基于ADI-FDTD法的探地雷达正演数值模拟及验证

探地雷达(GPR)是一种应用前景广泛、用于探测和定位地下物体的浅层地球物理方法。通过开展探地雷达正演模拟研究,可以获得复杂地下结构的探地雷达图像回波特征。时域有限差分(FDTD)法受到稳定性和收敛性条件的限制,导致效率和精度低。交替方向隐式-时域有限差分(ADI-FDTD)法克服FDTD法的稳定性限制,可以选择更大的时间步长来提高计算效率。从原理出发,对ADI-FDTD法进行公式推导,在基于ADI-FDTD法的基础上进行卷积完全匹配层(CPML)的结合。通过进行ADI-FDTD法的时间稳定性仿真和不同材质、不同填充介质的双管,沙槽正演模拟实验,结果表明,ADI-FDTD法可以保证时间无条件稳定性,相同情况下可采用更大的时间步长进行正演模拟,提高正演效率。对不同管线、不同材质情况下的正演剖面曲线特征进行解译分析,最后与沙槽实测进行对比,证明得到的探测解译结果与实际状况达到较好的吻合。

基于改进Agrawal模型和FDTD法的感应雷过电压算法

为了计算架空配电线路雷电感应过电压,利用Nucci提出的雷电回击通道模型(MTLE模型),计算雷电回击电流产生的空间电磁场,采用Cooray-Rubinstein公式计算大地电导率影响的水平电场分量,并改进Agrawal场线耦合模型,建立架空配电线路雷电感应过电压方程,基于时域有限差分(FDTD)法,计算10 kV架空线路的雷电感应过电压数值。结果表明,大地电导率对计算结果影响较大,大地电导率使线路上的感应电压幅值降低接近20 kV;不同回击传播速率也影响感应雷过电压的数值。定量计算雷电感应过电压,需要分析各种因素对计算感应雷击过电压的影响,完善计算方法,保障计算准确性,使理论与计算方法适用于实际的配电线路防雷设计,提供有价值的参考依据。

PML-FDTD法在分析负折射率材料中的应用

将时域有限差分(FDTD)法引入了对负折射率材料物理现象的仿真研究.给出了二维TM波在负折射率材料中的时域差分方程,并且在吸收边界处使用了理想匹配层(PML).为了避免在迭代过程中出现的不稳定现象,在差分方程的推导中引入了Drude模型,并对Pendry提出的由负折射率材料构成的平板透镜具有的完美成像现象进行了数值仿真验证.由仿真结果发现,完美成像现象只在平板透镜的折射率n=-1时出现,当n≠-1时则会出现近轴聚焦效应.

一种处理Cole-Cole色散媒质的FDTD改进方案

对柯尔-柯尔(Cole-Cole)色散媒质的时域有限差分(FDTD)方案尝试给出改进:(1)保留了Cole-Cole经验公式中的静态电导率项;(2)扩展到三维情形;(3)人体乳房组织的模型参数源于实验测量.数值算例结果初步证实改进方案的可行性和有效性.改进方案适用于模拟更一般柯尔-柯尔色散媒质中的电波传播.

一种高稳定的复杂色散介质分析FDTD方法

针对复杂色散介质电磁特性分析问题,提出一种新的、高稳定通用时域有限差分法.该方法从二阶复有理函数形式的极化率函数入手,将纽马克算法同时作用于极化矢量与电场的时域关系式两边,得到显式时域有限差分时域递推公式,并从理论和数值两方面对该算法的稳定性进行了分析.该方法不仅可作为处理包括复共轭极点-留数、临界点、修正洛伦兹以及二阶复有理函数等复杂色散介质问题的通用时域有限差分方法,而且具有更高的稳定性.

