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[硕士论文] 章红
测绘科学与技术 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:大气层按照热状态可以划分为对流层、平流层、中间层和热层。在距离地面高度60km以下的大气层部分会对电磁波的传播产生影响,这部分大气可以分为对流层和平流层两部分,而产生延迟的80%都发生在对流层,故电磁波在该层大气中传播所引起的误差称为对流层延迟误差。对流层延迟可以分为干延迟和湿延迟两部分。影响对流层延迟的参数有很多,其中包括测站的气象参数和地理位置等。测站的地理位置和高程与对流层的相关性较大,能否仅仅根据测站的地理位置和高程拟合区域对流层延迟模型,使其知道区域内测站的坐标就能知道该测站的对流层延迟量。目前用于计算对流层延迟的模型,大都是基于全球平均大气情况下建立的。在区域内进行高精度的基线解算和定位时,其精度很难满足需要,但是随着中国区域CORS网的建成和使用,在建立精确的区域对流层延迟模型方面获得了一些成果。由于对流层延迟不仅仅与测站的地理位置和高程有关,还与测站的气象参数有关,所以利用测站的地理位置和高程信息来建立对流层拟合模型时,模型中不可避免地含有误差。因此,消除误差对于提高对流层拟合模型精度就显得格外重要。
  在1977年,Stone提出了半参数这个重要的统计模型。半参数模型加入了非参数分量,为估计误差提供了一个新的思路;半参数模型含有参数分量和非参数分量,能够同时具有非参数和参数模型的优点。因此本次研究采用的软件是高精度GNSS数据处理软件GAMIT,数据是来源于香港卫星定位参考网中的测站。利用GAMIT软件解算出香港CORS网中测站的对流层延迟量,结合香港地政总署测绘处提供的测站坐标,建立香港地区对流层拟合模型。并将不同拟合模型得到的对流层延迟值与GAMIT软件解算得到的对流层延迟值进行对比,选取最适合香港地区的对流层拟合模型。并将半参数模型应用到选取的香港地区对流层拟合模型中。主要研究内容如下:
  (1)介绍了常用的对流层延迟拟合模型,并运用最小二乘和整体最小二乘两种拟合方法对香港地区进行拟合,通过对比选取适合香港地区的对流层拟合模型。结果表明:在香港地区分别对不同的拟合模型运用最小二乘和整体最小二乘进行拟合,整体最小二乘比最小二乘拟合的精度高。经过对比选取最适合香港地区的对流层拟合模型为含一个高程因子的四参数曲面拟合模型(H1QM4)。
  (2)通过香港CORS网的观测数据、测站的地理位置和高程信息来建立的区域对流层延迟拟合模型不可避免地含有误差,导致建立的模型精度往往不高,因此需要进行误差的消除。本文选取消除误差的方法为半参数模型,故研究了半参数模型的有关理论和方法,讨论了半参数补偿最小二乘估计解的特点,详细地介绍了正则矩阵和平滑因子的确定方法。
  (3)本文运用半参数模型对香港地区选取的含一个高程因子的四参数曲面拟合模型(H1QM4)进行误差的消除,并通过MATLAB软件进行实验。对比不同的确定平滑因子和正则矩阵方法,以便选取半参数模型中最适合的平滑因子和正则矩阵来消除对流层拟合模型中的误差。将运用半参数消除误差的H1QM4模型、最小二乘拟合的H1QM4模型和整体最小二乘拟合的H1QM4模型得到的对流层延迟值与GAMIT软件解算得到对流层延迟值进行对比。由流动站计算的中误差均值可知:整体最小二乘较最小二乘拟合模型精度提高了约1mm。半参数H1QM4模型较最小二乘拟合精度提高了约2mm。
[硕士论文] 杨少飞
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着航天航空技术的跨越式发展,高超声速飞行器的速度不断提高,可以达到十几甚至几十马赫,此时飞行器与周围空气剧烈摩擦,气体温度及压强急剧升高,进而发生局部电离,最终形成一层包覆飞行器的高超声速绕流流场。绕流流场具有等离子体特征,因而又被称为等离子体鞘套。等离子体鞘套严重影响光/电磁波的传输特性,其主要表现为激波、边界层以及鞘套内部湍流结构对光/电磁波的衰减、折射以及散射等,这将对飞行器的天地无线通讯系统造成恶劣影响。本论文针对等离子体鞘套湍流结构造成的光/电磁波随机起伏问题,从等离子体鞘套湍流基本理论,等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性,等离子体鞘套湍流相位屏模拟以及等离子体鞘套湍流对光通信性能的影响四个方面开展等离子体鞘套湍流中光/电磁波的传输特性研究。论文主要工作包括:
  1.等离子体鞘套湍流的基本概念、基本参数以及研究方法。等离子体鞘套湍流是一种典型的随机介质,光/电磁波传输过程中振幅和相位随机起伏,只能借助经典的随机介质波传播理论开展相关研究。本文在高超声速湍流分形度量实验结果的基础上,结合经典湍流功率谱模型,推导等离子体鞘套湍流的标度因子和频谱指数,建立了等离子体鞘套湍流功率谱。结果表明:等离子体鞘套湍流折射率起伏功率谱满足4/5标度律,且三维频谱指数为19/5。
  2.基于随机介质中高斯波束的传输理论,利用等离子体鞘套湍流功率谱,推导等离子体鞘套湍流中高斯波束的二阶矩,并据此计算等离子体鞘套湍流中高斯波束的平均强度、波束展宽以及到达角起伏和波束漂移,分析等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性。结果表明:折射率起伏方差越大,等离子体鞘套湍流对波场特性的影响越剧烈;等离子体鞘套湍流的外尺度越大,对波场特性的影响越弱。
