区域地磁测量实验及水下载体对周围磁场的影响分析

水下载体和磁力仪的匹配是水下地磁导航的关键技术之一.为了完成匹配实验,首先要选择地磁场平缓的局部区域,基于这一目的进行了局域地磁场的测量,并通过克里金插值法构建地磁图,给出基于克里金插值的局部二维和三维地磁图.从地磁图上可以找到磁异常区域和地磁平缓区域,并在地磁平缓区域进行有无水下载体的地磁空间测量.由于载体主要由铁磁物质组成,安装在载体上的传感器所测量的磁场除了地磁场以外,还有载体硬磁材料产生的固有磁场以及载体内机电设备产生的磁场.因此,如何从复杂的磁场环境中提取地磁场信息是实时测量的一大难题.基于载体的空间磁测,利用传感器测量值构建载体磁场的数学模型,分析了水下载体对周围磁场的影响,为水下载体与磁力仪的匹配和水下磁测提供了理论和实验依据.     

基于双磁偶极子的螺线管磁场建模分析

针对低频交变磁场定位中,螺线管磁场分布的单磁偶极子模型在近场误差较大,定位精度差的问题,提出了一种基于双磁偶极子的螺线管磁场分布建模方法。首先通过分析磁偶极子在空间中的磁场分布规律,将螺线管等效为两个对称的磁偶极子阵列的叠加,建立了螺线管的磁偶极子阵列模型。然后引入模型误差的目标函数,利用模拟退火算法计算最优模型参数。最后根据磁场分布模型,将磁偶极子阵列简化为磁偶极子,在保证定位精度的同时,简化了模型,便于定位解算。实验结果表明,在近场条件下,双磁偶极子模型的最大误差仅为0.003m,相对传统的单磁偶极子模型,最大定位误差下降了90.26%,在远场条件下,单磁偶极子模型与双磁偶极子模型的最大误差近似。     

基于椭球拟合的磁梯度张量系统集成校正

为了提高磁梯度张量系统测量精度,针对磁传感器轴位偏差、标度因子与非正交性,传感器阵列间非对准误差以及载体磁干扰等误差因素,提出了基于椭球拟合的磁梯度张量系统集成校正方法。根据硬、软磁材料磁场数学模型,将磁传感器系统误差和硬、软磁干扰误差构建为集成误差系数矩阵和集成零漂向量两部分,基于最小二乘椭球拟合建立了集成补偿模型以此校正传感器输出。通过正交系间旋转矩阵构建非对准参数的线性方程组并得到最小二乘估计,以此对准张量系统。研究结果表明:仿真校正后传感器总磁场强度(TMI)和系统张量分量有效收敛于预设测量噪声;实验校正后各传感器输出具有较高重合与同轴性,总磁场强度均方根误差(RMSE)降至约5nT,张量分量均方根误差限制在20nT/m内。该方法能够稳定可靠地提高磁梯度张量系统测量精度。     

有限深海域的海浪感应磁场

搭载磁力仪阵列的水下载体在海洋磁力测量中基本不受人类活动的电磁噪声干扰,但是受海洋环境的电磁噪声影响较大.当海浪运动所产生感应电磁场噪声与要检测的目标磁场量级、频带接近时,这些感应磁场噪声就成了不可忽略的干扰源.在Weaver模型基础上,建立了有限深水域海浪感应电磁场的数学模型,对有限深水域,特别是海洋大陆架范围内,对海浪运动产生的感应磁场进行求解,初步得到了感应地磁场与波高、海洋深度等参数的变化规律.这些研究为磁场实测提供了参考,对海洋磁测中波动数据的解释、反演、减小磁测噪声、提高测量精度有积极的意义.     

基于磁偶极子的磁场梯度张量局部缩并及试验验证

基于磁偶极子的磁场梯度张量缩并理论虽然可较好地描述磁源,不受测量系统的朝向的影响,但在实际的磁场梯度张量测量中通常仅可测得部分磁场梯度参数,没有获得磁场梯度张量中的所有张量分量,如何有效利用这些部分磁场梯度参量,已成为目前磁场梯度张量缩并理论及在磁场定位的应用中亟需解决的问题。基于磁偶极子理论提出磁场梯度张量局部缩并的方法,给出磁场梯度张量的局部模量的概念,分析了磁场梯度张量的局部模量及相关参数的三维空间分布规律,结果表明:局部模量CXY及kXY值随着g先增大后减小,在g=39°时取最大值,在g=90°时取最小值;局部模量C_Z及k_Z值随着g先减小后增大,在g=63°时取最小值,在g=0°时取最大值。提出磁场梯度张量局部模量中重要参数的近似计算公式,并通过试验进行验证。试验结果表明,试验值与理论计算值基本一致,可为磁场梯度张量局部缩并理论的应用提供依据和参考。     

