磁场建像中的理论模型和数学处理

提出和建立了磁场建像中的理论模型和数学处理方法，通过该模型和方法获得了磁通密度重建函数及其图像。

地球与行星内源磁场建模研究进展

太阳系绝大多数行星都拥有随星体自转而共转的内源磁场.随着人类不断地进行深空探测,人们已经对所有已知具有内源磁场的太阳系星体建立起了其对应的行星磁场模型.行星磁场建模是深入研究行星内部动力学过程、探究行星演化历史、理解行星磁场与太阳风相互作用、认识行星磁场对高能带电粒子的屏蔽效应等多种研究方向的重要基础.同时,行星磁场建模也是一项多学科交叉的研究工作,其涉及到行星磁场建模理论、内外源磁场场源分离、参数反演方法与方程优化等多方面的研究.本文综述了地球与太阳系其他行星,包括月球以及木卫三两颗卫星在磁场建模方向的研究进展,描述了行星内源磁场的特征,整理了太阳系行星最准确的全球磁场模型.本文首先从行星磁场的数学建模方法开始,梳理了自高斯时代以来磁场建模技术的发展历史,介绍了行星磁场建模研究的热点方法.文章最后展望了未来行星磁场建模研究的发展趋势,以及我国未来的深空探测计划对行星磁场建模研究的可能贡献.

正则化对地球主磁场建模的影响

地球主磁场是在液态外核中通过发电机作用产生的.通过地磁卫星和地磁台站的观测数据约束,能够构建地球主磁场随时空变化的磁场模型.由于观测数据的时间和空间分辨率有限以及模型参数化的不完备,地磁场建模的反演问题存在多解性.因此,需要在建模过程中加入基于先验信息的正则化约束来缓解反演的非唯一性问题.对于主磁场而言,建模反演的非唯一性主要体现在主磁场随时间的变化上.研究正则化对主磁场建模的影响,可以帮助我们构建更加真实可靠的主磁场模型,特别是如何通过正则化对主磁场长期变化中的虚假时间变化进行压制.本研究基于CHAOS建模理论的框架,构建了一系列不同正则化参数约束的地球主磁场模型,探究正则化对于主磁场建模结果的影响.本文研究结果表明,在完全基于卫星数据的主磁场建模中,加入主磁场正则化约束是必要的.比较主磁场对时间三阶导数的正则化强度不同的模型结果表明,适当强度的三阶导数正则化可以有效压制由于模型对观测数据的过拟合产生的虚假信号,但过强则会降低小尺度长期变化的时间分辨率.

小尺度地磁场勒让德多项式建模方法

根据地面实测地磁场数据,提出一种基于勒让德多项式的对小尺度地磁场的模型建立方法,结合数据预处理、最小二乘拟合方法,采用高阶的模型描述典型小尺度区域的地磁场,绘制出地磁图.通过实验验证,模型拟合实验点的数据与真实数据的磁场总强度平均误差小于30nT,并且反映出小尺度区域中磁场的精细结构,有效地抑制了边界效应,大大提高了地磁场建模能力.另外讨论了勒让德多项式建模方法的优缺点以及使用范围.这为地磁场在空间延拓、探矿、地下结构分析提供了重要的方法和理论基础.

基于矩谐分析的高精度局部地磁场建模研究

高精度地磁基准图的绘制是实现地磁导航的关键。本文论述了应用矩谐分析方法进行地磁场建模,进而绘制地磁基准图的优越性。针对边界振荡问题,提出了一种具有线性趋势补偿项的改进矩谐分析模型。为克服传统方法在求解模型待定常数时易陷入局部最优的问题,将多种群遗传算法应用到模型待定常数的求解中。应用实测地磁数据进行了仿真试验。结果表明,应用多种群遗传算法求取矩谐分析模型待定常数的方法是可行有效的;与传统矩谐分析模型相比,改进的矩谐分析模型对地磁场的拟合精度更高,且可以减轻边界振荡现象。

