CFS-PML边界条件在PSTD算法中的实现与性能分析

文中将具有复频率参数的PML(CFS PML)边界条件引入到时域伪谱 (PSTD)算法中 ,并利用卷积PML(CPML)方法予以实现 ,CPML的吸收性能作为时间的函数被给出。与传统PML相比 ,该边界条件不仅可以吸收传播模 ,而且还可以吸收低频凋落模。仿真结果也表明 ,CPML中参数α ,Kmax在一定范围内取值可使该边界的反射误差得到最小。

CFS-PML在探地雷达FDTD法模拟中应用

探地雷达(GPR)数值模拟中,为了使截断边界处不产生人为的反射波,需要加载边界条件.目前常用的完全匹配层(PML)边界对隐失波、低频波、掠角波等不能很好地吸收.为此,在时域有限差分(FDTD)法中引入复频移卷积完全匹配层(CFS-PML).从二维TM波的Maxwell方程组出发,阐述了CFS-PML边界条件的原理,推导了CFS-PML边界加载的离散差分公式,给出了CFS-PML边界条件的参数选取原则.应用均匀介质中GPR波场快照,对比了截断处没有加载边界条件、加载3种不同边界条件的边界处反射波的强弱,实例说明单轴各向异性完全匹配层(UPML)、CFS-PML边界条件具有较好的吸收效果.为了进一步对比UPML与CFS-PML的吸收效果,设置了双层介质狭长模型,通过波场快照与全局反射误差证明了CFS-PML对隐失波、低频波、掠角波的吸收较UPML效果更佳.

基于CFS-PML的高阶有限元在地质雷达数值模拟中的应用研究

为衰减地质雷达数值模拟时因截断区域厚度或者参数影响产生的倏逝波,提出了一种利用复频移完美匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer,CFS-PML)作为吸收边界,并结合频域高阶有限元算法(higher order finite element method,HO-FEM)求解电磁总场分量分布情况的新方法.该方法改善了截断域介质本构张量矩阵的特性,利用矩阵频移参量α吸收倏逝波,提高掠射角处吸收性能.数值实验结果表明,与传统PML相比,结合CFS-PML的HO-FEM方法精度得到明显提高,反射误差额外降低10~30 dB,节省了17%~30%的计算时间.此外,该方法能应用于复杂地质结构模型的电磁总场计算,为地质雷达数值模拟提供了一种新的方法.

基于移位算子方法的通用介质CFS-PML实现

针对通用色散介质时域有限差分方法计算时完全匹配层吸收边界截断的问题,提出了一种新颖的复频率完全匹配层实现方法。该方法从拉伸坐标系的麦克斯韦旋度方程出发,首先利用移位算子方法得到拉伸坐标张量系数的移位算子表示式,进而得到完全匹配层的时域有限差分更新公式。该公式与计算区域内的介质无关,可用于通用介质情况。数值计算结果表明,所得吸收边界在内存占用、计算时间、应用场合等方面均表现出色,且推导简单,概念明确。

基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟

通过数值模拟研究探地雷达(GPR)高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件(CFS-PML)以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率.为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算.在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式.两个GPR模型的模拟结果表明:本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度.

基于RKADE-SS-FDTD方法的无条件稳定高阶CFS-PML算法

为了提升完全匹配层(PML)算法的吸收效果,提出了一种用于截断非磁化等离子体的高阶复频率偏移PML(HO-CFS-PML)算法。该算法将龙格-库塔辅助微分方程(RKADE)算法和分裂步时域有限差分(SS-FDTD)算法相结合,来对非磁化等离子体进行仿真。在计算域边界处,引入了由辅助微分方程(ADE)算法实现的HO-CFS-PML用于截断开放区域中的等离子体,并通过一个数值算例进行模拟。结果表明:所提出的HO-RKADE-SS-CFS-PML算法在柯朗-弗里德里希斯-列维(CFL)数(CFLN)为8时,相比于传统CFS-PML算法,时间减少率可以达到79.2%,证明了该算法能够有效地消除柯朗-弗里德里希斯-列维(CFL)稳定性条件的约束,大大节省了计算时间;此外,HO-RKADE-SS-CFS-PML算法的最大相对反射误差可以达到-115 dB,明显小于其他算法的相对反射误差,并且随着CFLN的增大,该算法不会像RKADE-ADI-CFS-PML算法那样产生明显的误差增大现象,证明本文算法在大时间步长下拥有比其他算法更好的吸收电磁波的能力。

QPSK DS-CDMA System over Rayleigh Channel with a Randomly-Varying Frequency Narrow-Band Interference: Frequency Tracking Analysis

This paper analyses frequency tracking characteristics of a complex-coefficient adaptive infinite-impulse response (IIR) notch filter used for suppression of narrow-band interference (NBI) with a randomly-varying frequency in a quadriphase shift keying (QPSK) modulated direct-sequence code-division multiple-access (DS-CDMA) communication system. The QPSK DS-CDMA signals are transmitted over a frequency non-selective Rayleigh fading channel. The analysis is based on a first-order real-coefficient difference equation with respect to steady-state instantaneous frequency tracking error from which a closed-form expression that relates frequency tracking mean square error (MSE) with number of DS-CDMA active users and NBI power is obtained. Closed-form expressions for optimum notch bandwidth coefficient and step size constant that minimize the frequency tracking MSE are also derived. Computer simulations are included to substantiate the accuracy of the analyses.

