High Precision Time Domain Forward Modeling for Crosshole Electromagnetic Tomography

To improve the resolution of crosshole electromagnetic tomography, high precision of forward modeling is necessary. A pseudo-spectral time domain （PSTD） forward modeling was used to simulate electromagnetic wave propagation between two boreholes. The PSTD algorithm is based on the finite difference time domain （FDTD） method and uses the fast Fourier transform （FFT） algorithm for spatial derivatives in Maxwell＇s equations. Besides having the strongpoint of the FDTD method, the calculation precision of the PSTD algorithm is higher than that of the FDTD method under the same calculation condition. The forward modeling using the PSTD method will play an important role in enhancing the resolution of crosshole electromagnetic tomography.

Time-domain compressive dictionary of attributed scattering center model for sparse representation

Parameter estimation of the attributed scattering center(ASC) model is significant for automatic target recognition(ATR). Sparse representation based parameter estimation methods have developed rapidly. Construction of the separable dictionary is a key issue for sparse representation technology. A compressive time-domain dictionary(TD) for ASC model is presented. Two-dimensional frequency domain responses of the ASC are produced and transformed into the time domain. Then these time domain responses are cutoff and stacked into vectors. These vectored time-domain responses are amalgamated to form the TD. Compared with the traditional frequency-domain dictionary(FD), the TD is a matrix that is quite spare and can markedly reduce the data size of the dictionary. Based on the basic TD construction method, we present four extended TD construction methods, which are available for different applications. In the experiments, the performance of the TD, including the basic model and the extended models, has been firstly analyzed in comparison with the FD. Secondly, an example of parameter estimation from SAR synthetic aperture radar(SAR) measurements of a target collected in an anechoic room is exhibited. Finally, a sparse image reconstruction example is from two apart apertures. Experimental results demonstrate the effectiveness and efficiency of the proposed TD.

Contour Detection-Based Realistic Finite-Difference-Time-Domain Models for Microwave Breast Cancer Detection

In this paper, a collection of three-dimensional(3D)numerical breast models are developed based on clinical magnetic resonance images(MRIs). A hybrid contour detection method is used to create the contour, and the internal space is filled with different breast tissues, with each corresponding to a specified interval of MRI pixel intensity. The developed models anatomically describe the complex tissue structure and dielectric properties in breasts. Besides, they are compatible with finite-difference-time-domain(FDTD)grid cells. Convolutional perfect matched layer(CPML)is applied in conjunction with FDTD to simulate the open boundary outside the model. In the test phase, microwave breast cancer detection simulations are performed in four models with varying radiographic densities. Then, confocal algorithm is utilized to reconstruct the tumor images. Imaging results show that the tumor voxels can be recognized in every case, with 2 mm location error in two low density cases and 7 mm─8 mm location errors in two high density cases, demonstrating that the MRI-derived models can characterize the individual difference between patients' breasts.

Far-infrared conductivity of CuS nanoparticles measured by terahertz time-domain spectroscopy

This paper reports that terahertz time-domain spectroscopy is used to measure the optical properties of CuS nanoparticles in composite samples. The complex conductivity of pure CuS nanoparticles is extracted by applying the Bruggeman effective medium theory. The experimental data are consistent with the Drude-Smith model of conductivity in the range of 0.2 1.5 THz. The results demonstrate that carriers become localized with a backscattering behaviour in small-size nanostructures. In addition, the time constant for the carrier scattering is obtained and is only 64.3 fs due to increased electron interaction with interfaces and grain boundaries.

基于时频域分析的车载毫米波雷达干扰抑制方法

文中针对车载调频连续波雷达之间相互干扰导致虚警和漏警的问题,提出一种在时频域基于改进经验模式分解和自回归模型相结合的干扰抑制方法。该方法首先使用经验模式分解区分出拍频信号中干扰分量主导的低阶本征模态函数,将其转换到短时傅里叶变换域后通过全局阈值方法进行干扰分量定位;其次,在时频域根据定位信息将拍频信号包含干扰的数据置零;最后,使用自回归模型对拍频信号中缺失的有用信号进行估计并插值。通过仿真和实测结果显示,该方法在精确地去除干扰分量的同时可以减少有用信号的功率损失,干扰抑制后的信号与参考信号的相关系数达到0.9697。与现有干扰抑制技术相比文中方法也体现出更优的干扰抑制性能。