  3.基于带限分形函数和等离子体鞘套湍流功率谱模型,建立等离子体鞘套湍流分形相位屏模型,分析等离子体鞘套湍流结构参数对电磁波衍射强度分布的影响。最后依据距离-多普勒成像算法,仿真分析了等离子体鞘套湍流对高超声速飞行器机载合成孔径雷达成像的影响。结果表明:等离子体鞘套湍流造成的回波相位失真,引起成像结果分辨率明显降低,目标无法完全聚焦。
  4.为了提高高超声速飞行器通信链路性能,将飞行器通信频率提高到光波段,介绍自由空间光通信系统基本理论和副载波强度技术,推导等离子体鞘套湍流中光波的闪烁指数,并在此基础上对等离子体鞘套湍流影响下的自由空间光通信系统误码率进行仿真计算。结果表明:随着折射率起伏方差的增大,误码率增大;随着外尺度的增加,误码率下降。
[硕士论文] 孔鹏飞
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:当使用大功率高频无线电波对电离层进行加热时,在反射高度附近会激发朗缪尔湍流,改变离子和电子的分布特征,并对非相干散射雷达探测的后向散射功率谱强度产生很大影响,使得利用平衡态等离子体的非相干散射理论反演扰动电离层参量存在严重误差。本文基于电离层加热基本理论,对加热中反射高度附近出现的异常非相干散射谱,尤其针对带有零频峰的三峰结构异常谱进行了研究,分析了产生异常谱的物理机理,数值模拟了加热激励的朗缪尔湍流,并通过改进的反演方法对扰动电离层参量进行反演。论文的主要工作如下:
  1、基于2010年9月6日我国在Troms(o)附近开展的电离层加热实验,使用GUISDAP和RTG两种非相干散射雷达数据处理软件对实验中反射高度附近出现的异常非相干散射谱进行了提取和分析。重点对带有零频峰的三峰结构异常非相干散射谱进行了分析,统计并考察了其在加热中发生的时间规律以及时空演化特征。结果表明,这种带有零频峰的三峰异常谱由激发的振荡双流不稳定性产生,一般出现在加热的开启阶段,并且一般只能维持一到两个时间点。但由于等离子体与加热波之间相互作用的持续,三峰谱在加热开启后的某些时间点仍会出现。此外,三峰谱只能覆盖很窄的高度范围,大概几千米甚至更少。
  2、使用国际参考电离层IRI-2012和MSIS-E-90大气模型获取反射高度附近的电离层参量,对Arecibo、Troms(o)和HAARP三个地区不同时间不同加热频率下激发不稳定性的电场阈值进行了计算。结果表明,在反射高度附近,参量衰变不稳定性(PDI)的激发阈值要比振荡双流不稳定性(OTSI)的激发阈值小很多,并且激发阈值会随加热频率的升高而升高。在此基础上,验证了2010年9月6日的加热实验中激发了参量衰变不稳定性和振荡双流不稳定性。
  3、基于Zakharov模型,选取高纬地区的Troms?和低纬地区的Arecibo作为模拟加热地点,对电离层加热中的朗缪尔湍流进行了数值模拟。仿真得到的波数谱能很好地反映朗缪尔波和离子声波之间的耦合关系,且驱动电场幅度越大,朗缪尔湍流越快达到饱和,功率谱的级联结构越不明显。通过Zakharov模型的仿真结果计算等效的非相干散射谱,在反射高度附近获取了明显的不对称双峰谱、级联谱以及带有零频峰的谱。
  4、基于带有零频峰三峰结构的异常谱,在传统非相干散射雷达的反演及误差分析方法基础上,提出一种改进的多参数反演方法。通过将位于零频的 PGM峰去除,并利用经验的加热电子速率分布——超高斯分布和Bump-on-tail分布进行反演,反演结果在合理范围之内,验证了改进反演方法的可行性,同时说明标准GUISDAP分析程序对VHF雷达数据的反演误差很大。此外,反演结果表明PGM的存在会致使对电子温度的低估。
[硕士论文] 魏姣
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:电磁态势评估对军民用通信、电子对抗、干扰源定位侦查等领域具有重要的研究价值,准确、高效、实用的电磁态势评估技术对上述领域的发展意义重大。
  目前,各种经验、半经验信道模型只能用于估计某种链路环境下的链路余量,不能用于电磁态势“精准”评估预测,以射线追踪法为主的精确性模型可以对场强进行精确计算,但其繁重的计算量以及对全路径地物分布数据库的需求都约束了此类方法的实际应用,满足不了复杂环境中场强预测的工程应用需求。
  本文提出一种准确、高效、工程实用的电磁态势评估方法,可实现无GIS帮助下电磁态势的“精准”评估,本文的主要研究内容如下:
  从电波传播角度对静态地形、地物的形态进行分类,对地物边界进行几何等效。分析了电磁态势评估对地物几何特性参数的需求,并对所需地物边界的几何特性参数进行了研究和总结,为场强的精确计算奠定了几何基础。
  通过对地形地物反射特性随介电参数的变化情况进行仿真分析,得出在电磁态势评估中实地测量获取地形地物电磁特性参数的必要性,基于此本文提出利用工程可操作性较强、较可靠的“垂直透射法”来测量与反演地物电磁特性参数,进而确定实际电波传播环境中地物边界的反、绕射系数,为场强的精确计算奠定基础。
  针对复杂地物环境提出一种实用电磁态势评估新方法,并基于电波传播场强计算理论,推导出此方法的数学模型。在多径确定方面,将场点周围可视区波束交叉空间内的地物划定为对场点场强有贡献的有效地物,利用激光测距获取地物特征点并对有效地物边界建模,在此基础上,根据射线追踪理论在有效地物边界上寻找有效多径来波;在场强计算方面,对预测区域划分可视区后,进一步将可视区划分为若干个直达波一致区,在借助一定测量手段获得各直达波一致区基准场并根据射线追踪法确定有效多径的基础上,利用测得的基准场推演计算某场点直达波与多径来波,根据数学模型计算所有来波信号在场点的叠加总场,综合各可视区场点场强预测结果得到预测区域的电磁态势分布。
