基于X射线的新一代深空无线通信

在空间无线通信的研究应用方面,微波和激光通信技术已比较成熟,但是也存在传输距离、通信速率有限等瓶颈问题,严重制约未来的深空应用.X射线由于波长短、穿透能力强,当X射线光子能量大于10keV(λ＜0.1nm)时,在太空中几乎是无衰减的传输.因此可望在较小的体积、重量、功耗下实现远距离太空传输.然而,在我国对于X射线通信的应用研究目前尚属空白,美国航空航天局也刚刚提出并将此技术称为“革命性的概念”.因此,利用X射线作为信息载体的新概念空间通信方法的研究具有重要的科学意义及应用前景,X射线通信技术不仅将对已有的微波和激光通信技术起到很好的补充,而且还能在微波和激光受到屏蔽的通信场合发挥独特作用.开展基于X射线的深空无线通信技术研究,主要包括开展X射线空间通信的传输理论研究,开展大功率、宽频带(GHz)X射线脉冲调制发射技术的研究,开展快速、极微弱X射线探测技术的研究,开展X射线深空通信的捕获、跟踪与对准技术的研究,以及开展高效率纠错编码理论与技术的研究.     

一种基于核特征空间的鲁棒性高光谱异常探测方法

传统高光谱异常探测器的背景统计信息易受异常目标干扰,鲁棒性较差,且难以探测非线性混合的异常目标.针对此问题,运用核特征投影理论,在异常探测器的背景信息构建中引入鲁棒性分析方法,提出了一种在核特征空间中具有鲁棒性的异常探测方法.该方法可以在不需要确定具体的非线性映射函数下,将高光谱数据从低维空间映射到高维特征空间,背景和目标在特征空间中可以用线性模型表示,并在特征空间中构造鲁棒性的探测器.该方法揭示了地物光谱间的高阶特性,可以较好地反映地物分布复杂的目标光谱特性.通过高光谱真实影像和模拟数据的实验证明:1)本文提出的异常探测方法具有更优的受试者工作特征曲线和曲线下面积统计值,目标和背景的分离度更大;2)在核特征空间内,排除异常目标对背景统计信息的干扰,有助于进一步提高探测准确度;3)特征提取可以更好地利用目标和背景的光谱区分性,是异常探测的重要步骤.     

超高速撞击产生的等离子体特性研究

采用理论分析和数值模拟方法,对超高速撞击过程中产生的等离子体特性进行了研究。首先,结合热力学和统计物理理论,建立热电离物理模型,推导出热平衡等离子体电离度与温度的关系;进而由热平衡状态下的速度分布,获得等离子体电导率与温度的关系;最后,建立铝弹丸撞击靶板的三维有限元模型,模拟出弹丸以6.0km/s的初速度、60°入射角斜撞击平板的全过程,给出物理模型中所需的物理参数,分析了超高速撞击过程中产生的等离子体特性。通过对比物理实验中测得的等离子体参数,表明模型预测结果与实验结果具有较好的一致性,验证了该模型的有效性。     

基于权重的子孔径拼接优化算法研究

为了提高大口径光学元件面形拼接检测准确度,减少传统子孔径拼接算法带来的误差传递和积累,并在原有全局优化拼接算法的基础上引入权重系数,使全口径内各相邻子孔径之间的重叠区域达到最优匹配,使拼接误差最小化.利用该优化算法对平面进行了多孔径拼接仿真模拟,在此基础上对150mm口径的平面镜进行了实验,并提出基于图像边缘轮廓特征提取的子孔径定位新方法,分析了影响拼接误差的因素.仿真和实验结果均证明了基于权重的全局优化拼接算法的有效性和可行性.     

爆炸载荷下X70钢管道的局部破坏效应

对大直径X70钢油气管道在接触爆炸下的破坏效应进行了野外化爆实验,获得了不同装药量及不同壁厚条件下钢管道的接触爆炸破坏特征。实验结果表明:接触爆炸载荷作用下管壁迎爆面局部破坏明显,且呈花瓣形破口,同时产生具有较大质量和动能的爆炸破片,破片与对面管壁碰撞后形成凹坑,甚至发生贯穿现象。基于动力有限元程序LS-DYNA及Lagrangian-Eulerian耦合方法,对钢管在外接触爆炸载荷作用下的非线性动态响应过程进行三维数值模拟,得到管壁迎爆面的变形破坏及对面管壁在爆炸破片碰撞下的后效作用过程,计算结果与实验结果符合良好。研究结果为在役油气管道的抗爆能力分析及安全性评估提供了参考依据。     