海上风电低频输电系统快速母线保护

海上风电低频输电系统母线故障后,换流器型电源等效电势与阻抗因控制的切换与调整过程,不再像传统电网可视为恒定。文中理论分析了母线电流差动保护适应性,明确故障控制策略对差动保护灵敏度的影响方式。利用母线区内外故障所对应的故障等效模型不同,提出基于时域全量模型识别的母线保护。该保护原理反映被保护元件自身拓扑的变化,理论上具有不受电源特性影响的优势,同样适用于其他换流器型电网。同时,所提保护在时域中实现,不存在相量提取问题,动作速度快。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型,验证了所提母线保护的可靠性和快速性。

一种基于离散时域模型的单相PWM整流器控制参数多目标优化设计方法

单相PWM整流器一般采用电压外环比例积分、电流内环比例谐振的双闭环控制方法,在实现交流侧高功率因数的同时稳定直流侧输出电压,因此受到国内外学者的广泛研究。然而,在内外环控制参数设计阶段,传统设计方法一般根据经验选取控制参数,参数选取范围较大,且无法量化评估控制参数的时域控制效果,导致参数优化整定困难。为此,该文提出一种基于离散时域模型的内外环控制参数多目标优化设计方法。首先,采用传统设计方法确定电压外环比例、积分控制参数以及电流内环比例、谐振控制参数的安全设计空间;然后,基于离散时域模型将安全设计空间正映射至控制参数的时域性能空间,实现电流内环控制参数对交流侧功率因数以及电压外环控制参数对直流侧电压超调量的量化评估。在此基础上,通过进一步约束性能目标得到性能优化设计空间,考虑内外环控制参数的耦合效应,对内外环性能优化设计空间进行重新组合,再将其映射至性能空间,得到内外环控制目标帕累托最优前沿下的最优设计空间,从中选取内外环控制参数的优化设计点,在典型工况下实验测得的交流侧功率因数为0.981 26,直流输出电压超调量绝对值为1.37%,证明了所提优化设计方法的正确性。

基于Agrawal模型的双绞线受扰机理与场线配置

电磁环境日益复杂,电磁兼容性问题涌现,各类干扰对传输线信号传输造成的影响不容忽视。基于经典场线耦合Agrawal模型,结合时域有限差分法(FDTD)对双绞线(TWP)各场线参数的电磁耦合效应进行定量计算,为减少受扰的场线配置提出指导性意见。总结了各参数对双绞线电磁耦合效应的具体影响:线长会影响端接负载处的选频特性;节距影响较小,较小的节距会减小耦合;距地高度会显著影响电磁耦合,且高度越高耦合越强;决定入射方式的入射角、方位角和极化角对电磁耦合效应均有不同程度的影响,通过电场切向分量切片图可知,对某一角的分析需要考虑到其余两角的影响。双绞线传输线的电磁耦合效应与场线参数密切相关,各参数均有不同程度的影响,借助本文模型的计算与对结果的分析,可获得有效的低受扰双绞线传输线配置。

基于双积分滑模控制的DAB电压控制研究

提出一种基于双积分滑模控制的双向有源全桥(DAB)DC-DC变换器电压控制策略,该策略在模型精度要求低、控制器设计流程简单的情况下,可以获得良好的控制效果。首先,基于单移相调制方式建立变换器的降阶模型。然后,采用双积分滑模控制理论设计变换器的输出电压控制器。设计过程通过引入时域分析法进行滑模面系数的选取分析。最后,仿真和实验结果表明了所提控制策略的有效性。

基于自适应MPC的拖拉机路径跟踪控制方法

针对传统模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)无法适应拖拉机田间作业工况复杂性的问题,提出了一种基于自适应时域MPC的路径跟踪控制算法。首先,基于拖拉机运动学建立线性时变车辆误差模型;然后,根据拖拉机实时速度和参考路径曲率,利用模糊控制算法确定当前最优预测时域和控制时域;最后,结合MPC算法控制拖拉机跟踪预先设置好的参考路径。实车试验表明:拖拉机路径跟踪横向误差绝对值均值<0.03 m,直线段横向误差绝对值<0.07m,曲线段横向误差绝对值<0.15m,且路径跟踪控制器能够保证拖拉机在5s以内准确、快速地跟踪预先设置的参考路径。

基于低对比度红外图像时空信息的气体泄漏检测

气体泄漏事故造成的危害是多方面的,如环境污染、人员财产损失、火灾爆炸。红外热成像作为可实现大范围快速成像的定性探测技术被广泛使用,相比一般红外图像,气体红外图像的对比度更低,边缘更加模糊,不易识别。针对上述问题,本文提出一种基于混合高斯背景建模的低对比度气体红外图像泄漏检测方法。首先,在预处理阶段,提出时域自适应帧间滤波算法实现红外图像的降噪和细节保持;然后,基于空域信息和梯度信息约束,提出时空混合高斯背景模型实现泄漏气体目标的前景的初步提取;最后,为更好地去除前景检测中干扰的运动目标,利用改进的快速鲁棒的模糊C均值聚类方法实现气体区域的自适应分割。实验结果表明,在5 m的泄漏距离下,该检测算法可有效提高准确率,弥补气体区域空洞问题,降低其他运动物体的干扰,气体泄漏检测准确率在92.3%~96.3%,与其他算法相比具有显著的抗干扰和区域分割能力。

