一维Marchenko自聚焦算法的数值解与解析解研究*

Marchenko自聚焦算法可以构造介质表面到介质内任一点的格林波场,这种算法仅仅需要边界上单边记录的反射响应和介质内任一点到介质表面的直达波数据。为了研究算法构造期望波场的具体过程,本文分别在数值解和解析解模型中求解耦合Marchenko方程组,利用解析解模型中的序列构造解释数值解中波形产生的具体原因。方程求解过程主要包括一维时域卷积和利用时间窗算子的截断效应求取聚焦函数和格林函数,其中卷积过程可以解释为利用聚焦函数来调制单边记录的波场相位。     

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利用函数及其高阶导数值构造五次插值函数近似网格单元内的真实解,改进数值求解双曲类偏微分方程的CIP数值算法。基于之前的一维高阶CIP数值算法思想,不同于利用时间分裂技术,发展了二维高阶CIP数值算法。改进后的算法具有五阶数值精度和显示格式的优点。     

谱域光学相干层析系统中基于解卷积方法的像质优化

谱域光学相干层析（spectral domain optical coherence tomography, 简记为SD-OCT）系统的轴向点扩散函数（point spread function, 简记为PSF）并不具备空不变特性,无法直接应用于解卷积运算.为实现SD-OCT系统成像质量基于解卷积算法的优化,本文采用数值校正后的轴向扫描信号和轴向有效PSF来实施基于Lucy-Richardson算法的解卷积运算,进而实现了SD-OCT系统中图像质量尤其是轴向分辨率的改善.本文理论分析了SD-OCT系统中导致轴向有效PSF随成像深度增大而下降和图像模糊的因素,阐述了利用解卷积算法实现图像质量优化的过程,基于建立的SD-OCT系统实施了不同成像深度位置处PSF的标定,并利用离散轴向位置处PSF的峰值拟合了轴向有效PSF的调制函数.利用调制函数对所有轴向扫描信号进行数值校正,然后根据轴向有效PSF进行解卷积算法.典型样品的解卷积图像重建结果表明,提出的解卷积方法能有效提高系统的轴向分辨率,同时有效抑制系统灵敏度随成像深度增大而下降的趋势. 关键词： 谱域光学相干层析 Lucy-Richardson解卷积 有效点扩散函数     

谱域光学相干层析系统中基于解卷积方法的像质优化

谱域光学相干层析（spectral domain optical coherence tomography, 简记为SD-OCT）系统的轴向点扩散函数（point spread function, 简记为PSF）并不具备空不变特性,无法直接应用于解卷积运算.为实现SD-OCT系统成像质量基于解卷积算法的优化,本文采用数值校正后的轴向扫描信号和轴向有效PSF来实施基于Lucy-Richardson算法的解卷积运算,进而实现了SD-OCT系统中图像质量尤其是轴向分辨率的改善.本文理论分析了SD-OCT系统中导致轴向有效PSF随成像深度增大而下降和图像模糊的因素,阐述了利用解卷积算法实现图像质量优化的过程,基于建立的SD-OCT系统实施了不同成像深度位置处PSF的标定,并利用离散轴向位置处PSF的峰值拟合了轴向有效PSF的调制函数.利用调制函数对所有轴向扫描信号进行数值校正,然后根据轴向有效PSF进行解卷积算法.典型样品的解卷积图像重建结果表明,提出的解卷积方法能有效提高系统的轴向分辨率,同时有效抑制系统灵敏度随成像深度增大而下降的趋势.     

辛几何算法在计算非磁化等离子体中波传播轨迹时的应用

为了在数值计算中保持哈密顿系统的辛几何结构不变,利用辛几何算法得到了在线性哈密顿系统中射线追踪方程的一般辛差分格式。通过具体算例,利用辛几何算法计算了波在非磁化等离子体中的传播轨迹,并且与传统Runge-Kutta-Fehlberg算法所得结果进行了比较。利用辛几何算法所得传播轨迹与解析解一致,其色散函数值的误差随时间线性增长,能在长时间内保持色散函数值在一个很小的误差范围内。利用传统的Runge-Kutta-Fehlberg算法所得传播轨迹与解析解不一致,其误差随时间做大幅振荡增加。计算结果表明辛几何算法在保持传播轨迹和色散函数值方面具有独特的优势。     