一种改进的主动移频式孤岛检测技术

为了提高孤岛检测速率,改善并网电流波形质量,在传统AFD扰动方式基础上提出了一种新的改进型电流扰动策略。对传统AFD而言,截断系数cf越大则电流畸变率越大,而cf较小则检测效率降低。因此,如何在孤岛检测效率与电流畸变之间取得良好平衡是孤岛检测问题中的难点。所提出的电流扰动法对并网电流施以变步长cf扰动,能有效改善稳定电流波形THD,同时在负半波加强扰动量能提高检测速率。理论分析与仿真试验均验证了该新型扰动策略的正确性和可靠性。

双密度双树复小波变换及其在机械故障微弱特征提取中的应用

为改善经典小波变换在机械设备早期微弱故障特征提取中的不足,通过在滤波器组中引入适当的冗余度设计出双密度双树复小波基。双密度双树复小波变换具有两个尺度函数和四个小波函数,其中小波函数构成两组近似希尔伯特变换对,使双密度双树复小波基具有高度正则性、较小频带混叠和近似平移不变性等优良性质。频带分解上,双密度双树复小波变换的子频带中心频率处于经典小波变换相邻子频带的过渡区间上,能对经典小波变换难以处理的过渡带特征进行有效提取。将双密度双树复小波变换应用于重型卧式车床出厂检测,诊断出一处装配缺陷。同时结合平稳双密度双树复小波变换与相邻系数收缩策略提出改进消噪算法,将其应用于热轧机组减速箱齿轮故障特征提取中,检测出同一齿轮上的两处齿面损坏。

基于改进DTCWT的GIS局部放电信号降噪方法的研究

GIS局部放电产生微弱的特高频信号在外界各种噪声干扰下容易被掩盖,为此利用特高频法检测GIS局部放电必须经过有效降噪处理。文中提出一种基于改进的对偶树复小波(dual-tree complex wavelettransform,DTCWT)局部放电特高频信号降噪方法,该方法是利用DTCWT将含噪信号分解为一系列小波系数,并得到信号在不同变换尺度下的细节分量。利用时域峭度和包络谱峭度将细节分量进行敏感预筛选,极大地提高了后续的最大峭度解卷积(maximum kurtosis deconvolution,MKD)去噪效率。为了验证该方法的有效性与可靠性,进行GIS局部放电特高频信号降噪实测试验,结果表明该方法能有效的对局放信号进行去噪处理,且在较好发挥DTCWT平移不变性等优点的基础上,对细节信号分量的筛选,可改善该局放降噪方法的降噪效果评价指标,并保持其原有的信号特征。

氢键复合物中键长变化与振动频率移动相关性重访(英文)

X―H···Y(Y为电子供体)型氢键形成时,X―H键长伸长或缩短与相应的X―H伸缩振动频率红移或蓝移存在较强的相关性,这也是氢键光谱检测和研究的基础.但是,最近的理论研究却推翻了这一观点,认为X―H键长变化和相应的X―H伸缩振动频率移动在有些氢键体系中并不存在相关性(McDowell,S.A.C.;Buckingham,A.D.J.Am.Chem.Soc.2005,127,15515.).本文中,我们采用更为可信的计算方法,对这一问题进行再研究.结果表明是错误的计算方法导致了McDowell和Buckingham得出错误的结论.在McDowell和Buckingham所研究的氢键体系中,X―H键长变化和相应的X―H伸缩振动频率移动仍存在较强的相关性.

基于超声波多普勒效应的管道流速测量的研究

时差法作为一种传统的测流原理,由于存在安装难度大、机械制造精度要求高和时间截取准确度要求高等因素,造成时差法测流存在一些不确定性,可能无法实时准确地反映水层的瞬时流速。针对上述问题,运用超声波多普勒效应,即水层与流速仪存在相对运动时,声波的反射信号将产生相应的多普勒频偏,研究并设计了一套完整的以STM32F407VGT6为核心处理芯片的超声波发射电路和微弱超声波信号接收处理电路,介绍了基于复调制的Zoom FFT的基本原理,同时成功地运用到了管道流速测量的算法当中,并取得了良好的测试效果。

有耗媒质中3D目标体散射特性的TSNU-PSTD模拟

结合PML边界条件的傅立叶时域伪谱(PSTD)算法已广泛用于模拟电磁波传播和目标散射,但传统的PSTD方法在每个坐标方向上需要均匀分布的空间坐标网格点,从而不能够很好地模拟曲面目标和与网格空间尺寸不一致的目标,基于变空间的PSTD方法可以很好地克服这些不足。文中将CFS-PML边界条件在PSTD算法中实现并将它与TSNU-PSTD方法结合模拟了大范围有耗媒质中2D\3D曲面介质体目标的电磁散射,部分结果与FDTD计算结果进行了比较。仿真结果表明,基于变空间的PSTD只需平均每波长分成3个网格就可以达到较好的精度,可高效模拟电大尺寸空间曲面形状目标体的电磁散射。

一种改进的直扩系统大频偏二次捕获算法

针对卫星通信中低信噪比大频偏信号的精确捕获问题,提出了一种改进的直扩系统二次捕获算法.算法首先通过基于FFT的码相位并行搜索完成频偏的预估计和补偿,构造一个不含扩频码的准基带信号,然后对此信号采用含有辅助结构的FFT实现频率的精确估计和校正.仿真结果表明,本文所提算法与传统二次捕获算法相比捕获性能大致相当,资源消耗降低24%,捕获时间减少84%.给出了不同信噪比和扩频比下关键参数的选取方法,使算法具有较高的实用性.

