耦合非线性振子系统的同步研究

研究了考虑振子振幅效应的耦合极限环系统的同步.研究表明，耦合极限环系统的序参量随耦合强度的增加呈现非单调变化，并且出现若干不可微的点；平均频率随耦合强度的变化过程表现为同步分岔树结构；在临界点处出现了相速度的滑移、锁定和相速度差的开关阵发现象，开关阵发的平均周期具有很好的标度关系；振子的平均振幅随相同步的进程实际上是由均匀化逐渐分岔而达到非均匀化的过程，振子振幅的变化范围在临界点处突然减小. 关键词： 耦合极限环系统 同步 振幅效应     

多重耦合振子系统的同步动力学

耦合相振子的同步研究对理解复杂系统自组织协同的涌现具有重要的理论意义.相比于传统耦合振子的两体成对耦合,多重耦合近年来得到广泛的关注.当相振子间的多重耦合机制起主要作用时,系统会涌现一系列去同步突变,这一新颖的动力学特性对理解复杂系统群体动力学提供了重要的理论启示.本文研究了平均场的三重耦合Kuramoto系统的同步动力学,发现了去同步转变具有不可逆性,并利用平均场自洽方法和无序态线性稳定性分析揭示了不可逆去同步突变的动力学机制.进一步研究发现,随着振子自然频率分布半宽度的变化,系统会经历一系列去同步驻波态的转变.在相变临界点,系统在高维相空间会通过鞍结分岔导致同步态失稳而塌缩至稳定的低维不变环面.本文的研究揭示了多重耦合函数作用的振子系统的各种协同态及其相变机制,同时可为理解其他复杂系统(如超网络结构)协同态的动力学转变提供理论借鉴.     

耦合振子系统的多稳态同步分析

本文讨论了一维闭合环上Kuramoto相振子在非对称耦合作用下同步区域出现的多定态现象. 研究发现在振子数N≤3情形下系统不会出现多态现象, 而N≥4多振子系统则呈现规律的多同步定态. 我们进一步对耦合振子系统中出现的多定态规律及定态稳定性进行了理论分析, 得到了定态渐近稳定解. 数值模拟多体系统发现同步区特征和理论描述相一致. 研究结果显示在绝热条件下随着耦合强度的减小, 系统从不同分支的同步态出发最终会回到同一非同步态. 这说明, 耦合振子系统在非同步区由于运动的遍历性而只具有单一的非同步态, 在发生同步时由于遍历性破缺会产生多个同步定态的共存现象.     

二次耦合光力学系统的一类高维可控自持振荡行为

光力学系统通常的耦合是光压耦合, 是光场强度和纳米振子位移的一次耦合, 但在光场很强和振子振幅较大的光力学系统中, 非线性的耦合效应会变得非常明显和重要, 而且其所产生的非线性效应对制造具有特殊功能的光力学器件具有重要意义. 本文在二次耦合模型的基础上研究了光腔和振子之间通过二次耦合作用达到能 量平衡状态时系统所产生的自持振荡现象, 给出了二次耦合光力学系统的一般模型, 并通过数值方法研究了系统的定态行为和远离定态的极限环动力学行为, 标定了系统定态响应的稳定区域到极限环行为的分岔点. 发现在调节输入场参数(改变耦合系数)以及光腔和振子的弛豫系数时, 系统的相空间会出现一些稳定的高维自持振荡极限环. 通过数值分析发现该四维极限环在三维相空间的投影都趋于稳定的三维周期轨道, 并且该极限环轨道会随外部调控参数的改变发生扭动, 出现类似二维李萨如图样的稳定纽结结构. 该现象表明: 通过光场与振子的能量耦合, 利用一定强度的外部驱动可以有效控制振子的定态响应和振动, 可以让微振子锁定在具有一定振幅和频率的自发振动上, 为开发物理器件提供了可靠的光力学控制系统. 关键词： 光力系统 二次耦合 自持振荡 极限环     

基于耦合Duffing振子的局部放电信号检测方法研究

以双向环形耦合Duffing振子系统为对象, 研究脉冲信号激励下耦合振子间动力学行为变化特征时, 发现其与单向环形耦合Duffing振子系统类似, 在一定的参数条件下, 脉冲信号能引起其中一个振子与其他振子运动轨迹间出现短暂失同步的现象即瞬态同步突变现象. 基于这种现象, 提出了一种微弱脉冲信号检测的新方法, 用于检测强噪声背景中的局部放电脉冲信号. 实验测试表明, 利用本文方法对不同放电电极的局部放电脉冲信号进行检测时, 在低信噪比条件下可取得良好的检测效果, 进而扩展了现有的Duffing振子对非周期信号的检测范围及应用领域. 关键词： 耦合Duffing 振子 微弱信号检测 瞬态同步突变 局部放电脉冲信号     