基于伪周期的Halbach永磁阵列三维磁场端部效应建模研究

对于无铁芯动铁式长行程平面电机,其动子Halbach永磁阵列端部磁场的畸变将产生端部效应,由其引起的推力波动将影响平面电机定位与运动精度。建立准确的包含端部磁场的Halbach永磁阵列三维磁场数学解析模型,是电机推力建模、避免推力波动、提高端部磁场利用率及降低单个线圈能耗的基础。以无铁芯动铁式永磁同步平面电机动子Halbach永磁阵列为研究对象,分析了Halbach永磁阵列中磁场类正弦区与端部畸变区的磁场特性,通过将Halbach永磁阵列外边缘磁场衰减至零的特征边界间距定义为机械伪周期,并采用新的傅立叶级数及空间积分技术,推导出了完整的Halbach永磁阵列全空间磁场三维数学解析表达式。通过与有限元计算及现有磁场解析计算方法的对比,结果验证了提出的磁场建模方法的准确有效性。

地磁场全球建模和局域建模

地磁测量和地磁场建模是地磁学研究和应用的重要内容之一,构建全球和局部地区地磁场模型的物理依据是位场理论,观测依据是地面、海洋、航空、气球和卫星的磁场探测资料.地磁场建模涉及两个问题,即如何选取合适的基函数和怎样实现最佳的拟合.全球建模的经典方法是球谐分析(简记为SHA),它无论在理论上,还是在数值计算上均已非常成熟.与之相比,局部区域磁场建模的方法虽然很多,但是它们的数学理论还不完善,计算技术尚待发展,有效性不断受到挑战,模型的物理解释也常常受到质疑.本文用比较分析的方法,探讨了全球建模的常规球谐分析(SHA)和局域建模的矩谐分析(RHA)、冠谐分析(SCHA)及修正冠谐分析(R-SCHA)等方法在理论基础和数学处理中的差异,分析它们拟合磁测资料的优缺点,指出它们的局限性和适用场合.

薄膜声体波谐振器的电磁场建模与仿真

为了模拟薄膜声体波谐振器(FBAR)的电磁场(EM)分布特性,提出了一种新的FBAR建模方法.该方法从基本的一维弹性压电方程和三维麦克斯韦尔方程出发,结合电极与压电薄膜交界处机械应力与机械位移连续的边界条件,推导出了FBAR等效复介电常数的严格解.将电磁场和声场等效到一个复介电常数中,用等效复介电常数的形式来包含电声效应.并基于有限元方法对FBAR全波段进行了仿真.结果表明,该方法的仿真结果与实测数据基本一致,具有很好的准确性.与传统的电路模型比较,由该方法得到的模型能够实现场的不连续仿真和FBAR的电磁场分布与压电效应的实时仿真.

局域海洋地磁场矩谐分析建模方法研究

为了用位理论对局域地磁场模型进行分析,对地磁数据的质量控制、数据的代表性、模型截止阶数的选择以及边界效应的影响等建模中的关键问题进行了研究,给出了分区建模的思想,并应用于某海域的地磁场建模中。矩谐分析方法与球冠谐和分析方法以及多项式拟合方法的比较结果证明,该方法在构建局域地磁场模型中具有较高的精度。

超小尺度地磁场泰勒多项式建模方法

根据实测的地磁数据,提出一种基于泰勒多项式在超小尺度下的地磁正常场的模型建立方式,结合数据处理﹑最小二乘拟合法,利用泰勒多项式模型建立超小尺度下的地磁正常场,并绘制相应的局部地磁图.经实验证明,超小尺度下的泰勒多项式地磁模型能够相对精确的描绘地磁正常场的分布.这为建立超小尺度地磁模型提供了参考,也可为小尺度内测量磁异常提供可靠的参考场.