磁诱导三维拓扑绝缘体波导中的导模

在三维拓扑绝缘体表面上外加铁磁条形成的磁势垒量子阱,通过控制入射电子能量,使得入射电子波限制在势阱中传播,并由波函数的连续性求得磁诱导三维拓扑绝缘体波导的色散方程.由于此方程是超越方程,不能解析求解,因此本文采用图解法求解色散方程的解.研究表明:在入射电子能量大于磁势垒和小于磁势垒的情况下,都能够形成波导;当入射电子的能量大于磁矢势时,波导能够支持基模,而且模式阶数也依次递增;而当入射电子能量小于磁矢势时,波导能够承载的导模数量有所减少.通过研究波导中导模几率密度的空间分布,发现三维拓扑绝缘体表面上磁场诱导的电子波导能够很好地束缚电子,而且低阶模对电子的束缚能力强于高阶模.此外,本文也推导出了波导的几率流密度分布的公式.     

杂化X射线探测器的优势与进展（英文）

占主导地位的X射线探测器主要分为直接半导体型X射线探测器和间接闪烁体型X射线探测器。近年来,杂化X射线探测器通过结合半导体和闪烁体材料的优势而出现。作为活性层的混合半导体和闪烁体导致了不同的工作机制。两相之间电荷/能量转移可以避免闪烁体的余辉效应。并且闪烁体的存在也优化了半导体材料的性能。本文总结了杂化X射线探测器的机制、进展和协同效应,以突出杂化X射线探测器的优势。根据不同的工作机制和各自的特点,我们详细讨论了三种类型的杂化X射线探测器。最后,我们对杂化X射线探测器存在的局限性和未来的发展方向进行了展望。     

战斗部装药冲击损伤及热点形成的数值分析

针对战斗部装药侵彻安定性这一难点问题,通过研究战斗部侵彻过程中内部装药损伤破坏与热点形成的关系,建立了耦合宏观力学变形与微裂纹损伤演化的粘弹性炸药本构关系以及裂纹摩擦生热细观模型。利用建立的数理模型,分析了在侵彻环境下装药内部热点的生成机理,比较不同侵彻环境对热点生成的影响。该战斗部装药侵彻安定性数值模拟方法,可用于战斗部装药的设计及评估。     

基于双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料

基于左手介质的传输线理论,经过估算尺寸后设计出相应的结构并仿真得到散射参量,然后利用Smith的参量提取方法提取有效介电常量、有效磁导率和折射率,对一种双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料的传输特性和电磁参量特性进行分析.数值仿真结果表明,该结构在48.8～59.9GHz频带内有效介电常量和有效磁导率均为负值,同时在该频率范围内具有负折射特性,从而证实了该结构在U波段的左手特性,对左手介质在更高波段的研究具有一定的参考意义.     

基于像散法的线阵CCD相机检焦技术

航天立体测绘相机受卫星发射过程的振动、冲击以及复杂的空间环境的影响,相机的靶面将不同程度地偏离相机的焦平面,导致图像分辨率下降.对于测绘相机,其主点位置和主距变化量直接影响地面目标定位准确度.为了弥补利用编码器进行检焦的不足,提出了一种基于像散量的检调焦方法.该方法采用四象限光电探测器测量相机靶面变化引起的像散量,参照已标定的靶面位置与像散量之间的关系,计算出靶面偏离相机焦平面的实际大小和方向.这种检焦方法包含引起相机靶面离焦的所有因素,试验结果表明,基于像散法的测绘相机调焦机构的分辨率可达0.025mm.     

斯托克斯矢量法在全光纤电流传感器中的应用

针对目前全光纤电流传感器中光信号检测环节多是采用双路光强分析偏振度这一现状,提出将斯托克斯矢量法应用于光纤电流传感器信号偏振度的演变分析,在近似条件下,推导得到基于穆勒矩阵的光纤电流传感器简化传输矩阵.从琼斯矢量法和实验结果的比较可知,斯托克斯矢量法与琼斯矢量法的模拟效果十分接近,此外它还具有传输矩阵中不存在复数、容易简化为稀疏矩阵以及最终偏振度只需计算总传输矩阵的第2个对角元即可等运算优势.这些优势使得该方法不仅可以很好地进行理论分析,还可以有效地简化分析过程和运算过程.     

一种新型左手材料的设计和特性研究

通过对左手材料的理论分析,设计了一种宽频带左手材料结构单元.该结构单元由一个矩形闭合环和十字型结构构成的谐振器和金属线组合而成.这种新结构中的谐振器实现负磁导率,金属线实现负介电常量,经过合理的设计,可以在某一频段内使得磁导率和介电常量同时为负,即具有负的有效折射率和正的波阻抗.数值仿真结果表明:在其工作频段内存在一个通带并且在17.6～29.0GHz频率范围内折射率实部为负,而虚部接近于零;同时在该频率范围内波阻抗实部大于零,从而说明了该左手材料具有左手特性.除此之外,相对左手带宽达到48.9%,远远优于传统的左手材料.     

