非均匀介质条件下矿震震波三维传播模型构建及其应用

为了研究速度模型对矿震定位误差的影响,基于惠更斯原理建立了矿震波在层状非均匀介质中的三维传播模型,通过现场爆破振动试验,采用矿山微震定位监测系统进行监测。对矿震震波的正演建立了矿震震波传播的三维波动方程,并给出了矿震波在介质分界面上传播速度计算公式,由此对经典线性定位方法进行合理改进,使得基于均匀介质的线性定位方法适合于非均匀分层介质。将理论推导结果应用于矿山微震监测定位系统中,进行实际矿震定位计算。试验表明,速度模型对定位的影响较大,运用所建立的三维传播模型应用于矿震定位,有效提高了定位精度。

三维传播环境天线阵列空域相关性研究

针对任意三维传播环境下多天线空域相关性求解复杂的问题,提出一种基于角度域脉冲采样的高效近似计算方法。针对均匀角度谱分布,详细推导出了天线空域相关系数的闭合表达式和近似表达式;针对非均匀任意角度谱,利用有限个均匀二维采样脉冲加权叠加进行逼近,从而将天线空域相关系数等效为多个均匀采样脉冲对应相关系数的加权之和。基于实测的Von Mises Fisher角度谱,仿真结果表明,当采样间隔小于2°时,所提方法运算量仅为数值积分方法的十分之一,而绝对误差小于0.005,可以应用于多天线分集、多输入多输出系统性能评估及天线阵列流型优化等场合。

几何光学近似下X光激光的三维传播与放大

采用放大自发辐射（ＡＳＥ）模型，用几何光学近似，在考虑折射效应而不考虑饱和效应和等离子体老化的情况下，编制了单靶三维光路计算程序，给出了出射Ｘ射线激光的强度角分布和空间分布。在线聚焦等离子体线宽方向尺寸有限和横向密度梯度为０的条件下，研究了Ｘ光激光传播放大特性，重新审视了计算横向发射角时所用的公式。

基于修正Rayleigh-Love杆件模型的桩基低应变测试中应变波三维传播分析

切向、径向高频横波干扰和横向惯性效应是影响桩基低应变检测信号识别难度的3大关键因素,目前尚无具备分析三者耦合效应的解析模型。通过对经典Rayleigh-Love杆件理论的修正,建立能考虑三维横波效应和桩基横向惯性效应的修正Rayleigh-love杆件模型,实现桩-土完整体系的应变波三维传播模拟,并通过拉普拉斯变换、分离变量、傅里叶逆变换等方法推导模型的解析解。以此理论模型为基础,对高频横波干扰和反射波震荡的成因进行探讨,并对主流的高频干扰消除方法进行对比,得到的主要结论有:(1)随着桩径的增加,高频干扰的主要成分由切向横波转化为径向横波;(2)桩半径在0.2~1.0 m范围的桩基础受到高频横波干扰的影响最大;(3)将信号接收点与激振位置垂直布置或使用信号叠加法都能较好地揭示反射信号位置,但信号叠加法对高频横波干扰的消除效果更好。

水平分层低马赫数运动介质中的声传播

针对海流对水声传播的影响,基于高斯波束追踪方法,利用高频近似的低马赫数亥姆霍兹方程,建立了三维低马赫数运动介质下的声传播模型,并将该模型应用于浅海与深海水平分层介质下的声传播问题。仿真结果表明,海流能定性定量地改变声传播模式。浅海环境下,声速梯度大于流速梯度,导致顺逆流声线反转点的差别随着距离增加而增大;此外声线到达结构也会发生较大改变。深海环境下,流速梯度大于声速梯度,顺流方向表面声道消失,使得表层顺逆流传播损失相差10 dB以上,同时水平分层环境中也会产生三维声传播效应。因此在流速梯度与声速梯度相当甚至更大时,海流对声传播的影响不能被忽略。

基于多维传播模型研究城市地质环境的演变模式

通过分析重金属污染物在土壤中传播特征,建立了二维传播模型,然后对空间分布中的局部最高点以及周围的采样点进行多项式拟合,确定二维传播系数.根据已知采样点信息以及空间分布图,找到局部最大的点即为污染源的位置.在此基础上,为更好地研究城市地质环境的演变模式,建立了基于时间的三维传播模型,以各污染物浓度分布为判断指标,用计算机来模拟前后5年重金属污染物浓度的演变情况,得到该城市地理环境呈逐渐恶化趋势.