脉冲激励下环形耦合Duffing振子间的瞬态同步突变现象

研究非周期信号激励下Duffing振子动力学行为变化特征时,发现处于倍周期分岔的环形耦合Duffing振子系统,在一定的参数条件下,脉冲信号能引起其中一个振子与其他振子运动轨迹间出现短暂失同步的现象即瞬态同步突变现象.利用这种现象可以快速检测出强噪声背景中的微弱脉冲信号,从而扩展了现有的Duffing振子对非周期信号的检测范围及应用领域. 关键词： 瞬态同步突变 微弱信号检测 脉冲信号 Duffing振子     

一组相互耦合的位相振子的同步和去同步

本文讨论了一组相互耦合的位相振子的同步与去同步行为的过程，每个位相振子的动力学行为用Kuramoto模型来描述。我们讨论了在近邻耦合的情况下，考虑到周期性边界条件，相当于手拉手式的圆环形结构。如果给定适当的初值条件，可以得到由这组位相振子的几何对称分布所决定的分成几个部分的同步行为。在此同步行为的过程中，如果改变其中任意一个位相振子的动力学行为，根据改变程度的不同，     

一类耦合非线性振子同步混沌Hopf分岔及其电路仿真

对于一类同时存在扩散耦合和梯度耦合的非线性振子系统, 通过空间傅里叶变换，得到具有不同波矢的各运动模式的相互独立的运动方程. 计算各横截模的Lyapunov指数, 可在耦合参数平面上确定同步混沌的稳定区域. 在稳定区域边界, 一对共轭横截模式失稳，导致同步混沌的Hopf分岔. 对耦合Lorenz振子系统进行了数值模拟，并设计了耦合Lorenz振子系统的电路, 进行耦合振子系统同步混沌Hopf分岔的电路仿真实验. 计算和仿真的结果表明，Hopf分岔的特征频率等于失稳横截模式的振荡频率. 关键词： 耦合非线性振子 同步混沌 横截模式 电路仿真     

环形耦合Duffing振子间的同步突变

以环形耦合Duffing振子系统为研究对象,分析了耦合振子间的同步演化过程.发现在弱耦合条件下,如果所有振子受到同一周期策动力的驱动,那么系统在经历倍周期分岔、混沌态、大尺度周期态的相变时,各振子的运动轨迹之间将出现由同步到不同步再到同步的两次突变现象.利用其中任何一次同步突变现象可以实现系统相变的快速判别,并由此补充了利用倍周期分岔与混沌态的这一相变对微弱周期信号进行检测的方法. 关键词： Duffing振子 同步突变 相变 微弱信号检测     

化学自催化混沌反应模型中的耦合作用与混沌同步

选用混沌自催化反应作为子系统 ,构造了耦合自催化反应系统 ,研究了耦合变量、耦合系数对混沌动力学行为的影响 ,给出了不同耦合系数下系统的动力学特征 ,探讨了耦合作用机制 .结果表明 ,耦合作用能明显地改变子系统的动力学行为 ,强化系统间的相关性 .耦合后的混沌运动受到调整与抑制 ,耦合强度加大时 ,呈现出混沌运动轨线的周期化 ,耦合系数大于临界值 ,两子系统实现了完全的同步 .不同变量的耦合时 ,影响最大的是第二种变量 .对于三种物质均有耦合时 ,更容易出现混沌的抑制、运动状态的锁相与周期化和混沌的完全同步 .     

Phase synchronization in two coupled chaotic neurons

Chaotically-spiking dynamics of Hindmarsh–Rose neurons are discussed based on a flexible definition of phase for chaotic flow. The phase synchronization of two coupled chaotic neurons is in fact the spike synchronization. As a multiple time-scale model, the coupled HR neurons have quite different behaviors from the Rössler oscillators only having single time-scale mechanism. Using such a multiple time-scale model, the phase function can detect synchronization dynamics that cannot be distinguished by cross-correlation. Moreover, simulation results show that the Lyapunov exponents cannot be used as a definite criterion for the occurrence of chaotic phase synchronization for such a system. Evaluation of the phase function shows its utility in analyzing nonlinear neural systems.     