舰船磁场磁偶极子阵列建模与分析

针对舰船磁场建模问题进行研究,利用磁偶极子阵列对舰船磁场进行建模,并对舰船磁场磁偶极阵列模型的适用性进行分析。首先,建立舰船磁场磁偶极子阵列模型,将舰船磁场等效为一列均匀分布在舰船吃水面中线上的磁偶极子阵列模型;然后,基于磁偶极子阵列构造了舰船磁场建模数学模型,给出了磁偶极子阵列模型求解方法;最后,提出了舰船磁场磁偶极阵列模型适用性分析方法。对三种不同舰船船模进行了建模试验,计算不同偶极子个数的磁偶极子阵列模型的建模相对误差,得到舰船磁场磁偶极子阵列模型的建模规律,试验结论为舰船磁场建模和水中兵器的被动磁定位研究等工程应用提供了磁偶极子阵列模型选择参考依据。

基于ACFM技术的焊缝跟踪传感器空间磁场建模

针对窄间隙I形坡口对接焊缝因其结构特殊性而缺乏直接有效的跟踪方法这一难题,设计了一种基于交流电磁场检测(ACFM)技术的新型焊缝跟踪传感器.建立了传感器焊缝表面感应电流的三维空间简化磁场模型,推导出了空间磁场磁感应强度计算解析式,利用MATLAB软件分析了三维方向的磁感应强度分布规律,重点分析工件焊缝引起的磁场畸变信号与焊缝位置之间的内在联系,采用近似二次多项式曲线拟合表征垂直焊缝方向磁感应强度Bz与焊缝左右偏离距离两者的数学关系,提出了一种新的焊缝偏差检测方法,为I形对接坡口焊缝自动跟踪系统的设计提供理论依据.

基于磁场-电路一体化建模的大功率接触器节能驱动电路设计

大功率接触器广泛应用于电动汽车和不间断电源系统等多个领域,具有可靠性高、使用寿命长的优点。传统的驱动方式导致接触器线圈耗电发热严重,限制了其推广应用,因此接触器的节能驱动电路设计是目前研究的热点。对国内外现有的节能驱动电路进行归纳总结,确定各方法的优缺点。由于有限元商用软件在电路建模上存在局限性,通过电路仿真软件与有限元软件联合仿真的方式实现磁场-电路一体化建模。通过使用基于PWM控制的节能驱动电路,最终线圈功耗降低80%,有效地减少了能源损耗与温升,对接触器节能驱动电路设计具有较好的指导与借鉴意义。

基于多偶极子磁性模型的卫星复杂磁场建模方法

飞行器、舰船和潜艇等典型可移动平台具有复杂的磁场,获取这些磁场信息对于提高磁场探测精度具有重要意义。文章在简要总结典型可移动平台复杂磁场的建模方法基础上,结合卫星自身特点,提出基于多偶极子磁性模型的卫星复杂磁场快速建模方法。其技术途径有两种:一是基于单机磁试验数据建立单机磁性模型,再组合成整星多偶极子磁性模型;二是基于卫星磁试验数据直接建立整星多偶极子磁性模型。采用这两种技术途径完成某型号卫星的磁场建模、计算与测量验证,测试结果表明多偶极子法可很好地适用于磁洁净卫星复杂磁场的快速建模计算,精度优于0.2 nT。

多目标优化的舰船磁场建模方法

针对舰船磁场混合模型建模中存在的建模精度不高和稳定性差的问题,提出一种高精度稳定模型建立方法,结合混合模型中磁偶极子参数与舰船结构的相关性,以建模精度和模型稳定性为目标构造了多目标函数,通过对多目标函数优化获得合理的磁偶极子参数,间接地将建模求解问题转化为多目标函数优化问题.利用多目标粒子群优化算法进行求解,得到了建模问题求解结果的可选集,以建模精度为基准设计了从可选集中选取最佳结果的选择规则.三种类型的舰船船模实测数据建模结果表明:本文方法所建模型相对误差小于3%,换算误差小于6%,能够有效对舰船磁场进行建模;当存在测量数据误差时,本文方法建模求解结果稳定,验证了文本方法建模具有较好的稳定性.海上的某型舰船实测数据建模结果表明,本文方法建模具有较高的建模精度和换算精度,能够有效地在相关的工程中应用.