大跨度桥梁非线性颤振理论与试验研究

目前,在线性颤振设防标准下,大跨桥梁的设计与建设成本巨幅增加,严重阻碍了大跨度桥梁的进一步发展,亟需研究大跨度桥梁的非线性颤振特性并构建相关非线性颤振分析理论,为后颤振设防标准的构建提供理论依据。该研究发展了基于自由振动风洞试验识别幅变颤振导数的方法,建立了多/全模态耦合三维非线性颤振频域快速分析方法和能够考虑气动与结构双重非线性效应的三维时域分析方法,拓展了桥梁断面节段模型大振幅非线性颤振研究的风洞试验技术。基于发展的非线性颤振分析方法,以国内某四主缆双层桁架主梁断面悬索桥为背景,研究了该桥主梁断面的非线性颤振特性,量化了竖向自由度对该断面非线性颤振的影响,探究了多模态耦合效应对该桥非线性颤振的影响规律,发现了几何非线性效应诱发的超谐共振行为,并据此揭示了几何非线性效应对该桥非线性颤振的影响机制。该文方便读者对非线性颤振理论与分析方法有比较全面的了解,研究可为今后建立大跨桥梁的韧性抗风设计标准提供理论支撑和技术保障。

低参数条件下并联多通道间汽-水两相流密度波不稳定性分析

建立了适用于并联任意多通道间汽液两相流密度波不稳定性分析的时域法计算模型,将并联通道内流动区域划分为一系列网格,建立质量、动量、能量守恒离散方程,考虑沿程两相工质物性变化。参考深度调峰低负荷条件下锅炉水冷壁相关参数,对低压力(p=8~10 MPa)、低质量流速(G=300~500 kg/(m^(2)·s))下并联多通道间密度波脉动特性开展计算分析。采用先增大后减小的线性分布规律近似模拟水冷壁管道壁面的轴向热流密度分布。结果表明:随着系统压力、入口工质质量流量的降低,系统稳定性逐渐降低;随着轴向热流密度分布不均匀度的增大,系统密度波脉动趋于发散,系统临界热负荷逐渐降低,系统趋于不稳定;系统临界热负荷随轴向热流密度分布不均匀度的变化趋势是非线性的。

考虑磨损故障的双渐开线齿轮传动系统动态特性研究

针对目前双渐开线齿轮(DIG)研究过程中齿廓磨损对双渐开线齿轮动态特性的影响问题,对考虑磨损故障的双渐开线齿轮传动系统动态特性进行了研究。首先,进行了双渐开线齿轮接触线长度与齿面载荷计算,考虑相对滑移距离,建立了等效接触模型;然后,进行了双渐开线齿轮齿面累积磨损量、齿轮齿面累积磨损深度的计算,建立了双渐开线齿轮啮合刚度计算模型,进行了磨损故障的双渐开线齿轮刚度的计算;最后,以一对双渐开线齿轮为研究对象,采用集中质量法建立了6自由度动力学模型,研究了齿面磨损对双渐开线齿轮动力学特性的影响。研究结果表明:在运行1×104次载荷循环后,混合弹流润滑状态下,双渐开线齿轮与普通渐开线齿轮(CIG)在节线附近齿根位置的最大累计磨损量差值为0.00207μm,且双渐开线齿轮节线靠近齿顶位置的磨损小于普通渐开线齿轮的磨损;双渐开线齿轮系统在磨损后振动加速度幅值小于普通渐开线斜齿轮的幅值。通过对不同磨损情况下的时域响应进行研究,发现磨损导致双渐开线齿轮传动系统的振动幅值增大。

基于通用化等效模型的飞机系统辨识算法

针对舰载机等复杂动力学系统的高阶时滞模型拟配难题,提出了一种基于通用化等效模型的系统频域辨识算法。建立系统辨识通用化等效模型,引入自适应学习率梯度下降法对模型进行基于样本的迭代学习训练,使模型的频域参数自动收敛,辨识得到复杂系统的高阶时滞模型。以舰载机横航向荷兰滚等效拟配模型进行验证,与传统算法对比,并分析了系统的频域与时域响应,结果表明:所提算法具有较好的辨识效果,解决了高阶时滞模型的直接拟配难题,并通用于广泛的高阶时滞模型拟配。

