亚波长间距理想导体球阵列近区时间反演电磁场的快速求解

为快速求解亚波长间距分布的理想导体球阵列近区的时间反演电磁场,提出一种基于等效偶极子模型的解析分析方法.首先,通过分析球面波照射理想导体小球的散射场解析解发现,散射场可以近似等效为电磁偶极子辐射场的叠加.等效偶极子的强度与初始激励源的幅度成正比关系.通过建立不同小球等效偶极子矢量间的耦合方程组可以直接求解得到相应矢量的大小.然后,结合时间反演腔理论得到相应的时间反演并矢格林函数,继而得到小球阵列近区的时间反演场分布.最后,通过与数值仿真软件的计算结果进行对比,验证了方法的正确性及高效性.研究表明,时间反演技术结合近场亚波长间距小散射体加载能够实现超分辨率的场聚焦.     

基于反演场扩散消除的时间反演多目标成像技术

基于时间反演腔理论,分析了时间反演场存在的聚焦扩散现象.通过对该现象的分析,提出了利用Clean算法进行单频时间反演场扩散消除,进而实现时间反演多目标成像的技术.全波仿真结果表明,该技术能够消除时间反演场扩散的影响,利用单一频率信号实现多目标的成像.最后,分析了时间反演镜的选取对时间反演场的影响,并在此基础上,提出了非理想情况下相应的时间反演镜信号均衡算法,为时间反演多目标成像技术的实际应用提供了有效的支撑.     

基于目标场点法和流函数的磁共振有源匀场线圈设计方法

磁场均匀性是磁共振系统的重要参数,提高磁场均匀性有助于磁共振时域信号的检测和磁共振频域信号分辨率的改善.基于有源匀场连续电流密度分布的思想,采用目标场点法和流函数结合的方法设计匀场线圈,即由毕奥-萨伐尔定律确定磁场分布与电流密度的关系,约束线圈半径和设置约束点后,根据目标场分布逆向求解线圈平面的电流密度分布,再用流函数将电流密度分布离散化处理,得到匀场线圈的绕线位置分布.根据电磁仿真计算结果制作包含一阶与二阶匀场线圈应用于磁共振分析仪,实验验证表明该匀场线圈能有效地改善永磁体核磁共振系统磁场的均匀性.     

基于深度物理启发神经网络的微波波导器件逆设计方法

使用物理启发的神经网络方法求解物理逆问题正成为一种趋势,但仅通过损失函数引入物理信息的方案难以求解.为解决电磁器件逆设计中物理启发神经网络模型不易收敛的问题,本文引出了深度物理启发神经网络.深度物理启发神经网络使用偏微分方程的基本解构成的网络替代传统的前馈神经网络,将数学物理模型嵌入网络结构.这一特点使深度物理启发网络的训练参数具有实际物理意义,相较传统物理启发神经网络拥有更简洁的损失函数,计算效率和稳定性也有明显提升.以二端口波导的散射参数设计为例,数值实验结果表明该方案在保证与设计目标相关性系数大于0.99的同时,最快可在25 s实现器件逆设计,且能够获得多样化的结构设计结果.本文提出的方法为逆物理问题求解构建及神经网络的物理信息嵌入探索提供了新思路.     

基于混合场积分方程的半空间上方金属目标电磁散射特性高效分析

研究一种可以高效求解半空间金属目标电磁散射积分方程方法,电场积分方程适用于任意结构电磁问题分析,但是生成的矩阵条件数大,迭代求解收敛性差;而磁场积分方程生成的矩阵条件数小,迭代收敛性好,但是仅能分析闭合结构问题,本文采用了混合场积分方程方法,同时具备电场积分方程的普适性与磁场积分方程的收敛性.由于混合场积分方程中涉及格林函数的梯度项,为了进一步加快计算效率,本文引入了一种针对半空间格林函数的高效四维空间插值方法,对组成半空间格林函数的索末菲积分进行列表和Lagrange插值,以实现高效的迭代求解,效率在传统混合场积分方程的基础上提高12.6倍.数值结果表明,该方法在保证精度的同时,可以显著降低求解问题的时间.     