新型线控电磁离合器的磁场建模与动态响应分析

为了提高电磁离合器的最高转速,增加最大传递扭矩,提出了一种新型线控离心球臂接合装置式电磁离合器,利用线控离心球臂接合装置高速旋转产生的离心力来实现离合器的平稳接合,通过电磁线圈的通断电实现离合器分离过程和接合过程的控制。基于电磁有限元法,利用Matlab中的PDE工具箱对离合器衔铁行程处磁场进行了模拟分析;结合电磁离合器工作原理,建立电磁离合器动态响应时间数学模型,并进行精确的计算分析。实验结果表明,新型线控电磁离合器的最大传递扭矩为200 N·m,平均功率为18 W,最高转速可达3 500 r/min,动态响应时间为0.32 s,与现有电磁离合器相比,其各方面性能均有显著提高,且作为动力换挡离合器使用时,其动态响应特性满足自动变速器换挡时间的要求。

基于OpenMP的并行电磁场神经网络建模

针对用神经网络技术对电磁场建模需要较长计算时间的问题,提出了基于OpenMP(open multi-processing)的神经网络并行建模方法。该方法在串行的电磁场神经网络建模基础上,将电磁场样本点和训练数据点均匀分配给多个处理器进行并行处理,实现了电磁场数据并行产生以及神经网络并行训练。通过微波滤波器建模例子分别从加速比和效率来验证基于OpenMP的并行电磁场神经网络建模的性能。实验结果表明,并行电磁场神经网络建模是可行的,而且基于OpenMP方式的并行电磁场神经网络建模效率较传统的串行神经网络建模效率有了明显的提高。

胶囊机器人驱动磁场的建模与测量

随着微创和无创诊疗技术的发展,磁控胶囊机器人成为了胃肠道内窥镜医疗领域的研究热点,在胃肠道实时诊断和治疗中具有广大的应用前景。本文对外部径向充磁永磁体空间磁场分布规律开展研究,采用等效磁荷法建立了磁场数学模型,并在MATLAB中编程对磁感应强度进行数值计算,且基于ANSYS软件建立了数值仿真模型。开发了胶囊机器人驱动系统和霍尔式磁感应强度测量系统,实现对环形永磁体旋转时径向磁感应强度的测量。实验结果与理论计算、数值仿真结果吻合较好,验证了模型的准确性和可靠性。本研究揭示了环形永磁体外部磁感应强度分布规律,发展了磁场测量和预测的方法,为永磁体磁性参数的确定与优化、胶囊机器人的磁驱系统建模和运动控制研究奠定了基础。

半参数模型在区域地磁场建模中的应用

地磁场本身及环境影响使测量数据存在着各种误差,为了更好地实现区域地磁场建模,在多项式的基础上添加一个非参数分量构成半参数回归模型,并且将半参数回归模型与原有的多项式拟合模型的拟合结果进行对比。结果表明,半参数回归模型避开参数模型的局限性的同时也填补了无参数模型的缺点,在区域地磁场建模中可以达到更好的拟合效果,所构建的区域地磁场模型也更加贴近客观实际。

浅海中运动时谐垂直电偶极子产生的电磁场

为了对浅海中的运动舰船所产生的轴频电磁场进行建模,对三层介质中匀速运动的时谐垂直电偶极子在固定场点产生的电磁场这一问题进行了求解.首先求解在三层介质中静止的时谐电偶极子在固定场点产生的电磁场,通过狭义相对论的洛仑兹变换,得出最终的表达式.以浅海环境下低速运动的极低频时谐垂直电偶极子为例,对其在海水中的固定场点产生的电磁场进行了数值计算,通过对比计算,分析得出低速运动的偶极子与静止的偶极子所产生的电磁场相等,以及海水越浅则海底对电磁场的贡献越大等结论.最后通过实验测得的某船模的轴频电场数据,验证了表达式的实用价值.