辛几何算法在计算非磁化等离子体中波传播轨迹时的应用

为了在数值计算中保持哈密顿系统的辛几何结构不变,利用辛几何算法得到了在线性哈密顿系统中射线追踪方程的一般辛差分格式。通过具体算例,利用辛几何算法计算了波在非磁化等离子体中的传播轨迹,并且与传统Runge-Kutta-Fehlberg算法所得结果进行了比较。利用辛几何算法所得传播轨迹与解析解一致,其色散函数值的误差随时间线性增长,能在长时间内保持色散函数值在一个很小的误差范围内。利用传统的Runge-Kutta-Fehlberg算法所得传播轨迹与解析解不一致,其误差随时间做大幅振荡增加。计算结果表明辛几何算法在保持传播轨迹和色散函数值方面具有独特的优势。     

水平变化双层波导声传播问题的耦合简正波解

为了验证现有模型的精度,导出了全反射下边界双层波导中简正波耦合矩阵的解析表达式,并将其应用到全局矩阵耦合简正波模型(Direct Global Matrix Coupled-Mode)中,使得该模型可以提供水平变化双层波导问题的标准解。文中首先利用COUPLE的简正波及耦合矩阵数值解验证了该简正波及耦合矩阵解析表达式的正确性;其次,采用改进的DGMCM模型求解了双层波导海山声传播损失,结果表明,改进后的DGMCM模型可以非常精确地求解水平变化双层波导问题,可作为求解此类问题的标准模型使用。     

多网格谱元法及其在高性能计算中的应用*

针对传统谱元法在每个单元内只能存在单一均匀介质,应用在复杂非均匀介质的波传播模拟中可能造成极大计算规模的问题,发展了多网格谱元法。该方法在谱元法单元内引入独立的辅助网格,用于精细描述单元内的介质和外力分布变化,在较稀疏的主网格上进行波场的求解。基于声波和弹性波方程推导了多网格谱元法公式,并对几种典型模型进行了波场的数值模拟。与传统谱元法的对比结果表明,此算法在复杂非均匀介质的弹性波传播模拟中可以利用较少的网格点数达到不低于传统算法的精度。此外,实现了并行化的多网格谱元法,获得了较好的并行效率。     

一维非稳态多层介质导热问题的研究

本文针对一维非稳态多层介质的导热问题,建立了导热的数学模型,通过数值解代替解析解的方法,求得导热过程中的温度分布的情况。首先,建立各层介质热传导的偏微分方程,确定了该方程的定解条件,从而得到了一维非稳态多层介质导热的数学模型。其次,由于偏微分方程的解析解难以求解,所以利用差分法将偏微分方程的解析解用数值解代替,再运用Crank-Nicolson方法将差分后的方程转化为三对角线性方程组,利用追赶法进行求解。最后,将所建立的导热模型运用到实例中,验证了该模型的实用性和可行性。     

远近场混合源的波束解卷积定位

提出了定位远近场混合源的波束解卷积技术,针对非相干远近场混合声信号的线列阵观测结果,推导了其常规波束形成(CBF)空间谱中固有的广义二维卷积数学关系,利用Richardson-Lucy算法实现波束能量聚焦以获得近场目标的精确空域参数估计,通过混合源协方差矩阵向近场流形的正交补空间投影操作提取远场分量,并分析得到其内在的一维卷积关系,然后通过角度域波束解卷积进行远场信号的波达估计。仿真分析表明,所提方法提升了CBF谱的空域分辨力,通过投影映射隔离近场分量后实现了混合源的分离。与现有方案相比,所提算法针对远场信源可实现10 dB的背景噪声级抑制。     

时间无卷积广义主方程中核函数的精确解和高阶微扰展开:在自旋-玻色模型和激发态能量转移中的应用（英文）

时间无卷积量子主方程是量子系统与热库耦合的约化动力学模拟的重要工具.时间无卷积主方程的核心是核函数(或产生函数),它描述了热库自由度的作用.由于时间无卷积主方程中核函数的精确值通常很难解析求解,实际应用时间无卷积主方程时多采用二阶或四阶微扰法对其进行求解.本文利用级联方程及其拓展方程,提出了一种计算时间无卷积主方程核函数精确值和高阶微扰展开的新方法,并将该方法应用到不同参数下的自旋-玻色模型中,测试了核函数高阶展开的收敛性.此外,本文还讨论了在自旋-玻色模型中以及FennaMatthews-Olson复合物激发态能量转移中核函数的精确解出现奇异性的情况.     