  基于上述电磁态势评估方法,针对实际山地与建筑区场景进行电磁态势预测,通过将实测与预测结果的对比分析,验证了本文提出的电磁态势评估方法的准确性,该方法在实施过程中的高效性和简便性使其在电磁态势评估中具有较高的工程实用性。
  本文提出的电磁态势评估方法易于推广和实施,具有较高的预测效率与精确度,对于实际工程中电磁态势评估有很大的参考价值,对于电磁环境监测、未来5G移动通信系统网络规划与优化、电磁干扰源追踪定位等应用具有重要意义。
[硕士论文] 汪洁
信息与通信工程 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着微波毫米波技术的发展和应用,低频段的频率利用率越来越高,频率复用程度也越来越严重,低频段频率资源越发紧张。因而,科研人员开始关注更高频率电磁波的应用和研究,其代表是太赫兹波段电磁波(THz波)[1-5]。然而,在太赫兹以及更高频率电磁波应用中,电磁波在大气中传输特性是电磁波频段选择和设备参数分配的重要理论和应用依据。因此,开展太赫兹波大气传输衰减特性研究具有较高的理论和应用价值。本文主要研究了氧气、水蒸气、雾、沙尘对太赫兹波的传输特性的影响,主要内容和结果如下:
  基于MPM93模型,研究大气氧气、水蒸气分子的连续吸收和谱吸收特性,分析了水平、倾斜、垂直路径的两点之间的太赫兹波的衰减。结果表明:大气中水蒸气对于太赫兹波的衰减作用远大于氧气;由于底层大气的气密度较大,在不同传输路径上底层大气对太赫兹波传输衰减作用大于中高层大气的衰减作用。
  研究分析复杂气象条件下的雾、沙尘对太赫兹波的吸收情况。得到了雾的能见度与太赫兹波的传输衰减关系。分析了不同种类沙尘在400GHz以下的太赫兹波传输衰减。
  基于MATLAB软件平台,研发了面向用户的可视化太赫兹波传输衰减计算软件。设计了可模拟不同湿度和云雾气象条件的实验系统,进行了90-106GHz传输衰减实验。结果表明在94GHz窗口内的衰减较小,符合理论计算结果。
[硕士论文] 屈江锋
电磁场与微波技术 西安理工大学 2017(学位年度)
摘要:时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain Method,FDTD)方法是处理等离子体中电磁波传播问题的一种重要手段,其数值色散误差和稳定性是不可回避的问题。近年来随着FDTD计算方法的发展,电流密度卷积FDTD(JE Convolution FDTD,JEC-FDTD)方法在等离子体研究中得到了广泛的应用。然而,已有文献仅对非磁化等离子体中一维JEC-FDTD方法的数值色散作了分析。本文在此基础上,深入研究了等离子体中JEC-FDTD方法的数值色散特性和稳定性。具体研究内容包括:
  首先,介绍了JEC-FDTD方法的鉴本理论,包括传统的FDTD算法及Courant稳定条件、JEC-FDTD方法的迭代方程以及完全匹配层的相关理论,并对算法进行了仿真实现;其次从一维非磁化等离子体JEC-FDTD方法的数值色散分析入手,深入研究了二维和三维情况下算法的数值色散特性,并以一维非磁化等离子体JEC-FDTD方法为例,分析了其在不同等离子体碰撞频率和不同等离子体角频率时的稳定性;最后进一步研究了一维磁化等离子体中JEC-FDTD方法的数值色散特性和稳定性,分析了磁化等离子体参数对数值色散特性和稳定性的影响。
  通过对非磁化等离子体和磁化等离子体中JEC-FDTD方法的数值色散特性和稳定性分析,可以得到在保证算法稳定时等离子体参数的取值范围及其数值色散误差。此研究结果对JEC-FDTD方法在等离子体中的应用具有非常重要的指导意义。此外,本文的研究思想可推广到其他色散介质的FDTD方法中。
[硕士论文] 张宗堂
无线电物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着大数据时代的到来以及物联网的快速发展,人们对无线通信的速率需求迅猛提升。为了提升无线通信的速率,在过去几十年里,极化复用、正交频分复用等复用技术被提出并日趋成熟,如何进一步提升频谱利用率是人们目前迫切希望解决的问题。而基于轨道角动量复用的涡旋电磁波可以提高频谱利用率,增加信道容量,因此成为电磁领域和通信领域的一个研究热点。本论文以基于轨道角动量的涡旋电磁波为研究背景,主要对涡旋电磁波通信系统以及基于轨道角动量模式复用的涡旋电磁波天线进行了研究。本论文主要内容包括:
  首先,介绍了涡旋电磁波的研究背景、意义以及国内外研究现状,系统回顾了涡旋电磁波的发展过程,并且总结了本论文的主要工作、内容安排以及主要创新点。
  其次,对轨道角动量和涡旋电磁波的基础理论进行了归纳和总结,给出了其详细推导过程,重点解释了其物理意义。在这些工作的基础上,详细介绍了涡旋电磁波无线通信系统的各个组成部分,包括:涡旋电磁波的产生、传播以及接收解调。重点描述了涡旋电磁波的产生以及接收解调方法,并且对当前涡旋电磁波产生、传播以及接收解调中遇到的问题进行了分析。
  再次,从单模圆极化圆形贴片出发,本文提出了基于多种轨道角动量模式复用的多模圆极化涡旋电磁波贴片天线。该天线包括三个贴片:一个中心圆形贴片用来产生圆极化TM11模,两个短路环形贴片分别用来产生圆极化TM21模和TM31模。详细地对该天线进行了理论分析,给出了圆极化贴片天线电场数学表达式,并得出结论:对于TMnm模式的圆极化贴片天线,其可以产生n?1阶轨道角动量模式的涡旋电磁波,因此整个多模圆极化贴片天线可以同时产生三种轨道角动量模式,同时通过改变天线的极化状态还可以改变轨道角动量的模式。给出了所设计的多模圆极化涡旋电磁波天线的仿真以及实验结果,进一步验证了该天线的原理。