耦合分数阶混沌振荡器的主-从同步

近年来对分数阶系统的动力学研究得到了较为广泛的关注。本文研究了基于主-从耦合同步法的同步技术并实现了两个耦合的分数阶振荡器的混沌同步。仿真结果表明：在适当的耦合强度的调节下，该方法可实现两个耦合分数阶混沌振荡器的准确同步，且分数阶混沌振荡器的同步率明显慢于整数阶混沌振荡器的同步率；而耦合分数阶混沌振荡器在实现同步的过程中，随着阶数的提高，同步误差曲线变得平滑，这表明，系统阶数的提高改善了耦合混沌振荡器实现同步的平稳性。     

Chaos in symmetric phase oscillator networks

Phase-coupled oscillators serve as paradigmatic models of networks of weakly interacting oscillatory units in physics and biology. The order parameter which quantifies synchronization so far has been found to be chaotic only in systems with inhomogeneities. Here we show that even symmetric systems of identical oscillators may not only exhibit chaotic dynamics, but also chaotically fluctuating order parameters. Our findings imply that neither inhomogeneities nor amplitude variations are necessary to obtain chaos; i.e., nonlinear interactions of phases give rise to the necessary instabilities.     

Synchronization of coupled oscillators on small-world networks

We investigate the synchronous dynamics of Kuramoto oscillators and van der Pol oscillators on Watts-Strogatz type small-world networks. The order parameters to characterize macroscopic synchronization are calculated by numerical integration. We focus on the difference between frequency synchronization and phase synchronization. In both oscillator systems, the critical coupling strength of the phase order is larger than that of the frequency order for the small-world networks. The critical coupling strength for the phase and frequency synchronization diverges as the network structure approaches the regular one. For the Kuramoto oscillators, the behavior can be described by a power-law function and the exponents are obtained for the two synchronizations. The separation of the critical point between the phase and frequency synchronizations is found only for small-world networks in the theoretical models studied.     

Order parameter analysis of synchronization transitions on star networks

The collective behaviors of populations of coupled oscillators have attracted significant attention in recent years. In this paper, an order parameter approach is proposed to study the low-dimensional dynamical mechanism of collective synchronizations, by adopting the star-topology of coupled oscillators as a prototype system. The order parameter equation of star-linked phase oscillators can be obtained in terms of the Watanabe–Strogatz transformation, Ott–Antonsen ansatz, and the ensemble order parameter approach. Different solutions of the order parameter equation correspond to the diverse collective states, and different bifurcations reveal various transitions among these collective states. The properties of various transitions in the star-network model are revealed by using tools of nonlinear dynamics such as time reversibility analysis and linear stability analysis.     

耦合混沌系统的相同步：从高维混沌到低维混沌

混沌系统的相同步现象是近几年混沌同步研究的热点,它反映了混沌运动中的有序行为.用分岔树来研究耦合系统相同步的进程,并用Lyapunov指数谱来探讨系统动力学在相同步时从高维混沌向低维混沌过渡的进程.发现了从多个有理同步的时间交替到完全相同步的道路.还 发现了相同步中的混沌抑制及通过倍周期分岔向混沌同步的恢复.此外,研究表明,非对称 耦合可以大大加强耦合系统的相同步,这对实际应用有重要的意义. 关键词： 相同步 分岔树 李指数     

Phase synchronization between collective rhythms of globally coupled oscillator groups: noisy identical case

We theoretically investigate the collective phase synchronization between interacting groups of globally coupled noisy identical phase oscillators exhibiting macroscopic rhythms. Using the phase reduction method, we derive coupled collective phase equations describing the macroscopic rhythms of the groups from microscopic Langevin phase equations of the individual oscillators via nonlinear Fokker-Planck equations. For sinusoidal microscopic coupling, we determine the type of the collective phase coupling function, i.e., whether the groups exhibit in-phase or antiphase synchronization. We show that the macroscopic rhythms can exhibit effective antiphase synchronization even if the microscopic phase coupling between the groups is in-phase, and vice versa. Moreover, near the onset of collective oscillations, we analytically obtain the collective phase coupling function using center-manifold and phase reductions of the nonlinear Fokker-Planck equations.     

Synchronization and propagation of bursts in networks of coupled map neurons

The present paper studies regular and complex spatiotemporal behaviors in networks of coupled map-based bursting oscillators. In-phase and antiphase synchronization of bursts are studied, explaining their underlying mechanisms in order to determine how network parameters separate them. Conditions for emergent bursting in the coupled system are derived from our analysis. In the region of emergence, patterns of chaotic transitions between synchronization and propagation of bursts are found. We show that they consist of transient standing and rotating waves induced by symmetry-breaking bifurcations, and can be viewed as a manifestation of the phenomenon of chaotic itinerancy.     

Collective phase sensitivity

The collective phase response to a macroscopic external perturbation of a population of interacting nonlinear elements exhibiting collective oscillations is formulated for the case of globally coupled oscillators. The macroscopic phase sensitivity is derived from the microscopic phase sensitivity of the constituent oscillators by a two-step phase reduction. We apply this result to quantify the stability of the macroscopic common-noise-induced synchronization of two uncoupled populations of oscillators undergoing coherent collective oscillations.