模拟短脉冲激光在介质中传输的扩散综合有限元法

建立有限元模型,通过求解瞬态辐射传输方程模拟短脉冲激光在半透明介质中的传输.针对散射占优性半透明介质内辐射传输求解效率较差的问题,采用扩散综合加速迭代算法,提高计算效率,缩短计算时间.结果表明:采用精确解析式描述脉冲激光散射源项的求解策略可以获得准确的计算结果,精确地模拟快速变化的波前,不会产生数值扩散和数值振荡.此外,扩散综合迭代算法的计算时间仅为源项迭代的50%~60%.     

水平薄层包围的流体井孔中声波场的数值模拟

针对声波测井薄层探测的需要,用半解析方法求解了地层为水平多层介质时柱状井孔内脉冲点源激发的声场。通过模式解求出了层间的广义反射矩阵,使得各水平区域的场用层间的广义反射矩阵表出,最后给出了井外为。层介质的形式解,并在井外为三层介质出现一薄层时,对接收器纵向位置位于层下、层间和层上记录的波形进行了数值模拟,得到了首波波至的正确显示。讨论了薄层对波至与幅度的影响。     

射线追踪、辛几何算法与波场的数值模拟

论述了射线追踪、辛几何算法与波场的数值模拟之间的关系,说明了辛几何算法长时间守恒性质及运用辛几何算法进行射线追踪的必要性.对线性层状模型,利用辛几何算法和Maslov渐近理论对波场进行了数值模拟,并与解析解进行了比较.     

用复变反三角函数变换求共焦点椭圆柱形电容器的电势及电容

利用复变解析函数性质,通过反余弦复变函数变换,在w平面上求解二维静电场的边值问题,从而求得共焦点椭圆柱形电容器内任一点的电势和单位长度的电容,并作了进一步讨论．     

谐振腔链色散关系及场分布的解析研究

从圆柱坐标系下的Borgnis位函数的齐次标量Helmholtz方程出发,引入慢波驻波概念及其场 表达式,利用Borgnis位函数的边界条件及相邻子区公共界面上的场匹配条件,导出了整腔 结尾的谐振腔链内角向均匀TM模的色散关系及场分布的解析表达式.运用该解析法对实际器 件——四腔渡越管振荡器进行了求解,求得的谐振频率与实验中测得的微波频率一致,求得 的场分布与数值法得到的场分布十分符合. 关键词： 谐振腔链 色散关系 场分布 解析法     

非局域非线性介质中多极表面光孤子的解析解及其稳定性分析

本文主要对非局域非线性介质中存在的多极表面亮孤子进行了研究. 理论研究表明多极表面孤子也可以被看做是具有反对称振幅分布的体孤子的一半, 由此我们可以给出多极表面孤子的解析解. 其次, 用数值计算的方法给出了它的数值解, 比较结果表明数值解与解析解基本符合. 最后, 研究了本模型下的多极表面孤子的稳定性, 发现二极表面孤子的不稳定区间比四极体孤子的不稳定区间小, 另外, 二极以上的表面孤子皆不稳定.     

等离子体非相对论性平均原子模型中类氢波函数

详述等离子体中非相对论性平均原子模型的诸方程,给出整个方程系统的求解步骤、数值技巧以及程序设计的具体细节.将变分法和试验势法得到的半解析结果与完全数值解以及略有差异的模型得到的数值解进行比较,指出该模型及其算法的优点和不足.     

刚性对称陀螺分子Stark效应的精确解

提出了一种精确求解位于外电场中刚性对称陀螺分子转动能级和相应解析波函数的新方法.首先利用不同形式的函数变换和变量代换将位于外电场中对称陀螺分子的极角θ方向的方程转化为合流Heun微分方程,然后根据合流Heun微分方程和合流Heun函数具有的特点,找到描述同一本征态的线性相关的两个解,构造Wronskian (朗斯基)行列式,得到精确的能谱方程.最后利用Maple软件计算出不同量子态的本征值,再将得到的本征值代入本征函数进行归一化运算最终得到用合流Heun函数表示的解析的归一化本征函数.这些结果可为深入研究对称陀螺分子的Stark效应提供有益的帮助.     

水平层状介质中电磁场并矢Green函数的一种快速新算法

本文利用提取直射波并结合自适应数字滤波等技术提出一种计算水平层状介质中电磁场并矢Green函数的快速算法. 首先将谱域Green函数中表征均匀介质作用的直射波提取出来并对其积分进行解析计算,这种处理降低了谱域Green函数的奇异性,可在很大程度上缩短其积分收敛区间. 然后在将谱域Green函数剩余部分对应积分转化为三个快速下降积分的基础上,引入一种自适应数字滤波算法对其进行快速求解. 最后通过具体算例验证了本文所述算法的有效性. 关键词： 并矢Green函数 快速算法 水平层状介质