基于时域二端口模型的综合能源系统气网动态仿真算法

为实现能源多梯度利用并减少环境污染,气-电耦合的综合能源系统(integrated energy system,IES)逐渐占据全球能源结构的重要部分。为明晰系统运行特性并充分挖掘能源子网调度潜力,综合能源系统动态仿真研究逐渐深入。天然气网中,管道传输过程深刻影响着其动态过程。然而现有管道传输过程时域仿真算法存在着精度与效率的两难。为解决上述问题,提出一种基于时域二端口模型的综合能源系统气网动态仿真算法。首先基于特征线法,构建气网源荷节点关系矩阵,进一步给出时域二端口模型;随后参考特征线法数值格式,构建状态量空间分布矩阵,用于获取气网状态量分布,并提出基于时域二端口模型和分布矩阵的气网动态仿真算法。算例结果表明,所提出的方法具有高效率和高精度两大优势,适合于气-电耦合的综合能源系统的较长时间仿真。

地震动过程的时域降维建模

地震动建模是工程结构随机地震反应和动力可靠度分析的基础。为此,提出了一类新的地震动过程的时域降维模型,并建议了模型中确定性参数的取值及随机参数的概率分布。首先,从平稳过程时域表达的基本理论出发,导出了平稳和非平稳地震动过程的时域表达形式,通过引入随机函数的降维思想,实现了地震动过程的时域降维表达。同时,基于实测强震记录,给出了地震动时域降维模型的参数识别方法,进而获得模型中基本参数的确定性取值或概率分布。最后,通过地震动过程的降维模拟分析,并与实测强震记录的反应谱和傅里叶幅值谱对比分析。结果表明,地震动过程的时域降维模型具有良好的精度、收敛性和工程适用性,生成的代表性地震动时程能够反映地震动的自然变异性。

复杂地质条件下浅海区电性源瞬变电磁法三维响应特征

与频域电磁法相比,瞬变电磁法可有效区分空气波和海底电磁响应,在浅海油气藏探测中具有良好的应用前景。近海海域地质条件一般较为复杂,普遍具有强切割地形及复杂构造,使电磁场响应特征变得异常复杂,给数据解释工作带来极大困难。本文基于时域有限元法,采用非结构化网格对复杂地质模型进行剖分,通过构建时域有限元方程并结合偶极子离散的长导线源近似技术以及后退欧拉离散技术,实现了复杂地质条件下浅海区电性源瞬变电磁三维正演模拟。在验证算法精度后,通过复杂地质模型的三维正演,分析了不同海水深度对空气波与海底油气藏目标体的影响,在此基础上,进一步分析了不同围岩电阻率以及海底地形对油气藏目标体分辨率的影响,结果表明:在浅海条件下,脉冲响应受空气波影响较大,阶跃响应受空气波影响较小,随着深度增大空气波影响变小,对油气藏的分辨率也降低;围岩电阻率及海底复杂地形对电性源瞬变电磁影响严重。

外圆磨削非线性动力学模型与实验验证

磨削颤振是磨削过程中砂轮与工件之间产生的强烈振动,它的存在降低了被加工工件的表面质量,加速了砂轮磨损,因此研究磨削系统的稳定性是解决颤振现象发生的关键。首先依据外圆磨削动力学宏观结构建立非线性动力学微观模型,并推导出非线性动力学方程,利用Faddeev算法,对非线性动力学方程进行线性化处理计算出系统特征值,并进行稳定性预测,得出影响磨削稳定性的因素;然后以进给速度和砂轮长度为例使用Matlab绘制出各因素不同取值时的稳定区域图,并研究各参数在状态变化转折点所对应的时域响应图和特征值位置图,发现进给速度从10 mm/min提高到12 mm/min时磨削过程从不稳定转变为稳定状态,砂轮长度从12 mm增大到14 mm时磨削过程从稳定转变为不稳定状态;对稳定图、时域响应图和特征值位置图三者进行对比,发现得到的结论一致,证明模型的正确性。

太赫兹时域光谱法测定水中重金属离子

采用太赫兹时域光谱法采集溶液时域数据,经过去噪和时域分析,汞、镉、铜离子溶液分别在频率为1.7 THz、0.7 THz、1.2 THz位置上建立线性模型,得到拟合效果最佳的决定系数,分别为0.969、0.896、0.932。该方法检出限为0.001 mg/L~0.002 mg/L,空白加标样6次测定结果的RSD为2.0%,加标回收率为94.0%~102%。将该方法用于测定某污水处理厂两个进口的实际水样,结果汞离子未检出。