基于ADS的强电磁脉冲防护模块仿真实验设计

为提升传统限幅防护模式的尖峰泄漏抑制能力,进一步确保后方受保护元件能够更加平稳、高效、安全地运行,基于多级PIN二极管限幅理论、高频分量滤波理论和延时思想设计了一套强电磁脉冲模块化防护方案。以ADS软件为仿真实验平台,从限幅效果、整体插入损耗、模块响应时间和尖峰泄漏抑制能力4个方面与传统限幅方案进行横向对比,并根据观测结果进行综合分析。仿真实验结果表明:该防护模块在幅值为4 000 V的1 ns快上升沿方波的输入条件下,在DC-700 MHz的频段范围内其整体的插入损耗低于0.306 dB,尖峰泄漏控制在62 V左右,且能够在2 ns内将输出电压降至20 V以内。

光纤供能雷电电磁脉冲测量系统的设计与试验

人工引雷试验对前端测量装置的电源稳定供应和恶劣环境下的工作可靠性要求较高.为了解决传统电池供电电场传感器持续工作能力不足以及强雷暴环境下的试验安全等问题,研制了一套基于光纤供能的雷电电磁脉冲电场测量系统.系统电源供给、信号测量和数据监控传输均通过光纤连接,采用STM32微处理器进行监控,具有电源管理、传输比在线校准和温度在线监测功能.介绍了系统的主电路设计,并对系统的功能和性能进行了试验测试.结果表明:在夏季环境温度26~40℃的情况下,通过光纤供能的光伏电池能够持续稳定工作,测量系统-3dB带宽达到33MHz;通过3组不同灵敏度天线切换,可用量程范围为0.18~117kV/m,满足人工引雷通道近区电场的测量需求.

雷电试验技术研究进展

雷电试验是了解雷电作用机理和破坏效应、验证防护技术有效性的重要途径。文章从人工引雷、实验室模拟、雷电效应测量、雷电发展过程观测四个方面综述了雷电试验技术的研究进展。重点介绍了国内外大型雷电试验设施、激光诱导雷电放电、荷电汽团模拟云内放电、邻近雷击环境、抗强电磁干扰测量、雷电辐射源高精度定位等技术发展,对雷电试验领域的一些问题进行了思考和展望。

碳纤维复合材料电导率-温度特性测量及其在预测雷击热效应中的应用

飞机的碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)蒙皮在遭受雷击时将经受急剧的温升效应,对材料电导率造成重要影响,而这一影响又反作用于焦耳热产生过程.文章通过直接加热和电加热两类实验分别测量了ZT7H/5229D碳纤维/树脂层合板在升降温过程中的电导率温度特性;开展了脉冲大电流试验,测量了模拟雷击情况下材料表面的瞬时温度.将实测的电导率温度参数应用到仿真模型中,仿真分析了脉冲注入实验的瞬时温度,结果表明:两类实验的电导率温度特性有着良好的一致性,CFRP在升降温过程中的回滞环现象、热解及基体热固性变化,会影响加温前后及升降温过程中的电导率;基于实验测量规律的仿真模型能够更准确预测雷电流注入时CFRP的温度场.

复合材料雷击效应与防护研究进展

复合材料在航空领域的广泛应用引发了对复合材料雷电效应与防护技术的高度关注。尽管对复合材料的雷击防护设计已经系统开展,但从优化设计和高效轻质新材料应用的角度来看,还有广阔的发展空间。以复合材料雷击效应分析和防护新技术为核心,在简要回顾复合材料雷击防护常规方法的基础上,综述了复合材料雷击致损过程多物理场分析、雷击过程特征参量观测、新型雷击防护材料研发等几个方面的研究进展,对复合材料雷击效应在线监测预评估新方向进行了介绍。

金属线栅笼代替空心导体圆柱对辐射波模拟器电磁特性的影响

主要关注空心导体圆柱的等效替代品-圆柱线栅笼的电磁特性,分别基于保角变换和等效电磁场理论进行了等效半径的推导,在此基础上运用电磁仿真软件CST仿真分析了金属线栅的疏密和粗细程度对测试区电场波形的上升沿、脉宽和峰值的影响,并且对比了圆柱线栅笼和空心导体圆柱两种结构的电场分布。分析结果显示,双锥笼型结构完全能够等效代替空心导体圆柱,且进一步验证了等效半径理论的正确性。