时间反演对称和非平衡统计定常态(Ⅰ)

本文是作者从微观量子统计理论出发应用微观可逆性原理讨论非平衡统计定常态普遍性质的第一部份。文中给出了非平衡量子统计格林函数(闭路格林函数)在定常态上关于时间反演对称的表达方式。把生成泛函技术和时间反演对称结合起来,得到了具有时间反演对称性的非平衡统计定常态上统计格林函数和顶点函数所满足的时间反演对称关系。 关键词：     

基于变换光学的椭圆形透明聚集器的设计研究

基于麦克斯韦方程组在不同坐标系下具有形式不变性以及变换光学理论, 通过设计材料的本构参数(介电常数和磁导率)来引导电磁波的传播, 提出了具有电磁透明和电磁聚集两种功能的新型电磁器件-椭圆形透明聚集器的设计方法. 电磁波透明体不会阻挡电磁波的传播并且能够与斗篷内部进行交互; 电磁波聚集器是当电磁波入射到该装置上时, 电磁波能够被设计的装置按照要求集中到一个区域或者一个点, 实现电磁波能量的集中. 本文利用压缩变换和扩展变换推导出了这种电磁器件中各层的相对介电常数和相对磁导率的张量表达式, 并利用基于有限元算法的电磁仿真软件对该电磁器件进行了全波仿真验证, 得到了入射波从各个不同方向入射时磁场z 分量的分布图, 仿真结果证实了该设计方法和电磁参数的正确性. 最后还讨论了电磁器件存在损耗时的情况, 当损耗逐渐增大时, 器件的功能在一定程度上受到了削弱. 本文的设计方法为其他新型电磁器件的设计提供了一种新的思路.     

车辆线缆瞬态电磁脉冲耦合仿真与抑制技术

瞬态电磁脉冲可通过车辆互联线缆耦合至电子系统内部,造成电子设备受扰甚至损毁,研究瞬态防护器件对电磁脉冲的抑制特性可为车辆电磁防护设计与实施提供有力支撑。本文以发动机电控系统为研究对象,考虑关键金属结构、线缆与电子设备,建立发动机电磁仿真模型,计算获取了瞬态电磁脉冲作用下线缆端口耦合干扰特性;基于电磁脉冲注入方法设计并搭建了瞬态防护器件测试平台,获取了瞬态电压抑制器与压敏电阻两类典型瞬态防护器件的响应时间、钳位电压、尖峰泄露等响应特性;在仿真与测试结果的基础上,选取一型瞬态电压抑制器应用于凸轮轴位置传感器信号线的电磁防护。研究结果表明,该型瞬态电压抑制器对线缆瞬态电磁脉冲耦合干扰抑制能力接近20 dB,置于滤波器前端可有效抑制线缆耦合干扰,保护终端设备。     

利用海洋环境噪声估计海流流速

为了观测海流在短时间尺度上的变化,基于被动声层析原理,提出了一种利用浅海海洋环境噪声估计海流流速的方法.通过波束形成增加噪声互相关函数的能量积累,从环境噪声互相关函数提取出两个水平阵列间的经验格林函数,利用经验格林函数的时间到达结构反演阵列间的浅海海流流速.海上实验数据处理结果表明,该方法提取了2h时间平均的经验格林函...     

新型双通道Mach-Zehnder干涉仪多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪可作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中.鉴于一般M-Z干涉仪的稳定性差,不易于调节的缺点,提出一种基于双棱镜结构的新型双通道M-Z干涉仪作为多普勒测风激光雷达鉴频器件.在进行探测原理分析的基础上,利用光学设计软件对其鉴频系统结构进行了参量优化设计和系统仿真.通过设定实验参量并进行光线追迹模拟仿真实验结果,应用反演理论获得了风速值.利用多普勒频移公式计算获得理论风速并与仿真结果进行了对比,结果表明反演仿真风速与理论风速值基本吻合,标准差为0.46m/s.此新型双通道M-Z干涉仪可以作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中,在光路的调节及提高系统稳定性上具有优势.     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

Time reversal and its application to tomography with diffracting sources

An exact time-domain method is proposed to time reverse a transient scalar wave using only the field measured on an arbitrary closed surface enclosing the initial source. Under certain conditions, a time-reversed field can be approximated by retransmitting the measured signals in a reversed temporal order. Exact reconstruction for three-dimensional broadband diffraction tomography (a linearized inverse scattering problem) is proposed by time-reversing the measured field back to the time when each secondary source is excited. The algorithm is verified by a numerical simulation. Extension to the case using Green's function in a heterogeneous medium is discussed.     

Time reversal of elastic waves in soft solids

When a scalar far-field wave is time reversed, it starts to converge toward its initial point source location, then collapses and finally diverges. Without evanescent waves, the symmetric focus spot is limited by the Rayleigh criterion. We present an experimental observation of a time-reversal elastic wave in a soft solid cavity using the transient elastography technique. It is observed that the time-reversed far field wave collapses and gives birth to near fieldlike effects. Elastodynamic Green's functions computation confirms the experimental conclusions: the diffraction limit implies a direction dependant Rayleigh criterion.     