南海大陆坡海底对海洋环境噪声的影响

通过位于大陆坡上和深海处的两站点相同深度噪声实验数据,分析了大陆坡海域不同海底环境对海洋环境噪声的影响,并利用三维射线模型计算了不同海底条件下的噪声谱级和垂直指向性,进而研究了海底环境对环境噪声场的影响规律,数值仿真的噪声谱级和实验结果在绝对幅值和随频率变化趋势方面均符合较好。实验和仿真结果表明,由于大陆坡上坡方向的浅海环境不利于航船噪声远距离传播,因此大陆坡上站点的低频(300 Hz以下)噪声谱级较深海处更低;由于大陆坡海底底质较硬,海面高频风生噪声除了直达接收器外还可经海底反射后到达,因此大陆坡上站点的高频(1 kHz以上)噪声谱级较深海处高且随频率下降缓慢,导致大陆坡上和深海处的环境噪声谱级曲线随着频率增加会存在交叉现象。

三维绝热简正波-抛物方程理论及应用

复杂海域通常存在环境参数的水平变化,这会导致声波在传播过程中发生水平折射,呈现出三维效应.利用绝热简正波-抛物方程理论进行三维声场建模,在垂直方向上使用标准简正波模型KRAKEN求解本征值和本征函数,水平方向上使用宽角抛物方程模型RAM求解简正波幅度.该模型物理意义清晰,计算效率高,但由于忽略了各号简正波之间的耦合,只适用于环境参数水平变化缓慢的问题.使用该模型分析了内波环境和大陆架楔形波导中的声波水平折射现象,结果表明,声波的水平折射将水平平面分为不同区域,每个区域内的声场结构明显不同.此外,声强在水平平面内的分布与声源频率和简正波号数有关,这种依赖关系是导致声信号频谱变化、波形畸变以及声场时空扰动的主要原因.

一种基于声传播时间的海流垂直剖面求解方法

基于射线声学理论建立了运动介质中的三维声线传播模型作为正演模型,在利用双向声传播时延差计算海流流速分量时,对目前已有的时延差计算海流的方法进行改进,考虑了海流对本征声线影响,改进后的计算方法可在收发双方本征声线不同的情况下计算出海流流速,同时可以获得声传播方向上的流速垂直分布结构.最后通过仿真验证了海流计算方法的可行性.

三维光波导器件设计中的多重网格法FD-BPM

将一种高效的数值计算方法—多重网格法引入到三维有限差分波束传播法 (FD BPM)中 计算了均匀介质内定向高斯波在不同角度时的传播问题 ,并与解析法的结果进行了比较 最后计算了矩形波导的传播模式 ,并与交替方向迭代法BPM计算的结果进行了比较 证实了此方法的可靠性 ,而且这种方法大大提高了广角三维FD BPM的计算速度 。

高效铌酸锂薄膜波导模斑转换器设计

铌酸锂薄膜光子集成技术在高速光电子领域不断凸显,被广泛用于各种片上功能实现,如电光调制、光频梳、滤波器、非线性光学频率转换器、非线性量子光源、激光器等。在铌酸锂薄膜光子集成技术发展过程中,目前面临的一个重要的技术瓶颈就是铌酸锂薄膜纳米波导与单模光纤的高效耦合。针对这一问题,设计了一种基于SiO_(2)、SiON锥形结构以及双层铌酸锂锥形结构的模斑转换器,实现铌酸锂薄膜纳米波导与单模光纤之间模式和能量的高效传递与转换。采用三维有限差分光束传播法对器件结构进行了模拟仿真,并优化了结构参数,可实现与铌酸锂薄膜波导与单模光纤的高效耦合,耦合效率在82.2%~89.0%之间,同时,得到了±1.8μm光纤耦合对准容差,可为下一步制备出高效耦合的铌酸锂薄膜光子器件提供参考。

无人机毫米波信道建模进展和挑战

无人机毫米波通信技术结合无人机和毫米波的优势,提供高速数据传输和广域网络覆盖能力,在军用通信系统中拥有广阔的应用前景。精确的信道模型是无人机毫米波系统设计和性能评估的重要理论基础。不同于传统移动通信场景,无人机通信信道具有明显的三维传播特征,构建模型需要考虑包括三维散射空间、三维飞行轨迹及姿态、三维阵列天线和三维窄波束等多种因素。本文首先总结了无人机毫米波信道建模的新需求和挑战,并详细阐述了无线信道建模方法以及现有信道模型的研究进展,最后给出了信道建模的发展方向及关键技术,旨在为无人机毫米波信道模型的科学构建和标准化等研究提供参考。

基于3D-GM-BPM的平行定向耦合器模拟研究

提出了基于伽辽金法的三维光束传播法(3D-GM-BPM),可直接应用于三维波导光电子器件的光波传输模拟,并用它模拟分析了基于脊形光波导的平行定向耦合器的光波传输特性.3D-GM-BPM最终归结为求解一阶常微分方程组,导出矩阵小,计算效率高.另外,平面映射边界条件使该方法无须引入人工边界条件,因而消除了非物理反射,有较高的计算精度.