CFRP雷击致损实验研究

基于碳纤维复合材料的雷击防护需求,建立了雷击损伤效应测试系统,利用不同峰值、不同持续时间的冲击电流对不同尺寸、不同类型的CFRP试件进行了测试。对不同尺寸的未防护试件的雷击实验结果表明,雷电流峰值越高、持续时间越长,其比能也越大,对CFRP的损伤效应越显著。对粘贴有铜网的试件的测试结果表明,铜网防护层能够显著降低雷电流对CFRP结构的损伤,实现有效的雷击防护。

LMS自适应滤波对ECG双频干扰的估计与消除

在采集心电信号过程中,传感器经常受到其它用电设备带来的工频噪声干扰,以及由病人呼吸、皮肤阻抗、运放温漂等产生的0.05~2 Hz基线漂移噪声干扰,其频段范围与心电信号ST段频谱成分接近,这些对心脏疾病的判断会产生影响,如何有效地消除此类干扰显得尤为重要。通过MATLAB仿真,对带噪信号采用级联型LMS自适应滤波系统,同时滤除工频50 Hz干扰及2 Hz基线漂移。仿真结果表明,此方案不仅可以摆脱传统滤波方法的局限性,还可以有效去除双频干扰,为后期算法布署嵌入式硬件提供了新思路。

“单显”矩阵下加权Laguerre-FDTD法在柱形结构中的应用研究

为解决通信应用中时域有限差分(FDTD)算法在电磁波传播中的不足,构建“单显”矩阵下FDTD算法并应用至柱形结构。首先,结合弱条件稳定(WCS)和加权拉盖尔多项式(WLP)思想,建立新系数矩阵。其次,引入微扰项形成初值和迭代方程。最后,对z轴上的场进行特殊处理。算例证明,所提算法在电磁波传播中优于WCS-FDTD和WLP-FDTD算法,最佳提升83%的效率和88%精度,降低44%内存消耗。同时,对比传统FDTD算法,在不失精度的情况下,提升7个时间步长的效率,降低53%内存消耗。此外,在完全匹配层(PML)边界截断下,所提算法亦呈现良好的电磁波吸能性能,可不超过-60 dB。

三维柱坐标ADI-FDTD算法及其CPML实现

提出一种三维柱坐标交互隐式方向(ADI)时域有限差分算法(FDTD)及其卷积完全匹配层(CPML)的实现方案。首先,为了简化公式的冗繁和编程的需要,将传统三维柱坐标时域有限差分算法转换成矩阵表达式的形式。其次,以矩阵变换的方式提出三维柱坐标系下ADI-FDTD算法的矩阵表达式。最后,将匹配层的影响参数以辅助变量的方式添加至该算法中,从而完成本文算法的CPML实现。算例证明本文算法在时域和频域均有较好的效率和精度,并且具有良好的CPML吸收效果,其反射系数可达-63^-70 dB。

含碳纳米管薄膜表层的蜂窝夹芯壁板模拟雷击试验研究

近年来复合材料以其优异性能而被广泛应用于航空结构中,但复合材料的整体导电性较低,遭受雷击容易造成严重损伤,威胁结构安全。本文提出将碳纳米管薄膜与复合材料结构共固化形成导电表层,对雷击进行防护。为验证碳纳米管薄膜表层的防护效果,制备了碳纳米管薄膜表层防护的复合材料蜂窝夹芯壁板试验件,施加不同峰值的模拟雷击电流,使用高速摄像机记录其雷击过程,并通过目视和CT扫描对其损伤进行检测。结果表明:不同雷电流峰值情况下,雷电流峰值越大,试验件的表层损伤面积和内部分层损伤长度也越大;相同雷电流峰值情况下,含碳纳米管薄膜防护试验件的表层损伤面积和内部分层损伤长度明显减小,由此可以得知碳纳米管薄膜表层对复合材料蜂窝夹芯壁板的雷击损伤具有较好的防护效果。