冷原子陀螺仪三维磁场系统的容差设计

磁场系统作为磁光阱的重要组成部分,在高精度冷原子陀螺仪中占有极其重要的地位。随着陀螺体积的不断减小和集成度的不断提高,磁场系统的制造和装调误差对陀螺性能的影响不断增大。这些误差会引起磁场零点漂移和磁场梯度变化,降低捕获效率和原子团的质量,从而影响陀螺性能。从三维磁光阱磁场分布的理论分析出发,结合数学建模和计算机仿真,对三维磁场系统的主要制造和装调误差对磁场的影响进行了分析和比较,并基于预设阈值利用试验设计和数学回归对关键制造和装调参数设计了合理的容差限,为小型化冷原子陀螺仪三维磁场系统的设计和制造提供了理论依据。     

磁流体流动控制中的磁场配置效率研究

采用数值模拟方法研究了不同磁场空间构型对弹道式再入飞行器基准外形表面热流分布的影响. 计算模型为低磁雷诺数近似下的磁流体力学模型. 数值模拟结果表明两个大小相同、方向不同的磁偶极子对表面热流密度分布的影响存在较大差异,由此指出热流控制应用中磁场配置的效率问题. 随后的磁场详细作用机理分析表明上述差异的原因在于不同空间磁场分布对流动能量转化机制的影响不同. 以此为基础给出了在流动的不同区域,磁场空间分布应遵循的一般性原则.      

激光陀螺旋转惯导系统IMU的磁屏蔽设计及优化分析

为了提高激光陀螺旋转惯导系统的环境适应性,需要对惯性测量单元(IMU)进行磁屏蔽设计。对IMU的磁屏蔽效率进行了理论计算和有限元仿真,对磁屏蔽材料的厚度、接缝宽度及接缝处贴片的大小等参数进行了仿真分析。利用赫姆霍兹线圈对IMU进行了磁敏感性测试,实验结果表明:设计的IMU磁屏蔽结构的屏蔽效率在23～30 dB范围内,磁场引起的三个激光陀螺漂移小于0.002°/h/mT,满足高精度单轴旋转惯导系统的实用要求。该方法对旋转惯导系统的结构设计及磁屏蔽设计具有一定的参考意义。     

带铁磁薄膜悬臂板的磁场微感应器磁弹性特征研究

对于在可变形非磁材料悬臂梁式板单表面粘贴可磁化材料薄膜所构成的磁场微传感器件结构,研究了其处在磁场环境中的磁弹性弯曲变形的磁场-力学特征。为此,建立了由有限元方法分析磁场与有限差分法计算挠曲变形相结合来计算其结构在磁场中产生磁弹性变形的定量分析程序。在此基础上,对于这一微传感结构的算例给出了其结构变形随外加磁场环境变化的磁场-挠度特征关系等定量结果。结果表明：微传感器件不仅可以测量出磁场的大小,而且给出了测量磁场矢量方向的可能性。     

一种惯性/水声单应答器距离组合导航方法

惯性/水声单应答器距离组合导航方法为自主水下航行器(AUV)校准提供了一种新途径。针对惯性/水声单应答器距离组合导航系统,建立了AUV三维空间运动学模型,对单应答器距离变换位置非线性系统采用李导数方法进行了可观测性分析,设置了合理的载体航行轨迹,位置组合导航算法中采取了延时状态滤波方式实现了量测信息的同步更新。湖上实验表明,采用单应答器距离组合导航方法后,明显地抑制了INS/DVL导航误差的发散趋势,最大定位误差减小幅度约为19.2%,初步验证了惯性/水声单应答器距离组合导航方案的有效性,为解决AUV导航设备水下校准提供了可能。     

单轴旋转惯导系统旋转性误差分析及补偿

对单轴旋转惯导系统因旋转而引入的各项误差进行分析,研究其误差特性及补偿方法。针对单轴正反连续旋转方案,在假定惯性测试组件的器件误差和其他非旋转性的误差在精确标定的情况下,推导了因旋转轴安装不正交引起的涡动、轴系间隙引起的晃动、测角器件误差、旋转控制引起的换向超调误差、角位置、角速度不准确等因素而引起的误差的表现形式,定性和定量地分析了各误差对于系统精度的影响。针对对系统影响显著的旋转轴不正交误差,提出了一种基于系统自身旋转轴正反旋转的误差标定及补偿方法并进行了仿真实验。在给定条件下的仿真结果表明,该方法能够准确标定出旋转轴的不正交误差,标定精度达到角秒级。     

The consistent Mindlin’s thermopiezoelectric equations and the principle of virtual work

The thermal field vector, an overlooked concept of importance, is introduced for the consistency in Mindlin’s thermopiezoelectric equations. The gradient of the temperature increment is defined as the thermal field vector; an analogous to the electric and magnetic field vectors (i.e., the gradients of the electric and magnetic potentials). The thermal field vector is used to state the universal gradient equations, and then, the principle of virtual work.     