  然后,创新性地将全息人工阻抗表面用于涡旋电磁波的产生,本文设计了基于全息人工张量阻抗调制表面的全息涡旋电磁波天线,这是全息人工阻抗表面第一次用来控制轨道角动量。系统地介绍了微波全息以及全息人工阻抗表面的基本原理,给出了全息人工阻抗表面的设计流程,包括标量以及张量等效表面阻抗的提取、标量以及张量全息阻抗调制的过程等。同时,以携带l=1轨道角动量模式的涡旋电磁波的全息涡旋电磁波天线为例,详细给出了其设计流程以及仿真结果,分析其仿真结果可以得出结论:全息人工张量阻抗表面能够用来控制轨道角动量。
  最后,归纳总结了全文工作,并对下一步将要继续的研究工作进行了展望。
[硕士论文] 张志斌
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:分层粗糙面电磁(光)散射研究在很多方面有重要的意义,相较于单层粗糙面的散射,研究重点与难点体现在分层粗糙面间的相互耦合作用。本文针对分层粗糙面的电磁散射展开研究,论文的主要贡献如下:
  1、首先在物理光学的基础上,阐释了迭代物理光学方法在分层粗糙面中的迭代过程,并推导了用于计算一维分层粗糙面电磁散射的相关公式。将迭代物理光学方法应用于一维高斯分层粗糙面的电磁散射建模研究中,分别计算分析了粗糙面的粗糙度,粗糙面间的平均间距以及各层区域的介电常数变化对双站雷达散射系数的影响。同时,通过与矩量法仿真结果比较讨论了迭代物理光学方法在油膜覆盖海面散射建模中的适用性。
  2、接着将一维分层粗糙面中迭代物理光学方法推广到二维分层问题中,比照一维中的迭代物理光学方法,给出了二维粗糙面的核心计算式。并且分别将分层粗糙面模型退化为两层平滑分界面模型、上层粗糙与下层平滑模型,以及上下层均为粗糙界面的模型,计算分析了各参数对其散射结果的影响。
  3、由于迭代物理光学方法计算复杂度较高,对于计算效率带来了严重的阻滞。对于频率比较高的情况,计算效率无法满足基本要求。由于科研期间参与的项目涉及到太赫兹频段分层粗糙面的散射建模,考虑到迭代物理光学方法的计算效率受限,故本文最后针对太赫兹频段下分层粗糙面散射建模采用了修正反射系数的方法。针对有耗介质情形,讨论了复数折射角的相关问题,利用该方法计算分析了在太赫兹频段的各类特征量对雷达散射系数的影响。
[博士论文] 柯少林
光学 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:表面等离激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是在金属和电介质交界面上传播的电磁波。因其能够突破衍射极限和实现局域场增强,所以得到了广泛的研究,是实现集成光子器件小型化的重要解决方案。以贵金属如金银为载体的表面等离激元,只能工作在可见光和近红外波段,并且结构加工完成之后难以调节。在寻求新的能够支持表面等离激元材料的过程中,人们发现在红外到太赫兹波段,石墨烯都能够支持表面等离激元。相比于金属,石墨烯表面等离激元具有更强的模场局域性,可以将光束缚在深亚波长;高质量的石墨烯具有更小的材料损耗,并且石墨烯的表面电导率可以通过电学或者化学掺杂的方法进行调节。
  在亚波长尺度对结构折射率进行排布,是调控表面等离激元及其传播的重要途径。在以往的结构的设计中,主要集中于对折射率的实部进行调制,忽略了材料折射率的虚部,即损耗和增益。当材料具有损耗或者增益时,系统的能量不再守恒,为非厄米系统。在非厄米系统的研究中,人们同时对折射率的实部和虚部进行调控,发现了很多新奇的光学现象,为表面等离激元器件的设计提供了新思路。由于电子在运动过程中会受到晶格的散射,石墨烯具有材料损耗;通过光学泵浦等方法可以实现粒子数反转进而实现石墨烯的材料增益。因此,研究损耗和增益对石墨烯表面等离激元的影响具有重要的意义。本文的研究内容包括以下四个方面:
  (1)提出了利用十字形石墨烯周期阵列实现对远红外和太赫兹波增强吸收的方案。周期阵列和入射光可以产生表面等离激元共振,能形成很强的局域电磁场,进而增强石墨烯的吸收率。研究表明,当十字形臂宽增大时,即使石墨烯占有率低,石墨烯阵列的吸收率也可以远远超过单层连续的石墨烯。吸收会随着石墨烯化学势和电子动量弛豫时间的增大进一步地提高。互补结构的吸收率比原结构更大。此外,增加石墨烯阵列的层数也可以显著地增加吸收,利用双层结构还可以实现双带和宽带吸收。
  (2)基于绝热通道(adiabatic passage),研究了间距缓变的三层石墨烯波导中表面等离激元的耦合,并重点分析了非厄米的影响。当不考虑石墨烯损耗时,表面等离激元的传播遵循绝热定理,能量可以从初始波导完全转移到目标波导中,并且能保持整个过程中中间层石墨烯不被激发。而考虑石墨烯的损耗时,会导致绝热定理破缺,能量不能稳定地转移。通过在初始波导和目标波导中引入一定大小的损耗或者增益,提出了三种可以抵消非绝热过程的方法,实现了能量在边界波导的高效转移并且能够缩短绝热通道所需要的传播距离。
  (3)提出了利用非厄米系统中的奇异点(exceptional points,EPs)实现双层石墨烯波导中模式转换的新方法。双层石墨烯波导中存在两个表面等离激元模式。通过调节两层波导之间的距离和石墨烯化学势,可以使两个模式的传播常数的实部和虚部同时相等,形成EP。当间距和化学势缓慢变化并且在参数空间形成包含奇异点的闭合路径时,可以观察到几何相位。进一步地,研究了表面等离激元在调制波导中的传播,波导间距和化学势在传播方向变化。当参数变化等效于在参数空间形成包含EP的闭合路径时,可以实现具有手征特性的表面等离激元模式转换:顺时针和逆时针变化的闭合路径会导致不同的输出模式。这种模式转换的方法可以抗波导参数的扰动。
