的陷获作用,并利用1999年5月6日舰船在杭州湾的实验数据对本文相关的结论进行验证。

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。

多类型土壤含水率传感器的完备标定方法

针对当前土壤含水率标定研究中缺乏统一方法和标准的问题,研发了一套完备的土壤含水率传感器标定方法和装置,以提高土壤含水率测量准确性。选取了6种不同类型的土壤含水率传感器,并在实验室中制造了标准土柱系列。通过与烘干法获得的标准值进行比较,采用多种拟合线型来建立传感器数据与标准值之间的关系,并对传感器测量值进行订正。实验结果表明,制定的土壤含水率传感器标定方法和装置能够有效地标定不同类型的传感器。研究发现,三次项曲线是土壤含水率传感器标定最适合的标定公式。所有传感器在经过标定后测量准确性都有显著提升,其中SoilVUE10(0.5和1m)在整个体积含水率范围内测量精度最高,R^(2)>0.99。基于传感器的适用性分析,推荐在野外应用中监测表层土壤时使用标定后的针式传感器,监测土壤剖面时采用标定后的螺纹杆传感器。研究不仅规范了标准土柱的制作方法,提高了实验室环境下土壤含水率传感器的测量准确性,同时也为田间条件下选择合适的土壤含水率传感器提供参考。

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。