融合深度学习与成像模型的水下图像增强算法

水下机器人的视觉感知功能因受到水下环境因素的影响,面临着图像质量降低的挑战,如图像颜色畸变、整体色调偏绿、偏蓝、对比度较低、细节较为模糊等。提出一种结合深度学习方法与物理成像模型的新型水下图像增强算法,通过构建包含扩张卷积和带参数激活函数的神经网络,进行背景散射光和直接传输映射的估计,并结合成像模型的数学表达进行重建运算得到增强后图像。实验结果表明,与UDCP、IBLA、GLNet等典型图像增强算法相比,该算法具有更快的运算速度,且能够消除水下环境因素带来的影响,丰富图像色彩的同时能增强各类细节,在峰值信噪比指标和结构相似度指标上取得了较大值。此外,增强后的图像在特征点匹配实验中获得了更好的匹配效果。

基于加权时域弯折的Lamb波自适应温度补偿方法

针对航空结构Lamb波损伤监测中急需解决的环境温度影响问题,本文提出了加权时域弯折(WTDW)的温度补偿方法,该方法无需先验参数或模型便可自适应补偿Lamb波信号中的温度影响,而且克服了传统动态时间弯折(DTW)容易抑制被补偿信号损伤信息的温度过补偿问题,从而更便于在Lamb波损伤监测中的实际应用。首先在DTW基本理论分析的基础上,研究了WTDW自适应温度补偿原理,然后结合线性频散信号构建频散补偿的损伤成像算法,提出了环境温度变化下基于WTDW的Lamb波高可靠性和高分辨损伤成像。最后的铝板(800 mm×650 mm×2 mm)实验结果表明,WTDW能自适应补偿环境温度从室温(23℃)分别变为-20℃~50℃的影响,且基于WTDW的Lamb波高可靠性成像的损伤定位误差≤2.8 mm。

用于星载太赫兹波被动遥感卷云参数的通道辐射特性及反演影响因素研究

太赫兹波是理论上遥感卷云微物理参数的最佳波段,但星载太赫兹波被动遥感的结果易受到非卷云因素(地表反射率、大气廓线、中低层水云等)的影响.利用辐射传输模式分别模拟计算了地表反射率、大气廓线、中低层水云对大气层顶太赫兹辐射光谱的影响,并基于多重查找表法定量分析了这些因素的变化所造成的反演误差.结果表明:地表反射率对太赫兹辐射光谱的影响主要集中在300 GHz以下,对反演所选取的波段没有影响;实际大气廓线中水汽廓线和温度廓线的改变对反演结果产生影响,当温度廓线的变化在±2 K范围以内,或水汽廓线变化±20%时,对于粒子尺度大于50μm、冰水路径大于10 g/m2的卷云,反演误差均保持在±20%以内;低云(云底高小于2 km)对所选通道的辐射没有影响,中云所产生的误差随着光学厚度和云底高度的增加而增大.

金属挡板对平行线栅有界波模拟器的影响仿真研究

利用基于有限积分法的电磁场仿真软件CST仿真和分析了金属挡板对大型平行线栅有界波模拟器内部可用测试区和外部辐射电场分布的影响。首先建立了平行线栅有界波模拟器仿真模型,并依据GJB8848证明了其合理性;而后重点分析了金属板对模拟器内部可用测试区电场分布的影响,并通过详实的数据列出了金属板位置、厚度、高度和长度等参数的具体作用效果;然后讨论了金属板对模拟器外部辐射电场的屏蔽效果;最后结合仿真结果提出金属挡板的设置应尽可能地远离模拟器,且有效反射面积越小越好,而对厚度无特别要求。