Time reversal of electromagnetic waves

We report the first experimental demonstration of time-reversal focusing with electromagnetic waves. An antenna transmits a 1-micros electromagnetic pulse at a central frequency of 2.45 GHz in a high-Q cavity. Another antenna records the strongly reverberated signal. The time-reversed wave is built and transmitted back by the same antenna acting now as a time-reversal mirror. The wave is found to converge to its initial source and is compressed in time. The quality of focusing is determined by the frequency bandwidth and the spectral correlations of the field within the cavity.     

时间反演脉冲电磁波在双负材料中传播特性研究

利用全时域电磁仿真技术, 对比研究了时间反演脉冲电磁波和脉冲电磁波透过Smith结构双负材料后的时域波形、脉宽压缩以及材料内部空间电场峰值强度分布等时域传播特性. 结果表明：时间反演脉冲电磁波在透过双负材料后, 在初始源激励处表现出良好的时间和空间聚焦特性. 更重要的是, 在双负材料内部, 观测到了电场峰值强度减弱、截面电场峰值强度趋向均衡分布等新型的物理现象. 这些物理现象对发展能够承受大功率新型的双负材料电子器件及其应用系统很有参考研究价值.     

基于时间反转理论的聚焦Lamb波结构损伤成像

从理论和实验上研究了时间反转法在频散和多模式的Lamb波结构健康检测方面的应用.当Lamb波在包含有损伤的板类结构中传播时,损伤的存在表现为一个被动波源.采用分布式传感器网络,基于传递函数的观点,通过推导由损伤这个被动波源产生的时间反转波场幅值的表达式,证实了当观察点位于损伤位置时,时间反转波场的幅值最大.为验证时间反转方法的聚焦效应,提出了一种适合于分布的激励/接收传感器网络的成像方法,该方法可以对损伤定位并近似确定损伤尺寸.结合有限元的实验结果显示了Lamb波检测信号的能量可在损伤处聚焦,表明时间反转     

Time reversal and the inverse filter

To focus ultrasonic waves in an unknown inhomogeneous medium using a phased array, one has to calculate the optimal set of signals to be applied on the transducers of the array. In the case of time-reversal mirrors, one assumes that a source is available at the focus, providing the Green's function of this point. In this paper, the robustness of this time-reversal method is investigated when loss of information breaks the time-reversal invariance. It arises in dissipative media or when the field radiated by the source is not entirely measured by the limited aperture of a time-reversal mirror. However, in both cases, linearity and reciprocity relations ensure time reversal to achieve a spatiotemporal matched filtering. Nevertheless, though it provides robustness to this method, no constraints are imposed on the field out of the focus and sidelobes may appear. Another approach consists of measuring the Green's functions associated to the focus but also to neighboring points. Thus, the whole information characterizing the medium is known and the inverse source problem can be solved. A matrix formalism of the propagation operator is introduced to compare the time-reversal and inverse filter techniques. Moreover, experiments investigated in various media are presented to illustrate this comparison.     

实现散射场强整形的微散射体阵列逆向设计方法

本文提出一种基于全介电微散射体的散射阵列结构逆向设计方法,用以实现散射电场强度整形.该方法基于空域傅里叶变换与角谱变换,从给定目标区域处期望实现的散射场强分布出发,逆向求得所需的感应源,再利用电磁感应源理论,逆向设计微散射体阵列,且只需通过解析计算便能够快速地求取出微散射体阵列的电磁参数值分布.基于提出的逆向设计方法,文中提供了三维情况下的具体算例,实现了给定方形面目标区域的散射场强整形.理论计算结果与全波仿真结果符合良好,表明本文提出的逆向设计方法具有可行性与有效性.     

Focusing of time-reversed reflections

Recently time-reversal techniques have emerged as a new, important and fascinating discipline within wave propagation. Many of the problems involved can best be understood, analysed and optimized based on a random field model for the medium. Here we discuss stable refocusing of second-order time-reversed reflections. This phenomenon may appear as surprising at first. However, we show how it can be understood in very simple terms viewing the wavefield as a stochastic process. We give sufficient conditions on Green's function of the propagation problem for the phenomenon to happen. In particular we discuss acoustic wave propagation in the regime of weak random medium fluctuations and explicitly give the derivation of stable refocusing in this case, illustrating it with numerical examples.     

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介绍了一种广泛应用于离子刻蚀、预清洗和离子束辅助镀膜的阳极层离子源的工作原理,分析了磁场对其性能的影响。给出了线性阳极层离子源磁路的设计。采用ANSYS有限元分析软件对线性阳极层离子源的静态电磁场进行了模拟分析,并与实验结果进行了比较,结果令人满意。通过ANSYS编码对电磁场模拟,可为具体的阳极层离子源的改进设计提供指导。