Analytical Study on Wave Diffraction from a Vertical Circular Cylinder in Front of Orthogonal Vertical Walls

In this paper, the principle of mirror image is used to transform the problem of wave diffraction from a circular cylinder in front of orthogonal vertical walls into the problem of diffraction of four symmetric incident waves from four symmetrically arranged circular cylinders, and then the eigenfunction expansion of velocity potential and Grafs addition theorem are used to give the analytical solution to the wave diffraction problem. The relation of the total wave force on cylinder to the distance between the cylinder and orthogonal vertical walls and the incidence angle of wave is also studied by numerical computation.

离轴抛物面反射镜模拟空间环境镜面变形分析

在卫星红外多光谱扫描仪模拟空间环境辐射定标试验中,环境模拟器舱内的稳、瞬态温度场会给光学系统成像质量带来影响。以试验中的实测温度变化作为温度载荷,借助有限元软件,分析了定标系统中通光孔径为Φ400mm的离轴抛物面主镜的温度场分布和热弹性变形。选用在单位圆内正交的Zernike多项式为拟合基函数,通过坐标变换,将抛物镜表面坐标转换为完整抛物面坐标,而后从矛盾方程组入手,应用Householder变换,把系数矩阵正交三角化,求解拟合系数,完成波面拟合。拟合前后各离散点的PV值由1.59×10-5 m变为1.5626×10-5 m,RMS值由3.7159×10-6 m变为3.7144×10-6 m。将拟合结果导入ZEMAX软件中,导入前后,离轴抛物面反射镜波前像差PV值由0改变为0.018λ(λ=632.8nm)。应用该方法进行了镜面变形分析,结果表明,拟合精度高,并可以分析任意面形、形状的光学表面。

带摆镜的制冷型中波红外像方扫描光学系统设计

基本形式的像方扫描光学系统依然需要复杂的二维回转机构带动成像镜组做二维扫描,所以二维回转机构需要承担较大载荷。分析了基本形式的像方扫描光学系统形式,并在基本形式基础上加入摆镜,只通过二维摆镜的旋转达到扫描像面的目的,大大减小二维回转机构载荷,提高扫描速度,简化了系统结构,减小了系统体积。加入摆镜后的光学系统除具有基本形式像方扫描光学系统的性质外,还有了新的限制条件,对带摆镜的像方扫描光学系统进行了分析,提出了设计条件及设计方法,并设计出具有较大视场的像方扫描光学系统。

波浪在陡坡上的传播变形

利用数值方法和物理模型分析以反射为主的陡坡上波浪传播变形特性。数值方法采用标记单元法，为处理倾斜反射边界对斜坡前波浪运动的影响，提出了“台阶镜像法”。通过1：1．5光滑斜坡上物理模型试验，分析了不完全立波的运动特性，说明强反射光滑陡坡坡前波浪运动呈明显的立波状态，它与直墙反射的主要差别是被前第一波节点和腹点位置向岸推移。本试验得到的波浪反射、爬高和回落特征值与港口工程规范给定结果接近。

栅格尾翼导弹空气动力特性的计算与分析

将单独栅格翼气动特性的计算推广应用于计算栅格尾翼导弹在亚、跨、超音速流中的法向力、俯仰力矩和轴向力系数以及载荷分布。对于小的迎角和舵偏角 ,栅格尾翼的法向力特性在亚音速时用基于升力面理论的涡格法计算 ,在跨音速时用一维流理论计算 ,在超音速时用激波 -膨胀波法计算 ;弹体对尾翼的干扰 ,用尾翼处在弹体的横向上洗流场中来模拟。尾翼对弹体干扰所引起的附加载荷用镜像法计算。对于中等大的迎角和舵偏角 ,栅格尾翼的法向力用经验公式计算。单独弹体的法向力特性 ,在亚音速时采用 Jorgensen的理论与修正的细长体理论相结合的方法计算 ,在超音速时用 Aiello建立的数据相关法计算。通过实例计算 ,得到与实验数据吻合良好的满意结果。计算结果表明 ,栅格尾翼的空气动力有许多特有的性质 ,将它应用到导弹上作稳定面和控制面 。