基于复频移完全匹配层的辛龙格库塔算法探地雷达正演

为了消除探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演模拟的截断边界处的非物理反射,需要对模拟区域边界进行特殊处理。目前应用效果较好的边界处理方法为加载完全匹配层吸收边界条件。而复频移完全匹配层(complex frequency shift perfectly matched layer,CFS-PML)可以加强对低频区凋落波、倏失波的吸收效果,还可以压制信号的虚假反射,被引入到GPR正演边界条件处理中。将CFS-PML应用于辛龙格库塔求解二维GPR波动方程的数值模拟中,利用辛算法可以实现对时间坐标和空间坐标的保辛计算,从而实现GPR高精度正演模拟。首先,以横磁(transverse magnetic,TM)波为例,推导了基于CFS-PML的辛龙格库塔GPR波动方程求解公式。其次,利用狭长模型开展了CFS-PML吸收边界条件中的关键参数的选取试验,通过对比反射误差的大小确定了最优参数。此外,通过CFS-PML吸收边界条件与透射边界条件的对比实验,说明大角度掠射下CFS-PML边界条件较透射边界具有更好的吸收效果。最后,为了进一步验证该算法的效果,应用加载CFS-PML边界的辛龙格库塔算法对一个具有起伏地形的地电模型进行了正演。通过剖面法和宽角法得到的正演剖面图,证明该算法具有较好的GPR正演精度。

基于附加频移跳频的方案设计及其性能分析

为了提高跳频系统的抗预测性能,增大抗跟踪干扰能力,提出了基于附加频移的跳频通信。在给定跳频带宽内,该方案通过双序列的控制输出射频频率来提高其跳变复杂度,从而增大敌方对于跳频序列的正确建模和预测难度。基于混沌特性的分析方法,对采用L-G非连续抽头模型和Logistic-Kent级联映射构造的合成跳频序列的复杂度进行了计算,与相同模型下构造的常规跳频序列相比,基于附加频移的跳频通信均具有更大的复杂度。

基于复信号处理的二进制频移键控实现方法

二进制频移键控(2FSK)在电力线载波通信系统中得到了广泛应用,传统的2FSK的调制与解调通常采用实信号处理的方法来实现。文中提出一种基于复信号处理的数字复调制与数字复解调的方法,该方法根据输入数据的比特值产生复低通信号,并进行低通滤波、复调制从而实现2FSK的复调制;对2FSK输入信号进行抽样,并进行复解调、低通滤波得到复低通信号,将复低通信号与其延迟后的共轭信号进行复数相乘并对所得到的积的虚部进行判定从而完成复解调。

DSP+CPLD在FSK信号检测系统中的应用研究

分析比较了几种信号检测系统的基本构成形式 ,根据系统的要求 ,研究并设计了一种基于DSP +CPLD的FSK信号检测系统 ,给出了系统的体系结构和算法框图 .

基于改进的频谱位移雷达干涉去平算法研究

雷达干涉处理过程中,平地相位去除在整个干涉处理过程中是不可忽视的一步。平地相位一方面使干涉条纹密集化,另一方面加大了后续相位解缠以及相位到DEM转化的难度,基于频谱位移的去平算法是目前比较常用的方法,常规的频谱位移算法忽视了图像本身特点,通过圆周位移之后,仍然有大量的残余相位,导致去平结果不够准确。文中采用改进的常规频移去平算法,根据干涉纹图距离向与方位向平地相位分布情况,采用分块插值频移算法;并用短基线的SRTM数据以及长基线的JERS-1数据进行了实验。通过与常规频移方法比较,结果表明,该改进算法能有效去除干涉纹图中的平地相位。

便携式区间自动闭塞电气参数测试仪的研究

区间闭塞系统是铁路信号的重要组成部分,区间闭塞系统设备的运行状态直接影响到铁路运输安全和运输效率。结合我国目前铁路广泛使用的交流计数和移频自动闭塞系统,基于铁路现场的实际需求,就区间自动闭塞电信号的检测方案进行了设计,确定选择以差分解调算法来实现对移频信号的解调和以时域处理方法检测交流计数信号的方案。在此基础上,完成了以DSP为处理核心、以CPLD为控制单元的便携式区间自动闭塞电气参数测试仪的系统硬件设计和软件设计,用制成的样机进行了现场试验。实验证明,系统完全满足技术指标要求,达到了铁路现场的使用要求。