The effect of magnetic fields on low frequency oscillating natural convection with pressure gradient

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒ,ａｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｎｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇｎａｔｕｒａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｒｅｈａｓｂｅｅｎａｒｅｃｅｎｔｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｅｘｐｌｏｒｉｎｇｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｄａｍｐｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｔｏｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｏｖｅｒｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙｆｏｒａｆｕｒｔｈ…     

MEMS-IMU构型设计及惯性器件安装误差标定方法

提出一种由三只单轴MEMS陀螺仪和三只单芯片双轴6个加速度计构成的MEMS-IMU配置方案。针对该方案的特点,研究了基于重力参考矢量对MEMS惯性器件安装误差的标定方法。该方法的关键是利用同一安装平面内的两个加速度计测量矢量的叉乘矢量的方向代替MEMS陀螺敏感轴方向,利用两轴或三轴角位置转台标定MEMS-IMU中惯性器件的安装误差。分析了标定矩阵的求逆条件数,提出了3位置和6位置的标定,指出了多位置标定中转台姿态角度的选择范围。新型MEMS-IMU配置方案及安装误差标定方法可有效解决MEMS-IMU惯性器件安装误差的标定与补偿问题。     

A model-based validation framework for PIV and PTV

The utility of particle image velocimetry (PIV) for measurement of velocity fields in many fluid flows is well established. This has created interest in overcoming difficulties with the technique when applied to increasingly larger fields of view where there exists a significant range of velocities and spatial velocity gradients are large. In this regard, a major deficiency with standard cross-correlation PIV is the inherent link between the density of vectors in the measurement field and the maximum measurable displacement. Several schemes exist to reduce this link. These iterative hierarchical/multiresolution schemes are strongly dependent on vector validation routines to remove spurious vectors. Here the design of a new framework for vector validation is described. This framework is general enough for use with both regular and irregularly spaced vector fields to make it applicable to particle image velocimetry (PIV), particle tracking velocimetry (PTV), and hybrid methods. It is based on the determination of a smoothed displacement field that robustly characterizes the measured field such that invalid vectors are attenuated more than valid vectors. In this particular study a thin-plate spline model is incorporated within an iterative regularized weighted least-squares routine to find a smoothed version of the displacement field that maintains pertinent velocity gradient information. The utility of the methodology is demonstrated for a complex flow profile containing four vortices where the valid displacement ranges from ?1/4 to +1/4 of the area of interest (AOI) dimension. Results indicate that this validation strategy can discriminate between valid and invalid vectors remarkably well over a range of parameter settings. In the example presented a flow field with significant velocity gradients and having a high number of invalid vectors (25%) is accurately validated.     

一种惯性测量单元非正交安装的单轴转位方法

针对单轴旋转式捷联惯导系统中旋转轴方向惯性器件误差导致系统误差积累的问题,提出一种惯性测量单元非正交安装的单轴转位方法,该方法不但可消除旋转轴垂直方向惯性器件误差对导航精度的影响,而且可减小旋转轴方向惯性器件误差引起的导航误差。基于单轴旋转调制原理,推导了非正交安装方法和正交安装方法的陀螺常值漂移和加速度计零偏在单轴旋转下引起的姿态误差,并对其进行分析,结果表明,在陀螺仪和加速度计常值漂移及零偏相同的情况下,非正交安装方法与正交安装方法相比,安装斜角为10°时72 h的定位误差降低约50%。     

Two-component Doppler-shift fluorescence velocimetry applied to a generic planetary entry probe model

This study discusses the development and application of planar laser-induced fluorescence of nitric oxide (NO PLIF) to measure velocities in an axisymmetric hypersonic near-wake flow field around a model planetary-entry vehicle configuration. Shapes and positions of NO spectral lines at every location in the flow are determined over several successive shock tunnel runs. The lines experience Doppler shifts proportional to the local flow velocity component in the direction of the fluorescence-generating laser. A Gaussian line shape function is then fitted to the acquired wavelength-dependent fluorescence measurements, the line center of which is correlated to the time-averaged velocity at each pixel location. The flow field is probed successively by a laser in two orthogonal directions, which yields the velocity magnitude and direction everywhere in the illuminated plane. The accuracy of the measurement technique is discussed, and various strategies to characterize systematic errors are presented. The variation of random uncertainties in different regions of the flow field provides information about the local steadiness of the flow. To the authors’ knowledge, the measurements represent the first two-component velocity map of a hypersonic near-wake flow.     

通气法控制超空泡流动的实验研究

在高速水洞中运用人工通气方法进行了航行体模型超空泡形态特性的系列实验研究.获得了不同通气流量、不同空化数和不同弗鲁德数下的空泡形态,建立了以弗鲁德数为参数的空泡几何特征参数与空化数的对应关系、空化数与通气流量系数之间的对应关系.验证了空化数是决定空泡尺度的主要无因次参数,通过改变通气流量可以有效地调控空化数,进而达到控制空泡形态的目的.文中同时给出了通气流量系数的实验曲线拟合公式,并与国外的相关实验和公式进行了比较,两者基本一致.所得结论对进一步的水下超高速航行体空泡形态控制技术研究具有参考价值.