Stokes二阶波作用下斜坡海床中盾构隧道周围砂土渗流压力响应分析

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑海底斜坡地形下波浪非线性带来的影响。首先基于斜坡海床表面的动力边界条件,得到Stokes非线性波作用下自由海床的Biot固结孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土体摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了Stokes波作用下斜坡海床中隧道周围砂土的渗流压力响应解答;最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对波浪敏感参数(波长、周期、形态)、海床敏感参数(海床渗透性、剪切模量、饱和度、坡度)及隧道敏感参数(衬砌厚度、渗透性、埋深)进行了影响因素分析。结果表明:随着波浪周期及波长增加,衬砌外超静孔压明显增加;随着水深沿斜坡方向减小,Airy波和Stokes波理论在适用范围内(d/L>0.125,d为海水深度,L为波长),获得的波浪压力差异明显增加,前者会低估隧道周围的超静孔隙水压力;当海床渗透系数较大时(k_(s)>1×10^(−2)m/s),波长和海床饱和度的增加会造成衬砌外超静孔压增大,而海床剪切模量、海床坡度及隧道埋深的增加会造成衬砌外超静孔压减小,在坡度较大的斜坡海床中,隧道衬砌外超静孔压呈明显的非对称分布;当海床渗透系数较小时(k_(s)<1×10^(−4)m/s),隧道周围超静孔隙水压处于较低水平,其他敏感参数的影响不显著;当隧道衬砌渗透系数较小时(k_(t)<1×10^(−6)m/s),隧道对超静孔隙水压在砂土内传播的“阻挡”效应明显;当衬砌渗透系数较大时(k_(t)>1×10^(−4)m/s),隧道周围砂质海床内超静孔压较低;衬砌厚度对衬砌外超静孔压分布影响不显著。

正交直墙前直立圆柱的波浪绕射的解析研究

应用镜像原理,将正交直墙前单个圆柱的波浪绕射问题,转化为4个对称布置圆柱的4向入射波浪的绕射问题。然后应用速度势的特征展开方法和Graf加法定理,建立了正交直墙前垂直圆柱的波浪绕射解析解。通过数值计算研究了圆柱与正交直墙间距离大小、波浪入射角等因素与圆柱上总波浪作用力的解析关系。

多次反射对垂直磁偶极子的场强影响

如何快速准确地计算分层导电媒质中环天线产生的电磁场一直受到人们的重视.文中利用镜像法,在空气-海水-海床三层模型下,在电磁场惟一性原理的基础上,通过矢量电位方法推导了垂直磁偶极子在海水中产生的极低频电磁波的解析表达式.通过该方法推导出的电磁波表达式各个分量有明确的物理意义,且推导过程更加简单.仿真结果表明,海面和海底之间的多次反射波对总场场强的贡献很小,可忽略不计;对总场场强起主要作用的传播路径为:从场源发出以最小距离到达最近分界面经一次反射直接到达接收点.

冲击脉冲辐射天线辐射场计算及应用

根据由张量法得到的任意线天线电场计算公式,利用镜像法推导,得到冲击脉冲辐射天线辐射电场的时域解析表达式。应用该表达式计算冲击脉冲辐射天线应用于辐射波电磁脉冲模拟器的时域辐射场,并与数值计算进行比较,结果表明:解析计算得到的辐射场波形与数值计算结果吻合较好,因此,利用解析表达式可以方便地观察天线结构参数对天线辐射场波形的影响,从而选取合适的参数以产生符合标准要求的天线场波形。

镜像分解技术实现CFD程序自相关循环并行化的研究

针对 CFD( Computational Fluid Dynamics)程序中常见的自相关循环结构 ,分析了波前并行技术不能对其进行并行化的原因 ,针对其相关实质 ,提出了自相关循环的镜像分解技术 ,通过消除跨迭代的反相关 ,实现自相关循环结构的波前并行 ,完成自相关循环的并行化。

