局部相空间压缩实现对时空混沌和螺旋波的控制

采用相空间压缩方法研究时空混沌和螺旋波系统的抑制问题.以局部控制方式将系统变量的幅值限制在一定范围内,对CO在Pt(110)表面氧化模型(Fitzhugh-Nagumo方程)与心肌组织模型(Panfilov方程)的数值研究表明:无论是否存在外界噪声,该方案都可以消除螺旋波和时空混沌;尤其是存在噪声时,相空间压缩控制暂态过程会更短,系统很快达到稳定均匀态(从几个到几十个时间单位).     

耦合复金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)方程中的模螺旋波

以双层耦合复金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)方程系统为时空模型, 研究了其中的模螺旋波, 讨论了这种特殊波动现象的稳定条件和相关影响因素. 模螺旋波与该类时空系统中常见的相螺旋波相比, 其中心不存在缺陷点, 同时仅在其变量的振幅部分(而非相位部分) 表现为螺旋结构. 本文通过数值方法研究了耦合复金兹堡-朗道方程中产生模螺旋波所需要的初始和参数条件.研究表明, 当双层耦合系统的初始斑图之间的差距较大时, 才能够产生模螺旋波; 同时观察到系统在参数不匹配的条件下会发生相螺旋波向模螺旋波的转变.通过对同步函数的计算, 发现该转变过程具有非连续性.     

耦合映象格子中时空混沌的控制

采用相同的相空间压缩方法,有效地控制了均匀及非均匀耦合映象格子中的时空混沌.数值模拟结果表明,在一定的相空间压缩参数区域内,控制时空混沌到均匀稳定状态时,控制结果与控制参数之间存在确定的函数关系.利用这个控制方程,选择不同的相空间压缩参数控制耦合映象格子中的时空混沌,获得了各种所需要的稳定斑图 关键词： 时空混沌 耦合映象格子     

非连续反馈控制激发介质中的螺旋波

采用非连续反馈方法来控制Fitz-Hugh-Nagumo方程描述的激发介质中的螺旋波. 在控制过程中,对于系统各个格点快变量的幅值进行观测并和设定的阈值进行比较,当采样格点的快变量的值大于这个阈值时,则对系统进行直接小幅度的负反馈. 研究发现：在对系统所有格点快变量幅值观测时选择比较小的阈值则更容易将系统的螺旋波消除掉并使系统达到稳定均匀态. 在比较大的阈值下,系统的螺旋波则变得稀疏,也可以导致螺旋波的破裂. 在任意选择单个格点的快变量观测下,比较小的反馈强度仍然可以消除螺旋波,系统也达到稳定均匀态. 当 关键词： 螺旋波 Fitz-Hugh-Nagumo方程 反馈控制     

两个延迟耦合FitzHugh-Nagumo系统的动力学行为

考虑了两个延迟耦合FitzHugh-Nagumo系统，首先分析两点延迟耦合的动力学行为，给出静息态的局部稳定和不稳定的参数区. 螺旋波同步、共同的静息态以及两个系统不同的状态出现在静息态稳定参数区内，在这些态的过渡耦合强度参数区内会出现很多演化图样，它们反映了螺旋波波头、波体和波尾的不同，也反映空间尺度对螺旋波的影响.讨论了静息态局部不稳定参数区内，两点延迟耦合的动力学行为和相应参数下两个延迟耦合反应-扩散系统的斑图动力学行为. 关键词： FitzHugh-Nagumo系统 螺旋波 同步     

利用速度反馈方法控制时空混沌

以空间一维的复Ginzburg-Landau方程为模型,研究了利用系统变量随时间的变化率作为反馈控制信号控制偏微分方程系统中时空混沌的可能性.通过理论分析和数值模拟方法讨论了控制参数与可控性所满足的关系,解释了不同目标态时临界控制参数的尺寸效应. 关键词： 混沌控制 时空混沌 速度反馈 复Ginzburg-Landau方程     

耦合映像格子模型时空混沌的控制

采用非线性反馈方法研究耦合电光双稳映像格子混沌系统的控制。画出空间振幅变化图。数值模拟的结构表明:在一定的相空间压缩参数区域内,控制时空混沌到均匀稳定状态时,控制结果与控制参数之间存在关系。同时利用计算机模拟了相应参数下的时序图,格点处于稳定状态,从而证明常数偏移法的有效性。     

细胞外钾离子浓度延迟恢复对螺旋波的影响研究

在Luo-Rudy相I心脏模型中考虑了细胞外钾离子浓度的频率依赖性,并研究了细胞外钾离子浓度的延迟恢复对螺旋波动力学的影响.数值模拟结果表明,在螺旋波态下,细胞外钾离子浓度的延迟恢复会导致细胞外钾离子浓度周期振荡,其振荡周期和振幅随延迟恢复时间的增加而增加,进而导致出现呼吸螺旋波、多螺旋波共存、螺旋波做Lévy飞行式漫游、螺旋波通过不同方式消失等现象,这些结果与实验结果一致.     