基于先导发展模型的舰艇避雷防护评估仿真

基于先导发展模型实现了海域上地闪先导2维数值放电模拟,完成了海域上地闪先导放电通道过程的图样采集。通过建立二维舰船模型,并根据相关标准对舰船模型进行避雷针的数量、高度、位置设定,对此模型进行雷电先导放电数值试验。经大量试验统计分析,舰船采用单根避雷针设计方案时,避雷针的高度较高,使得接闪概率明显增大,但在避雷针周围取得了较理想的防护效果;与单根设计方案相比,双根避雷针设计使得舰船整体结构高度降低,总的接闪次数有所减少,防护效果更佳。该评估方法可与长间隙放电试验和雷电观测互为补充,进一步完善了水面舰艇避雷系统防护评估检验技术,为舰艇的雷电防护提供理论基础。

雷电近区电场峰值及其变化率随距离的变化研究

闪电近区电场具有瞬时性和高强度的特点,在雷电防护工程设计及雷电效应测试中,往往需要根据雷电所产生的脉冲辐射强度采取相应的防护、测试措施,在雷电防护标准规范中应明确给出距离雷电通道不同距离处的电场峰值及其变化率的变化情况.文中在传输线(transmission-line,TL)模型的基础上,对雷电近区电场峰值及其变化率随距离的变化进行近似表达,并与相关文献报道的实测数据进行了对比.结果表明,近似表达式的结果与文献报道的实测数据及课题组野外实际观测数据较为吻合,可用于表征距离雷电通道1 km范围内电场峰值和电场变化率的变化,对实际防雷设计和相关的效应测试具有一定的指导意义.

基于正交传播算子的闪电宽带甚高频辐射源定位方法研究

闪电甚高频辐射源定位技术为闪电放电特征及其物理机制的研究提供了重要手段.基于空间谱估计理论,可将正交传播算子方法应用于闪电放电通道时空演变过程的成像.该方法将阵列数据协方差矩阵进行线性分解形成正交传播算子,然后以子空间的正交性构造空间谱,通过空间谱搜索实现辐射源定位.针对闪电宽带甚高频信号,采用非相干子空间处理方法将带宽内的有效频点进行平均,减小噪声干扰.利用数值仿真分析了该方法的定位性能,验证该方法定位弱辐射源的有效性,并与时间反转技术进行了对比.针对人工触发闪电过程的定位结果表明该方法可以较高的时空分辨率清晰地描绘出闪电通道的基本结构及放电通道的发展过程,并且其对双源同窗事件的定位能力优于时间反转方法.该方法对提高宽带甚高频阵列在闪电弱辐射源定位、闪电起始机制的研究中的应用价值具有重要意义.

三维柱坐标下ADI-WLP FDTD算法的CPML实现

提出一种三维柱坐标系下交变方向隐式(ADI)的加权拉盖尔时域有限差分(WLP-FDTD)算法,并利用卷积完全匹配层(CPML)实现。通过引入微扰项可将大型稀疏矩阵的CPML形式分解为6个三对角矩阵,之后结合高斯-赛德尔思想,将6个三对角矩阵划分为两部分迭代计算,可进一步提升计算效率和收敛速度。在柱坐标模型的应用算例中,数值计算结果显示该算法的CPML吸收边界对比Mur吸收边界有较好的吸收效果。

时频联合分析在闪电定位中的应用

为了揭示闪电甚高频(very high frequency, VHF)辐射源的时频特性,探索时频分析方法在闪电VHF辐射源定位中的应用,文中利用Wigner-Ville分布(Wigner-Ville distribution, WVD)对闪电宽带VHF辐射信号进行了时频分析,提出一种半二维相关(semi-two-dimensional correlation,STDC)时延算法来实现闪电VHF辐射源的定位,并通过数值模拟和人工引雷观测数据对定位算法进行了验证.时频分析结果揭示了在纳秒尺度上,先导宽带VHF辐射"倾斜状"的时频分布特征中高频辐射先于低频成分到达,典型的倾斜斜率约为-3 MHz/ns.提出的时频定位算法可以计算信号不同频率成分的时延,便于去除干扰点影响.利用本算法对一次人工引雷直窜先导进行了定位分析,通过舍去调频(frequency modulation, FM)干扰,能够清晰描绘先导VHF辐射源的发展过程,定位结果与高速摄像图像吻合,进一步丰富了短基线VHF的定位方式.