  (4)研究了具有损耗和增益的双周期石墨烯波导阵列中的表面等离激元的拓扑边界模式。周期性石墨烯波导阵列在参数空间中存在两个时空对称(Parity-Time symmetry,PT symmetry)区域,这两个区域被EP分隔开。在两个PT对称区域,阵列具有不同的拓扑不变量。拓扑边界态出现在具有不同拓扑的两个波导阵列的分界面。而当PT对称被打破时,拓扑边界态会消失。由于P T对称破缺范围可以通过化学势调节,因此拓扑边界态也可以通过化学势控制。当结构支持拓扑边界态时,光束可以稳定地在界面传播;而不存在边界态时,表面等离激元传播过程中会发生离散衍射。拓扑边界态也可以存在于没有增益只有损耗的石墨烯波导阵列中。该结果有望实现能够抗环境扰动的光束传播,并应用于纳米尺度下的光开关中。
[硕士论文] 贺志芳
无线电物理 南昌大学 2017(学位年度)
摘要:在计算电磁学中,时域有限差分法(FDTD)是最常用的计算方法,由于等离子体介质的色散特性会影响FDTD的数值稳定及数值精度,近年来,出现的辛时域有限差分法(SFDTD)可以很好的解决这个问题。
  本文主要基于辛积分算子分解方式构造适用于色散等离子体介质SFDTD算法,推导了SFDTD方法在色散等离子体介质中详细的迭代公式及其数值稳定性条件与数值色散关系和数值耗散,并利用SFDTD算法模拟仿真电磁波在色散等离子体媒质中的传播特性。模拟电磁波穿过等离子板时的反射系数以及透射系数,数值结果验证SFDTD算法的有效性以及高效性。且给出了与其他各类FDTD算法的对比,例如龙格-库塔时域有限差分(RKETD-FDTD)方法与SFDTD的对比,数值算例结果证明SFDTD相对于其他算法具有更高的精度,SFDTD算法不仅能有效提高计算效率而且占用更小的内存,具有广泛的实用性。此外,将SFDTD应用于实际应用当中,例如计算了磁化等离子体覆盖金属导体球的水平极化(HH)和垂直极化(VV)双站雷达散射截面(RCS)。
[硕士论文] 王志军
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:高超声速飞行器或再入航天器在临近空间飞行时,在飞行器外会形成等离子体鞘套,等离子体鞘套一方面会阻碍飞行器与地面的通信,即黑障问题,另一方面也会影响雷达对飞行器的探测,因此分析电磁波与等离子体鞘套之间的相互作用已经成为一大重要而紧迫的研究课题。电磁波与等离子体的相互作用非常复杂,且参数众多,整个过程会产生多种非线性效应,所以非线性效应的研究也是至关重要的。本文针对鞘套形成机理、流场仿真模拟、非线性效应对电磁波在等离子体鞘套中的传输和散射的影响等问题从四个方面展开研究。
  1.鞘套形成机理及流场仿真模拟。首先概述鞘套形成机理及仿真模型,推导其介电参数,建立高超声速飞行器的几何模型,完成对飞行器周围空间的网格剖分,通过分析等离子体鞘套的形成要素,合理设置满足高超声速流场的条件,求解流场控制方程组,得到飞行器周围鞘套流场分布,并进一步给出等离子体鞘套电子密度分布,为后续研究电磁波与等离子体鞘套的相互作用提供数据基础。计算结果与RAM-C的钝头锥对比后,量级几乎一致,同时结果表明,飞行器上部电子密度的量级比下部要高2个数量级以上,但鞘套厚度较薄,而下部的电子密度分布较为平缓。
  2.等离子鞘套中的非线性效应。基于热致非线性效应原理,推导热致非线性效应影响下的碰撞频率、非线性衰减常数以及介电常数,仿真比较线性与非线性衰减常数随频率的变化,并分析了碰撞频率与介电常数扰动随电场强度与频率的变化规律。结果表明,当入射波电场强度与等离子体特征场相比较大时,热致非线性效应不可忽略。通过对电极化强度项进行非线性推广,推导得到非线性衰减常数,仿真不同碰撞频率和电子密度下非线性衰减常数随频率的变化,并把结果与线性衰减常数作比较。结果表明,考虑非线性时衰减常数有所减小。
  3.基于三波互作用的非线性效应开展突破黑障的探索研究。根据电磁波在等离子体鞘套中的Ginzburg方程,数值求解得到了三种电磁波的磁场分布,仿真分析了该方法的可行性;比较了不同电子密度分布和信号频率下三波的磁场分布,分析不同参数对三波非线性作用的影响;依据RAM-C数据仿真不同空间高度处的三波磁场分布,分析了该方法的实际效果。结果表明,该方法具有实际应用的前景。
  4.非线性效应对等离子体鞘套包覆目标电磁散射特性的影响。基于计算涂覆目标RCS的FDTD、PO等方法,仿真不同鞘套参数下均匀磁化等离子体涂覆导体方柱、高超声速钝锥体飞行器和高超声速类HTV飞行器的双站RCS,分析热致非线性效应对目标RCS的影响。结果表明,当考虑热致非线性效应时,三类目标的RCS都有所减小,并且对于不同入射波频率下钝头锥的双站RCS结果,非线性情形的变化规律不同于线性情形。
[硕士论文] 戚海员
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着各国军事科技的发展,海洋资源的争夺愈发成为战略性的趋势。军事技术不仅包含核武器等硬实力装备的更新及研制,而且在海洋通信、水下探测以及航海航空等方面也有了迅猛的发展。在此背景下,本文重点研究了水下电磁波的传播与散射特性,选择在30Hz~300KHz频段范围内,对水下目标产生的感应磁场以及均匀半空间界面处磁偶极子的低频场特性进行研究,对存在内波的海况,分别从散射系数和多普勒谱的变化来观察它对海面电磁散射的影响。论文的主要工作如下:
  首先,从电磁波的基本物理特性出发,阐述了其在海水中的传播特性,包括一些基本电磁参数:感生电磁场、趋肤深度、场强衰减等。在两层海水分界面处研究了电导率分布及其透射特性。其次简要介绍了海水中内波的产生条件与运动特征。
  接着,考虑在低频电磁波照射条件下,水下导体目标产生的感应电磁场。从建立入射场模型开始,到研究感应磁场的变化特性,再评估目标表面感应电流的分布。对于由有耗和无耗介质组成的均匀半空间分界面,从推导Sommerfeld积分表达式开始,研究磁偶极子的近区低频场传播特性,并与NBS(National Bureau Standards)文献给出的结果作对比。
  最后研究了内波对海面电磁散射特性的影响,关于内波对散射系数和海面多普勒谱的影响国内外少有相关研究,作者以KdV方程为基础,建立孤立内波传播模型,结合双尺度方法的面元模型,考虑内波的存在对海面表面波谱的调制修正作用,计算内波的存在对海面电磁散射特性的影响,分析了不同海况、不同内波参数对海面散射系数和多普勒谱的影响。
  当然本文只是针对理想化的模型做了一些理论分析计算,而实际的辐射源和介质都是非常复杂的,为了与实际应用更接近,还有待对目标导体、分层界面、内波特性作进一步的研究,这样才能更好的应用到实战中。
[硕士论文] 刘顺亮
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:电场传感器的校准、研发和测试离不开均匀电场,所以均匀电场产生方法的研究对电场传感器的设计具有重要的理论意义和应用价值。
  本文基于1MHz~18GHz宽频带电场传感器校准需要,结合电磁波传输理论,利用HFSS建立平行双线和双脊喇叭天线产生均匀电场的仿真模型,并进行了仿真分析,获得了1MHz~18GHz频段内电场分布特性。
  为了获得良好的电场分布均匀度,通过优化分析,选取长750mm、线经9mm和间距92.75mm的平行双线做为产生均匀电场的发射源,并仿真了平行双线在1MHz、10MHz、100MHz、500MHz频点的电场分布。研究角锥喇叭和双脊喇叭天线在宽频带内的电场分布特性,证明两种喇叭天线产生均匀电场的可行性。仿真分析双脊喇叭天线在1.8GHz、5GHz、16GHz频点电场分布情况,获得电场分布均匀的区域。
  搭建实验测试平台,使用标准电场传感器EP183进行实测。仿真和实测结果表明,这三种天线能够在1MHz~18GHz频段内产生可用于电场传感器校准的均匀电场。
[硕士论文] 刘超群
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于矿石资源的日益匮乏,人类亟需寻找可代替的新能源。太阳能具有清洁环保且可再生等不可比拟的优势,深受人类的青睐,但在地球表面利用太阳能发电会受到天气,季节等不可控因素的制约,利用率不高。在太空建立太阳能电站可以规避这些因素的干扰,采集效率有显著提高。本文研究太阳能的传输载体高功率微波在电离层中传输所遇到的问题,针对电波传输效率、传输路径及波束汇聚情形进行分析仿真。论文主要工作如下:
  1.讨论各粒子在电离层中所占的比重并对电离层各类模型做对比分析,确定采用IRI2012国际电离层参考模型作为背景参数,利用此参考模型对电离层的基本参数进行仿真,给出相关物理量的仿真结果及分析。
  2.利用射线追踪技术对电波在电离层中的传输轨迹进行分析。给出了电波在电离层传播的二维射线追踪方程,对方程中的相折射指数进行分析,并利用龙格库塔算法,采用变步长技术获得传输路径,对不同纬度、不同频率的电波从太空入射到电离层中的传输路径进行了讨论。仿真结果表明,低频率电波的传输轨迹受电离层影响较大,电波在不同背景的电离层中传输路径也会有差别。同时,电离层对于空间太阳能电站窗口频率的电波传输轨迹影响很小。
  3.在电波的热致非线性效应基础上对电波在电离层中的传输损耗进行分析。在低电离层,中性粒子占据很大比重,以电子碰撞作用为主,而高电离层中离子占据重要地位,和离子间的作用远远大于与中性分子作用,且加上地磁场中力的作用,导致带电粒子沿着地磁场方向移动,因此必须考虑受到地磁场影响的热传导、扩散等输运过程,故在高、低电离层分别建立了不同的模型,研究了不同频率和不同功率的电波从太空入射至电离层中的传输损耗。电波在低电离层传输损耗主要集中在90-110km高度范围,并且在低电离层中电波传输损耗大于高电离层。此外,空间太阳能电站电波频率为2.45GHz的电波损耗大于5.8GHz频率的电波。
  4.在热致非线性效应的基础上,详细阐述了聚焦散焦效应理论,数值推导了抛物波束在电离层中数值方程,并对聚焦散焦参数,散焦角等进行讨论。考虑电波对电离层加热效应,数值模拟了散焦角、波束半径在低电离层中的变化并讨论其影响因素。仿真结果表明,电波频率越小功率越大,散焦效应越明显。空间太阳能电站窗口频率的电波受散焦效应影响很小。
[硕士论文] 郭宝
生物医学工程 大连理工大学 2017(学位年度)
摘要:光学变换因其能够利用坐标变换随意控制电磁波的传播而受到广泛的关注。在过去的十年中,人们致力于用变换光学装置来使电磁波隐形,这要得益于电磁超材料的快速发展。尽管基于这个目标取得了很多成果,但隐形的效果依然受到阻碍。这是因为此隐形方法的坐标变换需要高度各向异性的且非均匀的电磁材料,而这些电磁材料使在实际设备中变换光学的工程实现复杂化。