L型及T型气体绝缘开关模型中电磁波传播特性的仿真研究

采用有限时域差分方法对L型及T型气体绝缘开关(gas-insulated switchgear,GIS)模型中电磁波的传播特性进行仿真计算,分析L型及T型结构GIS中电磁波的分布及其对自身传播特性的影响。研究表明,受速率色散特性的影响,在GIS腔体的直线部分,随着接收点远离激励源,接收电磁波信号的峰?峰值呈衰减分布,但总体能量变化不大。对于L型及T型结构的GIS,在经过L型及T型结构后,信号能量衰减很大。信号频域分析表明,在0°方向存在横电磁波和横电波的11型模波TE11、21型模波TE21和31型模波TE31等高次模波,而在90°方向只存在横电磁波和T21型模波,且信号频率分量的不同导致在不同接收方向上信号能量的分布也会有差异。

隧道衬砌空洞积水的探地雷达识别研究

衬砌空洞是运营隧道中的常见病害,由于其内部介质复杂,尤其当积水存在时,探地雷达(GPR)识别存在较大难度和误差。针对空洞积水的情况,利用MATLAB编程,建立空洞和不同电导率的空洞积水数值模型,用时域有限差分法(FDTD)进行探地雷达二维正演模拟,通过分析正演图谱和单道波形,得出空洞及积水的响应规律。制作隧道衬砌混凝土模型,应用探地雷达扫描测试,并与正演模拟结果进行对比分析。结果表明,雷达正演与模型试验结果相似;未积水的空洞反射波相位与入射波相反;空洞积水的雷达信号反射更明显,其反射波相位与入射波相同;电磁波在水介质中迅速衰减,空洞积水时,其大小难以定量识别。

钢筋网对高功率微波衰减特性的影响

模拟试验研究结合时域有限差分法,开展了不同直径、不同网孔、不同层间距、不同配筋形式的钢筋网模型对L,S,C,X不同波段高功率微波的衰减特性研究。研究结果表明:不同类型钢筋网对高功率微波有一定的屏蔽效能,当钢筋网的网孔略小于半波长时屏蔽效果好,层间距为四分之一波长的奇数倍时屏蔽效果好,错层配筋比平行配筋屏蔽效果好,不同形式的钢筋网在防护结构中可以合理地综合运用,以达到最佳防护效果。

复频率参数完全匹配层吸收边界在瞬变电磁法正演中的应用

本文将复频率参数完全匹配层(Complex Frequency Shifted Perfectly Matched Layer,CFS-PML)吸收边界应用到瞬变电磁法(Transient Electromagnetic,TEM)三维正演中,以替代传统的狄利克雷边界条件,使用时域有限差分法(Finite-difference time-domain,FDTD)进行空间离散和时间步进.本文给出了扩散场在CFS-PML内部的平面波解,分析了常规PML在TEM正演中失效的原因,并给出了CFS-PML在TEM正演中参数设置准则.最后分别使用全空间和半空间模型进行有效性检验.全空间检验结果表明,使用CFS-PML的解在我们正演的所有延迟时间内均与理论解吻合得非常好,而使用狄利克雷边界的解可与理论解偏离一个量级以上.半空间检验结果表明,CFS-PML亦明显优于狄利克雷边界,然而CFS-PML对空气中的场吸收甚微,相对误差依然会随着延迟时间缓慢增加,正演时需要根据误差容忍度设计适当的模型.

变压器雷电冲击试验空间磁场对智能组件影响的计算分析

变压器智能组件在雷电冲击试验考核时,其电源模块、通讯模块等频繁发生故障,迫切需要掌握雷电冲击试验过程的空间磁场特性,以有效指导电磁干扰防护。通过试验测量获得了雷电冲击试验回路的电流波形,然后基于电磁场的三维有限差分（finite-difference time-domain,FDTD）算法进行空间磁场计算,最后由电磁兼容抗扰度试验标准评估雷电冲击试验时智能组件的受干扰程度。计算得到100%全波试验时,在距变压器1~6m典型智能组件位置处的磁场幅值均小于100A/m;而100%截波试验时可达160A/m。通过比较磁场变化率,可以发现,由5级脉冲磁场和5级阻尼振荡磁场抗扰度试验来考核智能组件承受雷电全波试验骚扰的能力是严格的,但考核雷电截波试验骚扰则不够严格。

配电线路感应雷过电压计算

为了提高配电线路的安全可靠性并对线路防雷设计提供有价值的参考依据,基于调整的传输线模型,计算了雷电回击电流产生的空间电磁场,借助Cooray-Rubinstein公式计算了在考虑大地土壤损耗的前提下的水平电场分量。用Agrawal场线耦合模型和时域有限差分(FDTD)法对10 kV配电线路由于附近雷击引起的线上感应电压进行了计算,其中在传输线阻抗计算中考虑了大地电导率。通过与文献计算结果对比,验证了计算方法的有效性。针对一条实际架空配电线路,分别计算了三角形布线和列式布线两种线路结构的感应雷过电压,分析了地面损耗以及其他导线的存在对线路感应雷过电压幅值和波形的影响。结果表明该理论与计算方法可以用于实际的配电线路防雷设计。