X射线探测器的研究现状与展望

X射线影像设备广泛应用于医疗健康、工业无损探测等领域。当X射线穿过不同密度和厚度的人体组织或者工件时,X射线被吸收的程度不同,人们通过X射线强度的变化及分布情况可以诊断一些肉眼不可见的疾病或者检测工件内部各种宏观或微观缺陷的性质、大小及分布。近年来,如何设计空间分辨率更高、X射线使用剂量更低、成本更低的X射线影像设备是各大X射线影像设备公司以及本领域科研人员的研究目标。文章主要从X射线探测器的结构和材料角度出发,回顾了X射线探测器的发展,讨论了不同探测材料对于X射线的吸收以及探测性能,最后展望了X射线探测器的未来发展方向。     

粉末药型罩的材料密度对聚能射流性能的影响

为研究粉末药型罩的材料密度对其所形成的聚能射流的影响,借助Birkhoff定常模型和Gurney压垮速度理论,计算了相同装药条件下药型罩密度与其所形成的聚能射流速度、射流微粒动量与动能的关系曲线。在相同装药结构下,对W、Cu质量配比分别为0.5∶0.5和0.4∶0.6的两种W-Cu粉末药型罩,进行了射流速度测定和破甲威力实验研究。计算结果与实验结果吻合较好,表明借助Birkhoff定常模型和Gurney压垮速度理论所计算的射流密度、射流微粒动量及动能与药型罩密度的关系曲线具有一定的参考价值,增大粉末药型罩密度可有效提高聚能射流的破甲威力。     

用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计

大相对孔径宽视场成像光谱仪已成航天、航空遥感的迫切需求,要求其望远镜具有大相对孔径、宽视场和像方远心、成像质量高等特点.以同轴三反望远镜的几何成像理论为基础,研究了大相对孔径、宽视场远心离轴三反望远镜的光学设计问题,并且编制了初始结构计算程序.采用视场离轴方式设计了一个波段范围200～1 000nm,焦距210mm,相对孔径1∶2.5,线视场14°的远心离轴三反望远镜,主镜和三镜为6次非球面,次镜为二次曲面.点列图直径的均方根值小于16μm,80%的能量集中在一个像元以内,在奈奎斯特空间频率22.2lp/mm处,调制传递函数大于0.75,畸变小于0.2%,各项指标均满足应用要求.     

X射线偏振探测器中的极化光电过程模拟

采用蒙特卡罗程序Geant4模拟2～10 keV线偏振X射线光子在几种常用工作气体中的极化光电过程,明确了光电子出射位置、方位角分布与入射光子偏振方向、能量之间的响应关系。光电子的出射方向在入射光子偏振方向上的分布概率最高,且出射光电子的方位角分布可近似为余弦平方函数。光子能量增大时,各角度光电子计数不同程度地减少,但都呈现出在方位角为0或π（-π）时有极大值的统计规律。此外,揭示并量化了气体厚度、气体组成、气体体积分数之比和光子能量对探测效率的影响规律。气体厚度越大、平均原子序数越大,则探测效率越高。光子能量增大会导致探测效率降低,而对于由Xe或Ar组成的工作气体,当光子能量大于某壳层电子结合能时,由于相应壳层电子开始被弹射出,探测效率会有一定程度的提高。这些结果可为X射线偏振探测器的结构设计提供理论依据和数据支持。     

用X射线探测火球

长期以来,困惑着科学家们的一个问题是,在雷暴来临时,有时会出现并飘浮于天空中的火球究竟是什么？有人认为是一个放电体,有人认为是一个自持体（self-containedobject）．总之并无定论．另一方面,在全世界有数以千计的观察者曾亲眼目睹过这种自然现象,但他们的艘述却是各色各样的,按他们的说法,火球直径的大小可以从几厘米到几米,颜色有红色、白色和蓝色,     

分层数对Q235钢薄板抗侵彻性能的影响

利用轻气炮进行卵形头、平头以及半球形头杆弹正撞击等厚接触式叠层靶实验,得到这3种结构的初始速度-剩余速度曲线以及弹道极限,对回收靶体进行分析,研究分层数对叠层靶抗侵彻性能和失效模式的影响。结果表明:对于延性金属薄板,分层结构降低靶体的弹道极限,单层板的抗侵彻性能高于叠层板的抗侵彻性能。对于平头弹和卵形头弹,弹道极限随分层数的增加而降低;对于半球形头弹,弹道极限随分层数的增加先降低后升高;分层数对弹道极限的影响随弹体初始撞击速度的增加而减小。