  表面波隐形的新的概念已经渐渐产生一个全新的变换光学隐形的研究方向,其旨在按照意愿随意的隐形电磁表面波。第一种隐形方法遵循坐标变换原理,需要各向异性材料,这导致了漏波辐射损耗。第二种方法为地毯隐形原理,但是与波长相比,此方法的隐形尺寸较大。除了这个问题之外,有些地毯表面波隐形是单向性的,这无疑限制了其实际应用的可能性。第三种表面波隐形方法是非传统的表面波弯曲方法。当这些设计显示其可以得到能使表面弯曲进而隐形的各向同性的全方位的表面波隐形时,其仅仅适用于千兆赫兹区域的隐形。而在光学中对电磁波的幅度或者相位无干扰的情况下平稳的控制隐形物体周围的光波具有很大的需求。
  本文首先介绍了光学变换理论中的等弧长方法,分析计算半球形、锥形、抛物线形、余弦形和半椭球形模型结构,采用归一化的方法对模型中的折射率分布进行归一化处理。为了方便计算,将底板的折射率设为1,从而计算出不同模型的折射率分布。借助多物理场仿真软件(COMSOL Multiphysics)对不同结构的尺寸作仿真对比分析,根据表面波在模型中传输的情况,进而确定所需模型结构——半椭球形。由于半椭球形的高度决定折射率的分布,因此对半椭球形的高度进行分析确定其高度值。通过进一步优化模型的厚度在可见光波段实现表面波完美隐形技术。为了便于将该隐形技术应用于实际中,采用分层的方法将模型中渐变的折射率分布离散化,通过适当调整模型中每层结构的折射率大小,能够重新调整隐形区域从一边到另一边的传播的可见光,从而使物体达到隐形的效果。根据等弧长的变换理论分析得出,在半椭球形结构中传播的电磁波的波长和其结构中分布的折射率没有关系。因此该模型应用范围可以推广到可见光波段,即在可见光波段中不同的波长下实现同样的隐形效果。
  在应用方面其在可见光波段显现出很好的潜力和可实验能力。可以像等离子体斗篷一样,电磁波在隐形装置上穿过被隐藏的实体,因此在可见区域具有无创探测,隐形传感器和低干扰通信的应用。因该隐形技术的隐形尺寸在纳米尺度内,所以对于不同结构的生物分子隐形具有天然的优越性。并给出隐形装置对小球、DNA分子和蛋白质结构的完美隐形效果。
[博士论文] 李琛璐
电磁场与微波技术 安徽大学 2017(学位年度)
摘要:目标电磁散射特性的研究对于雷达系统的设计、目标隐身与反隐身技术研究、基于雷达回波信号的目标识别研究等应用都有极其重要的价值。目标电磁散射特性的数据固然可以通过测量获取,但是要求具备昂贵的测量设备、理想的测量环境,需要耗费大量的人力、物力和财力,还需要较长的测试周期,成本代价极高。相比之下,通过理论建模和数值模拟的途径来分析目标电磁散射特性则更加便捷,成本更低。因此如何快速高精度分析电大目标电磁散射问题是计算电磁学一直以来的研究热点之一。在此背景下,紧密围绕提高计算精度和计算效率这两个关键问题,对基于矩量法的多层特征基函数法及其改进技术展开研究,并将其应用到电磁散射问题的分析中。本研究分为两个部分:
  第一部分针对特征基函数法在分析电大导体目标电磁散射特性时,为了控制子域的个数,每个子域中未知量数目就不得不增加,从而使得特征基函数生成过程非常耗时的问题,首先将基于Foldy-Lax多径散射方程的单层特征基函数法扩展为多层特征基函数法,以此来提高未知量的压缩率;同时采用自适应交叉近似法对每一层的阻抗矩阵进行压缩填充,加速缩减矩阵的构造。数值结果显示该方法可以有效提高计算效率降低内存需求。其次,提出了一种快速精确的基于多层特征基函数法的混合方法。在混合方法中,提出一种修正的快速偶极子法来改善传统快速偶极子法的计算效率和计算精度;随后将修正的快速偶极子法与自适应交叉近似法及等效偶极子法相结合来提高多层特征基函数法的计算效率。应用修正的快速偶极子法后,次要特征基函数的生成和缩减矩阵的构造更加高效,结果也更加精确。当远场组判距条件变得苛刻以此来获得更精确的结果时,由于中间场的阻抗矩阵运用了自适应交叉近似法进行压缩,使得整个混合方法计算效率得以进一步提高,内存需求进一步减少。数值结果不仅证明修正的快速偶极子法可以有效减少计算时间和减小相对误差,还证明了在给定的相同远场组判距条件下,混合方法可以提高计算效率降低内存需求。
  第二部分针对特征基函数法在多激励入射导体目标电磁散射问题分析中的应用,提出一种融合特征基函数法。首先,新定义一种改进的主要特征基函数,将周围子域的影响考虑进每个子域的主要特征基函数中,丢弃一阶次要特征基的同时采用高阶特征基来提高最终结果的精确度。因为每一个特征基函数中都考虑了子域与子域之间的互耦效应,所以只需要极少数量的入射平面波就可以获得具有较高精度的结果,从而实现精度与效率的同步提高。
[硕士论文] 钱朝阳
测试计量技术及仪器 浙江理工大学 2017(学位年度)
摘要:光是一种电磁波,以麦克斯韦方程为基础的经典电磁场理论可以用来解决光的衍射、传输等问题。虽然目前来说,光场标量衍射理论对于大多数光学传输的实际问题仍然有效,但是伴随着近场理论光学的逐渐完善与发展,标量近似的光学理论本身的不自洽矛盾越来越突出,尤其是近年来,随着半导体二极管激光器、微腔激光器、微光学、近场光学和光子晶体等的迅速发展,实际工作中也需要用较为严格的矢量理论来处理一些应用领域的近场光场特性。本文主要研究与传统标量场区别的矢量光场,即在光场的横截面的偏振态分布是不一致的光场。本文的研究方法是基于电磁波的矢量衍射理论。首先通过矢量衍射理论的角谱分析法和近似法分析了艾里光束的矢量结构特征和偏振态沿径向变化的圆柱型矢量光场在自由空间的传输特性,通过理论计算以及数值计算给出了整个衍射空间的精确矢量解,并且分别分析了其在自由空间的传输特性。主要研究内容分为以下三个部分进行说明:
  1.利用矢量角谱法和近似法推导、分析电磁场不同分量传输的解析表达式。以Airy光束(艾里光束)为研究对象,研究艾里光束的矢量结构特征,发现艾里光束的横向能量流密度与纵向能量流密度之比随着传播距离的增大而增大的。在菲涅尔衍射区域,TM(横磁模)分量的能量流密度与TE(横电模)分量能量流的比值随着传播距离的增加而逐渐增加,这个比值由λ和横向分量尺寸大小x0决定。该光场的矢量结构特征从艾里光束的传播动力学的物理图像给予进一步进行阐述和分析,这些结果可以为艾里光束在相应领域的潜在应用提供理论依据和基础,如纳米光子学、紧聚焦光场等。
  2.基于角谱法分析了偏振态沿径向变化的圆柱矢量光场的近场特性。其倏逝波和行波的矢量结构提供了一个直观的图像来描述该矢量光场在近场的特征。其中详细分析了纵向分量对总光场分布的影响以及对光自旋角动量(SAM)的密度影响。经过数值计算发现,具有不同偏振拓扑核的矢量光场的倏逝波和行波的光场分布结构是不同的,并且与光场横截面的初始偏振态分布密切相关。纵向分量的存在,对光学自旋角动量密度的影响,导致了自旋角动量密度的一个矢量分布结构。该研究成果为如何通过在光场横截面上选择适当的偏振态分布,在近场空间操纵矢量光场的光场分布和角动量密度提供非常有用的信息。
  3.利用USB3.0外设控制器设计了一种图像采集设备的固件,开发光场的数据采集、成像设备,期望最终实现能够利用矢量光束进行数据采集和成像,进一步研究矢量光束的潜在应用。
[硕士论文] 沈谦
无线电物理 南昌大学 2017(学位年度)
摘要:在光学系统中捕获光或电磁波具有巨大的应用前景,例如光捕获,光传感和增强非线性等。表面等离子体激元能够在特殊波导结构或条件下实现电磁波的捕获和聚焦,其中单向磁表面等离子体激元由于其非互易性和稳健性备受关注。
  本文基于单向磁表面等离子体激元,研究了电磁波在金属-空气-YIG波导中的色散特性,提出了微波电磁波的捕获结构,即在波导终端设置一块金属板以截断电磁模式。研究发现,单向电磁模式能够被完全捕获并形成了磁场急剧增强的电磁斑,而一般捕获结构只能得到电场增强的电磁斑。本文还分析了材料损耗对捕获电磁斑的影响,发现即使在非常严重的损耗情况下,仍然能观察到磁场急剧增强的电磁斑。
  金属-介质-YIG-金属波导,这里的介质为非空气,也得到了仔细的研究。基于所提出的波导构造了微波磁光等离子透镜,并模拟仿真了电磁波在透镜中的传播过程,分析了外加磁场、波导周期数以及波导厚度对传输和聚焦性能的影响。研究发现,所提出的等离子透镜不仅能够单向传输,还能有效聚焦电磁波。
[硕士论文] 杨兴宇
电子科学与技术 哈尔滨理工大学 2017(学位年度)
摘要:太赫兹(THz)超常媒质电磁诱导透明(EIT)是一种在THz波段用人造周期性结构单元形成的电磁现象,其在THz传输的频域谱上具有一个典型的透明窗口,对于慢光、光存储以及光传感的实现具有很重要的意义。然而,周期性结构单元形状和尺寸的固定使得EIT的透明窗口相对固定,无法进行动态调制,大大制约了器件功能的实现。本文针对目前国内外的一些可调谐EIT实现方式不易、调制深度不足的特点,利用石墨烯在不同外加偏压下具有变化较大的电导率的属性,提出了两种基于石墨烯的可调谐EIT超常媒质结构。
  本研究主要内容包括:⑴提出一种金-石墨烯交叉型EIT超常媒质结构,该结构由内部的金开口环结构和外部的闭合石墨烯环结构相互嵌套而成。为了分析EIT的形成机理,采用数值仿真软件分别对单独的金结构和石墨烯结构进行谐振特性研究,对形成的EIT谐振谷和透明峰处的表面电流进行监测,仿真结果表明该结构具有明-暗模式耦合的特点。通过改变石墨烯的费米能级,金-石墨烯结构呈现出不同的EIT响应特点,并对EIT的可调谐特性进行分析,计算透明窗口处的调制深度以及相应的群延迟,计算结果表明,该结构能实现幅值调制和慢光调制。⑵为了获得EIT固定频率处透明峰的动态调制以及更大的调制深度,提出一种石墨烯-石墨烯超常媒质结构,该结构由左侧的石墨烯短线条和右侧的双闭合石墨烯环组合而成。采用数值仿真软件优化左右石墨烯间的相对距离,在此基础上,分析EIT的形成机理并证明了该结构明-明模式耦合的特点。通过同时改变左右两侧石墨烯结构的费米能级,石墨烯-石墨烯结构呈现出不同的EIT响应特点,并对EIT传输与吸收的可调谐特性进行分析,计算透明窗口处的调制深度以及群延迟的大小。计算结果表明,该结构能实现在固定频率处透明峰的幅值调制和慢光调制,并具有更大的调制深度。⑶提出一种二粒子耦合模型并与仿真得到的EIT曲线进行拟合,拟合曲线与数值仿真曲线匹配度良好。拟合结果表明二粒子耦合模型及耦合模式理论分析的准确性。
[硕士论文] 徐杰
等离子体物理 南昌大学 2017(学位年度)
摘要:太赫兹(THz)波的单向传播及相关非互易功能器件,是太赫兹技术研究领域的最新热点之一。之前研究报道的电磁波单向模式都是表面波形式。研究发现,在太赫兹频段,可以实现由内全反射(TIR)机制支持的单向电磁模式,即非表面波单向电磁模式。本文中考虑的波导系统是由金属、介质和半导体构成的三层结构,导出了该导波系统的色散关系的解析表达式。研究表明,当系统中介质层厚度小于某个临界值时,双向传播的高阶TIR模式会在半导体的禁带中消失,仅剩下单向传播的TIR基本模。给出了相关介质层临界厚度的解析表达式。通过数值仿真分析表明,单向TIR模式具有抗后向散射的性能;此外,相较于单向表面磁等离子体,单向TIR模式可以高效地匹配传统光学波导的基本模式。基于单向TIR模式,单向波导容易与传统光波导技术相兼容,这将有力推动太赫兹单向波导及相关非互易器件走向实际应用。
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