基于变量变换Galerkin法的三维束传播法

提出了一种基于变量变换Galerkin法的三维束传播法,用以模拟分析三维介质光波导的光波传输特性。将三维笛卡尔坐标的横向分量x-y作正切函数变换,无限x-y平面则映射成单位平面,无限域问题由此转换成有限域问题,消除了边界截断,提高了计算精度、选择正弦函数作为展开基,适用于任意包层边界的光波导。Galerkin法将三维BPM基本方程归结为一组一阶常微分方程组,可用成熟的Runge-Kutta方法求解,计算程序简单。另外,该方法导出矩阵小,有较高的计算效率。考虑了传播方向上均匀及非均匀的三维计算实例以验证该方法的准确性及计算精度。

多功能2×2 GaAs/GaAlAs多模干涉型光开关分析

提出了一种基于深刻蚀脊形光波导带模斑转换器的多功能 2× 2GaAs/GaAlAs多模干涉型光开关 ,并用变量变换级数展开法及三维有限差分束传播法对其进行了模拟分析与优化设计 .结果表明 ,通过控制多模波导中央的两段Schottky电极 ,器件可实现交叉态、直通态及 3dB耦合器功能 ,并有较大的制作容差、较宽的工作带宽 ,只须一个多模波导 ,器件结构紧凑 .采用深刻蚀脊形光波导能够满足多模干涉型器件的精确自镜像要求 ,并使输入 /输出光波导在单模工作下有较大的横截面 ,较低的弯曲损耗及较小的耦合串扰 .通道末端引入的模斑转换器可方便地与单模光纤连接耦合 .

基于3D-VTGM-SBPM平行定向耦合器模拟研究

提出基于变量变换伽辽金法的三维半矢量束传播法(3D-VTGM-SBPM),可直接应用于三维光波导器件的光波传输模拟.采用适当的变量变换,将三维半矢量BPM基本方程归结为一阶常微分方程组,避免了非物理反射且能反映模场的偏振特性,成功的分析了基于脊形光波导的平行定向耦合器的光波传输特性.

两种不同剖分方式的声线束追踪法声衰减计算

提出一种基于空间剖分的声线束追踪算法,对两种不同剖分方式算法进行比较。算法采用三棱柱和四面体两种空间剖分方式对声源点、障碍物所在空间结构进行剖分;利用得到的剖分结构快速追踪声线束并生成树形结构体;反向追踪声线束生成路径并结合声音排放传播模型得到三维空间声场;对两种剖分方式在计算精度、效率上进行比较,并对其误差和局限性进行讨论。完成该算法模型建立和比较,并通过实验对其进行检验。实验数据显示算法有较高的运算速度和精确度,两种剖分方式各有优势。

无碰撞电流片低频电磁模不稳定性:MHD模型

利用含无电阻广义Ohm定律的可压缩磁流体力学(MHD)理论,研究了在具有剪切磁场的无碰撞电流片中低频电磁模不稳定性,假定等离子体压力各向同性,推导出了三维扰动传播波模的色散关系.色散关系的数值求解集中在电流片中间平面(z=0)和半厚度边缘(z=1)上,并分别考虑了二维传播和三维传播,以及不同的离子惯性长度情况.主要结果如下:1)对于二维扰动传播(kz=0)的波,在z=0平面上,Alfven波增长率最大,不稳定的波频率和波数范围也更宽.离中间平面越远,增长率越小,波数区域越小.同时,随着离子惯性长度的增大,Alfven波不稳定性的增长率变大.2)对于三维扰动传播(kz≠0)的波,哨声是不稳定的.在电流片中间平面上,哨声有明显的增长率;而在离子惯性区外边,哨声的增长率还变大.3)在电流片中间(z=0)平面上,低频波主要是电流不稳定性激发的.在离中间平面较远处,电流、密度和压力的梯度不稳定性变得更重要.

用于SOI脊形波导的模式匹配器的设计

引入4种不同形状的模式匹配器,提高了SOI(Silicon On Insulator)脊形波导和单模光纤(SMF)的耦合效率。用三维束传播法(BPM)和重叠积分方法对这4种模式匹配器进行了结构设计和性能分析。结果表明,这4种模式匹配器对提高耦合效率的能力几乎相同;经过结构优化后,模式匹配器的耦合效率约提高了0 5dB;当模式匹配器长度大于800μm时,耦合效率几乎不随长度变化,因此模式匹配器长度取值应大于800μm。最后分析了封装对准中的对准精度要求。若要求附加损耗小于0 3dB,对准偏差须小于1μm。