航空光电成像系统像移补偿技术研究

航空光电成像系统由于像移的存在导致成像分辨率下降,严重影响航空光电系统的整机性能。采用像移补偿技术可以提高航空光电系统成像质量。分析了移动探测器像移补偿技术原理与运动光学元件像移补偿技术原理,重点研究了基于快调反射镜(FSM)的高精度像移补偿技术。通过工程简化分析,分别推导了快调反射镜位于平行光路和会聚光路的像移补偿随动角度规律,并针对会聚光路中快调反射镜带来的离焦量进行分析,讨论了离焦量对光学系统波像差的影响。仿真结果表明,随着离焦量的增加,波像差呈线性增大趋势。通过分析光学系统波像差对其光学调制传递函数(MTF)的影响,结果表明F数等于8,在奈奎斯特频率处,当离焦量在0.1 mm以内,光学调制传递函数MTF的下降量在26.6%以内。

大倍率离轴无焦四反光学系统设计

空间引力波探测任务采用的是外差法激光干涉测量技术,其对系统的噪声和精度要求极为苛刻。望远镜是引力波探测天文台的重要组成部分,起到激光信号收发的作用,其光学系统应具备大倍率、高像质、杂光抑制能力强,波前误差一致性好的特点。针对上述要求,对大倍率离轴四反无焦光学系统进行了设计和优化。基于初级像差理论阐述了初始结构的求解方法。系统具有中间像面和可用的实出瞳,便于杂光抑制和与后端科学干涉仪的承接。优化过程中,建立了波前一致性优化函数,通过优化设计,系统入瞳直径为200 mm,放大倍率为40倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.005λ,PV值优于0.023λ(λ=1064 nm),波前一致性残差RMS值优于0.0008λ(λ=1064 nm),在捕获视场±200μrad内的成像质量均接近衍射极限,并对系统公差进行了分析,满足引力波探测的应用需求。

基于镜像原理的半圆拱形矿井巷道电磁波传播场强预测

为了能更好地分析电磁波沿矿井巷道的传播特性,更有效地部署矿井移动通信系统,提高矿井移动通信系统的无线通信质量,针对电磁波沿半圆拱形矿井巷道的传播,提出了一种基于镜像原理的半圆拱形矿井巷道电磁波传播场强预测方法。镜像法是一种基于几何光学理论的射线跟踪法。它将高频电磁波看成光波射线,通过光线的直射、反射等现象,点对点找出发射点与接收点之间电磁波传播的有效传输路径,模拟出电磁波沿矿井巷道的传播过程。所提出的基于镜像原理的半圆拱形矿井巷道电磁波传播场强预测方法首先通过分割半圆拱形顶面来得到镜像法所需的有效反射截面,建立了各截面的平面方程。提出了当发射点和接收点在矿井巷道中的位置确定后,各截面的1次反射点、2次反射点和3次反射点的确定方法以及1次反射线、2次反射线和3次反射线数目的统计方法。基于所分割截面的平面方程,提出了入射波在各截面反射点入射角的计算方法,由此可获得入射波的垂直极化波和水平极化波的反射系数。提出了在接收点处1次反射线、2次反射线和3次反射线场强矢量的计算方法,由此可获得接收点处各次反射波的场强矢量和以及接收点处总场强矢量。仿真结果表明当发射点和接收点在半圆拱形矿井巷道中不同位置时采用所提出的基于镜像原理的半圆拱形矿井巷道电磁波传播场强预测方法可有效统计各次反射线数目与预测接收点处的场强,如得到的采用6面和9面截面分割矿井巷道半圆拱形顶面的场强分布曲线符合电磁波沿矿井巷道传播场强波动的一般规律,且与一些经典的测试结果的趋势相一致。此外,采用所提出的场强预测方法还可以判断电磁波沿半圆拱形矿井巷道传播时将场强分布曲线分割为近源区和远源区的"断点"的位置,在近源区,电磁波衰减较快,在远源区,电磁波衰减较慢。

OBS技术在南海北部白云深水区储层含气性识别中的应用

当前中国海底地震仪(OBS)技术主要用于地球深部结构或水合物的研究,还未见直接应用于油气勘探的实例。本文首次把能直接采集到转换横波地震资料的OBS技术应用于珠江口盆地白云深水区油气勘探中。通过OBS数据采集并应用重新定位、重新定向、水陆检合并、波场分离、下行波镜像成像、转换波偏移等技术,在稀疏OBS间隔下获得了较高品质的纵波及转换横波地震数据,并通过纵、横波联合反演获得纵横波速度比用于识别储层及含气性。含气储层表现为低纵波阻抗、低纵横波速比的特征,与理论认识一致。实践表明该方法得到成功应用,并可有效推广到中国近海其他深水、超深水海洋复杂油气勘探区。