通过被动介质耦合的两螺旋波的同步

采用Br模型研究了通过被动介质耦合的两二维可激发系统中螺旋波的同步,被动介质由可激发元素组成,这些元素之间不存在耦合.数值模拟结果表明,被动介质对螺旋波的同步有很大影响,当两系统中的初态螺旋波相同时,被动介质可导致稳定螺旋波发生漫游,螺旋波转变为螺旋波对或反靶波;当两系统中的初态螺旋波不同步时,在适当的参数下,两螺旋波可以实现同步、相同步,此外还观察到两螺旋波波头相互排斥、多螺旋波共存、同步的时空周期斑图、系统演化到静息态等现象.在被动介质中,一般可观察到波斑图,但是在某些情况下,被动介质会出现同步振荡现象.这些结果有助于人们理解心脏系统中出现的时空斑图.     

反应扩散系统中螺旋波的失稳

文章以反应扩散系统为例,介绍了在可激发系统与振荡系统中螺旋波产生、发展、演化的一些基本性质及规律,并讨论了作者近年来对螺旋波的各种失稳途径、时空混沌的产生机理及螺旋波控制方面所做的实验与理论工作,重点讨论了两类螺旋波失稳现象：爱克豪斯失稳与多普勒失稳,两类失稳都使系统从有规律的螺旋波态变为时空混沌（缺陷湍流）态。     

复Ginzburg-Landau方程中模螺旋波的稳定性研究

研究了复Ginzburg-Landau方程系统中模螺旋波与其他斑图在同一平面内的竞争行为,发现演化结果在系统参数平面内可分为四个主要区域:在I区和III区中,模螺旋波与相螺旋波相比稳定性较差,模螺旋波的空间被相螺旋波所入侵.在II区中,模螺旋波具有较强的稳定性,相螺旋波的空间被模螺旋波所入侵.在IV区内,由于时空混沌所导致的频率不稳定性,演化的结果较为复杂.我们通过对模螺旋波、相螺旋波以及时空混沌的频率分析,发现当模螺旋波的系统参数为α1=-1.34,β1=0.35时,较高频率的模螺旋波具有较好的稳定性,高频模螺旋波可以入侵低频斑图空间.竞争结果主要受系统变量实部的频率影响,频率分析所得到的理论结果与数值实验结果符合得非常好.     

单个心肌细胞中随机钙火花诱发的钙离子螺旋波

利用改进的描述单个心肌细胞内钙信号的离散的fire-diffuse-fire模型和相分析方法, 模拟研究了钙火花随机释放特性对钙离子螺旋波的诱导激发作用, 研究结果表明, 适当频率的钙火花可以在静息心肌细胞中诱导产生钙离子螺旋波; 时序和空间不同的钙火花引起的相奇点的出现, 是产生螺旋波的关键; 系统相奇点的个数与钙火花频率相关, 并且对于固定系统有极限值.     

Hindmarsh-Rose神经元阵列自发产生螺旋波的研究

采用Hindmarsh-Rose(HR)神经元模型,研究了二维神经元阵列系统从一个具有随机相位分布的初态演化最终是否能自发产生螺旋波的问题.数值结果表明:系统是否出现螺旋波与单个HR神经元的状态、系统的初态和耦合强度有关,其中单个HR神经元的振荡状态起主要作用.当单个HR神经元处于一周期振荡态时,在一定的耦合强度范围内系统都会自发出现多个螺旋波和螺旋波对,出现螺旋波与系统初态无关,只要适当选择耦合强度,在系统中可以出现单个螺旋波.当耦合强度超过某一阈值后,继续增加耦合强度,系统会呈现三种不同的动力学行为,分别与三类初态有关.系统从第一类初态演化将偶尔出现单个螺旋波,系统从第二类和第三类初态演化将分别出现间歇性全局同步振荡和振荡死亡.当单个神经元处于二周期态时,只有当系统神经元的初相位比较均匀分布时,系统才能自发出现螺旋波,而且出现螺旋波的耦合强度范围大为减少.当神经元处于更高的周期态时,系统一般不容易自发出现螺旋波.这些结果有助于人们了解大脑皮层自发产生螺旋波的机制.     