点衍射干涉系统光学结构参数优化研究

采用时域有限差分方法,在分析点衍射波前误差的前提下,讨论了点衍射干涉系统中物镜数值孔径、针孔尺寸、检测的数值孔径对衍射光强的影响;逐步优化光学结构参数,得到不同光学结构参数之间的匹配数值表;通过比较点衍射干涉系统和Zygo干涉仪对球面镜的测量结果,得到测量面形误差的均方根之差为波长的1/1000,且获得的干涉条纹具有合适的对比度和亮度,验证了光学结构参数选择的合理性。

纳米级针孔矢量衍射波前误差分析

应用哈特曼-夏克(H-S)波前检测仪检测大数值孔径(NA)透镜时,需要采用纳米级针孔产生参考球面波前对H-S传感器进行标定。为了制作出满足要求的高质量针孔,本文对影响参考波前质量的各种要素进行了仿真计算和分析,以获得最优针孔加工参数。基于矢量衍射理论,在会聚高斯光束照射下,计算了针孔厚度和直径大小对衍射波前误差的影响,衍射波前中的像差成份、能量透过率、强度均匀性、针孔加工误差及光束相对针孔中心发生平移、离焦、倾斜时衍射波前误差的变化。分析计算显示,在NA为0.6时,为了使相对于理想球面波的波峰波谷值(P-V)偏差不大于0.005λ(λ=193nm),在实际针孔的加工制作中,应选取材料铬,并取厚度200nm,直径180nm为适宜。

时域模拟的电流馈源模型研究

本文分别给出了稳定的无内阻型和内阻型电流馈源模型 .前者实现简单 ,计算精度高 .后者克服了前者不适于分析存在基本无耗谐振结构的电磁问题的缺点 ,而且所需的模拟时间随内阻的适当增加而进一步减少 .

磁共振六通道线圈阵列的数字化仿真与设计

近年来,多通道线圈阵列被广泛应用于磁共振成像,以提高图像的质量。针对局部感兴趣区域内的射频场优化,提出一种由不同尺寸单元构成的六通道线圈阵列,可优化盆腔组织中局部感兴趣区域内的射频场。使用宽度为10和20 cm的两种不同尺寸的线圈单元来构建六通道线圈阵列模型,并对其采用几何重叠法和电容网络法进行去耦,以及运用时域有限差分(FDTD)方法进行仿真和计算,分析和评估其在感兴趣区域内产生的射频场。仿真结果表明,在加载盆腔组织椭圆柱电磁模型情况下,提出的线圈阵列的去耦效果S12和S13分别为-27.19和-33.46 d B,在感兴趣区域内产生的射频场B+1强度平均值,比由宽度为15 cm的相同单元构成的常规线圈阵列高出约5.21%。由不同尺寸单元构成的六通道线圈阵列能够优化感兴趣区域内的射频场,为磁共振线圈设计提供新的思路和方法。

日用陶瓷辊道窑成套设计与开发

本文简要地介绍了国产化日用瓷釉烧中、高温辊道窑技术发展以及高温一次烧成（ 氧化焰、还原焰均可） 日用瓷辊道窑的基本情况。

雷电回击电磁模型

雷电回击模型是研究较低电离层暂态光发射的产生、雷电辐射能量、地球电磁环境特征和雷电与各种物体和系统的相互作用的需要。雷电回击电磁模型是基于麦克斯韦方程组的模型,这些模型相对较新且是适合雷电电磁场计算的所有模型中最精确的模型。分析了雷电回击电磁模型中使用的4种回击通道表示方法的优点和缺点,这4种回击通道是:(1)空气中的良导线或电阻线;(2)嵌入电介质(非空气)中的线;(3)空气中加载附加分布串联电感的线;(4)空气中带附加分布并联电容的线。此外,本文描述和比较了电磁回击模型中使用的不同的激励方法:(1)底部带指定阻抗(或电路)的闭合的带电垂直线;(2)三角间隙电场源;(3)集总电流源。最后回顾和比较了适用于雷电回击电磁模型的典型的数值计算方法:时域和频域矩量法(MoM)和时域有限差分(FDTD)法。