加速多镜像法对城市微小区电波传播的分析计算

基于电波传播基本原理,利用射线追踪方法、一致性绕射理论和镜像法,建立了一种新型圆柱体障碍物的城市微小区电波传播模型。采用遮挡测试、背面采集和降维处理等加速运算方法,加快了程序运行速度和镜像点的找寻,最后给出了该环境下的路径损耗。并与实验结果相比较,其采集数据和理论数据基本吻合。

海底地震数据积分法叠前时间域成像方法

海底地震(OBS)采集包括海底拖缆(OBC)和海底节点(OBN)两种观测方式。采集时激发点位于海面而接收点置于海底,建立在同一基准面假设前提下的传统地震成像方法不再适应OBS数据。本文首先推导了OBS上、下行波不同深度反射点轨迹的计算公式,用图示法直观地展示了各自共接收点道集数据的覆盖范围;然后以镜像成像理论为指导,推导了下行波积分法叠前时间偏移旅行时计算公式,同时推导了相应的上行波旅行时计算公式,并给出了上、下行波成像时间校正和均方根速度的转换公式;最后描述了OBS叠前时间偏移加权函数的计算公式。二维模型和三维实际数据应用结果表明,用下行波代替上行波成像,不仅能够显著改善浅层成像效果,且成像结果的横向范围得到明显的扩展。

洋流和潮波产生的感应电磁场对比

为定量计算洋流和潮波产生的电磁场,分别建立多层模型来描述洋流和潮波的运动。依托多层洋流模型,利用毕奥-萨伐尔定律和镜像法得到洋流产生的稳恒磁场的解析表达式;依托多层潮波模型,利用麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件得到潮波感应电磁场的解析表达式。基于所得到的解析表达式,分析海水速度、电导率等参数对洋流和潮波产生的感应电磁场的影响规律,研究频率对潮波产生的感应电磁场的影响并将其与洋流产生的结果进行对比。结果表明:海水速度的大小、速度随深度衰减的程度、电导率等参数均对洋流和潮波产生的感应电磁场有明显的影响;在各参数的合理取值范围内,速度变化对感应电磁场的影响程度更大;当潮波频率趋于0时,潮波运动产生的感应电磁场与洋流产生的电磁场趋于一致,证明了多层洋流模型与多层潮波模型在研究海洋环境背景电磁场时的正确性。

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8～12μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100mm,F数为2,光谱分辨率16nm,空间分辨率150μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明:折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。

折/衍混合红外物镜的超宽温消热差设计

为满足红外光学系统高环境适应性和高灵敏度的发展要求,采用折/衍混合结构改进红外3.2～4.2 μm波段,F/#为1.5,视场角为±2.5°的Si Ge四片式佩茨瓦尔(Petzval)物镜,实现了-60～160 ℃超宽温度范围的光学被动式消热差设计.改进系统并保持原系统光学性能参数,在空间频率20 lp/mm处,光学传递函数(MTF)保持在0.78以上,接近衍射极限,成像质量高而稳定.该系统可用于像元尺寸大于25 μm的非制冷凝视式焦平面阵列探测器.

红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪光学设计

提出了一种基于静态干涉系统的中长波红外双谱段时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS),分别对前置望远系统及后置成像系统进行了设计。根据像差理论,通过添加约束的方式计算了反射式前置望远系统的初始结构,通过光学设计软件优化,矫正了系统中倾斜分束器和补偿器带来的大数量级像散和彗差;在中波和长波双谱段范围内,前置系统的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。该光谱仪的两个后置成像系统均采用透射式结构,点列图结果显示,后置系统成像像斑均方根(RMS)值在双谱段范围均小于7.0μm。将前置望远系统和后置成像系统进行对接,最终得到了视场角为1.5°,中波通道F数为4,长波通道F数为2的整体光学系统。在双谱段范围内,整体系统的点列图RMS值小于10.7μm,MTF在探测器的特征频率17lp/mm处大于0.5,具有良好的成像效果。