激发介质中螺旋波失稳的微观机理研究

采用晶格Boltzmann方法研究了激发介质中螺旋波的失稳,计算机数值模拟给出了激发介质中螺旋波失稳前后的速度场分布,并结合斑图和波头轨迹进行讨论发现,稳定螺旋波的速度场分布表现为螺旋波旋转中心处的速度做周期突变;在螺旋波开始失稳时,速度场分布表现为该位置粒子速度突变加快最后变得无规律,使速度集团分解无规律,导致速度场分布越来越混乱,并最终使系统进入时空混沌态. 关键词： 晶格Boltzmann方法 激发介质 螺旋波 时空混沌     

量子相空间中对称受驱双势阱系统的量子隧穿动力过程

本文以纠缠轨线分子动力学方法研究对称受驱双势阱系统的量子隧穿动力学过程.驱动力的幅度和频率改变将对量子隧穿动力学过程产生巨大的影响,这为人们自主控制这一重要的过程提供理论基础.当体系的经典动力学呈现混沌状态时,它的量子动力学过程将发生显著的变化.在强驱动力作用下,双势阱系统的量子共振频率隧穿和非共振频率隧穿因为混沌行为的出现明显增强.通过对比相空间中具有相同初始态的纠缠轨线和经典轨线演化,我们给出量子隧穿过程清晰的物理图像.最后,我们讨论量子隧穿动力学过程中体系不确定度的演化和反映波包动力学过程的自关联函数演化.     

随机相位扰动抑制激发介质中漂移的螺旋波

研究了一类二维变量描述的激发系统中漂移螺旋波的抑制问题.通过在整个系统中局部注入带随机相位的电信号，如在系统256×256格点的边界或中心区域中选取4×4或者5×5格点区域施加一个带随机相位的外部激励电信号，在系统内部产生一个持续的靶波信号，实现靶波对螺旋波的动态竞争.数值计算表明：该方法对于Barkley模型中螺旋波有很强的抑制作用，与简单的局部周期信号驱动比较，具有暂态过程比较短的特点，而且对于时空噪声具有一定的抗干扰性.在一定的噪声范围内，即使系统出现不均匀性，也可以观测到靶波，新出现的靶波对螺旋波有抑制作用. 关键词： 螺旋波 靶波 Barkley模型 随机相位     

Spiral waves in systems with fractal heterogeneity

The influence of fractal heterogeneity on a spiral wave in an excitable system is numerically studied based on the Barkley model. The heterogeneity is implemented by letting the diffusive coefficient in the heterogeneous area be different from the other area. The results show that fruitful transitions of the spiral tip trajectories are induced by the fractal heterogeneity. In particular, when the heterogeneity increases to a sufficiently high level the spiral tip trajectory always changes to a stable rotating trajectory (closed-circle tip trajectory), whatever transitions have been induced by a lower level of heterogeneity. We qualitatively ascribe the transitions to the attraction on the spiral tip exerted by the heterogeneous area.     

Formation of a spiraling line defect and its meandering transition in a period-2 medium

The instability of a period-1 spiral wave resulting in a period-2 spiral wave with a line defect is investigated for the first time in a laboratory system. At the very onset the transition proceeds by an emergence of a spiraling line defect, "breathing" intermittently while retaining its symmetry of a period-1 spiral wave. With a further change in a control parameter, the line defect undergoes a meandering transition producing a compound tip trajectory, following a dynamic shape transition. The observed transitions have a strong analogy to the phase synchronization transition of two coupled nonlinear oscillators and the meandering transition of a period-1 spiral wave.     

热敏神经元网络中螺旋波死亡和破裂的数值模拟

实验发现大脑皮层内出现螺旋波且螺旋波对神经元电信号传递有积极作用.利用细胞网络方法从对大脑皮层观察到的螺旋波进行数值模拟.以包含温度因子的热敏神经元模型在二维空间构造规则网络,研究了神经元膜片温度参数对神经元网络中螺旋波演化影响;定义了一类统计同步因子来刻画温度因子引起螺旋波相变(破裂和死亡)的临界条件.发现在规则网络下,当温度超过一定值后螺旋波会死亡和消失而导致整个网络达到均匀同步;在考虑了弱通道噪声情况下,螺旋波温度超越一定临界值则引起螺旋波的破裂.进一步分析了暂时性发烧昏迷的可能机制在于神经系统某些功能区螺旋波传播电信号的中断.     

An efficient chaotic source coding scheme with variable-length blocks

An efficient chaotic source coding scheme operating on variable-length blocks is proposed.With the source message represented by a trajectory in the state space of a chaotic system,data compression is achieved when the dynamical system is adapted to the probability distribution of the source symbols.For infinite-precision computation,the theoretical compression performance of this chaotic coding approach attains that of optimal entropy coding.In finite-precision implementation,it can be realized by encoding variable-length blocks using a piecewise linear chaotic map within the precision of register length.In the decoding process,the bit shift in the register can track the synchronization of the initial value and the corresponding block.Therefore,all the variable-length blocks are decoded correctly.Simulation results show that the proposed scheme performs well with high efficiency and minor compression loss when compared with traditional entropy coding.