混响室的概率统计分析方法及其蒙特卡罗模拟

提出了一种研究混响室问题的理论分析方法,从理想混响室的离散概率模型出发,采用蒙特卡罗模拟来获得室内电磁场量及其相关物理量的概率统计特性。运用该方法获得了混响室内若干场量（均为归一化值）的概率密度函数、室内一段均匀无耗单导体传输线的负载平均耦合截面及负载电流响应模值的概率分布,所得结果与已有文献给出的结果（包括由解析公式计算或测量所得的结果）吻合良好。由于蒙特卡罗方法的普适性,采用该方法可以获得任意待分析参量的全部概率统计特性（只要样本数足够大）。同时该方法无需针对具体混响室进行,只要在其测试区域能较好地与理想混响室的基本概率模型相吻合,就能给出较精确的计算结果,且其计算量远远小于基于全波分析的蒙特卡罗方法。     

混响室的混沌特性及其场统计分布

采用有限元数值方法计算了理想和实际结构混响室的本征频率,将其本征频率间隔分布与量子混沌理论不同系综的理论分布进行对比分析,证明了实际结构混响室的系综为高斯正交系综,混响室为混沌系统。在此基础上,利用随机平面波假设将理想金属混响室内电场矢量本征函数表示为随机平面波的线性叠加,进而将混响室内电场表示为与横电磁波两种可能的极化方式对应的矢量本征函数展开式。根据矢量本征函数的概率分布得到了电场任一笛卡尔坐标分量服从2自由度的Rayleigh分布,总场服从6自由度的Rayleigh分布。用ETS HI-6105光纤电场探头对某混响室进行了电场分量值测量,比较了测量数据与理论模型的累积概率分布。结果表明,试验结果与理论模型符合较好,证明了电场统计分布模型的有效性。     

混响室的混沌特性及其场统计分布

采用有限元数值方法计算了理想和实际结构混响室的本征频率,将其本征频率间隔分布与量子混沌理论不同系综的理论分布进行对比分析,证明了实际结构混响室的系综为高斯正交系综,混响室为混沌系统。在此基础上,利用随机平面波假设将理想金属混响室内电场矢量本征函数表示为随机平面波的线性叠加,进而将混响室内电场表示为与横电磁波两种可能的极化方式对应的矢量本征函数展开式。根据矢量本征函数的概率分布得到了电场任一笛卡尔坐标分量服从2自由度的Rayleigh分布,总场服从6自由度的Rayleigh分布。用ETS HI-6105光纤电场探头对某混响室进行了电场分量值测量,比较了测量数据与理论模型的累积概率分布。结果表明,试验结果与理论模型符合较好,证明了电场统计分布模型的有效性。     

多物理耦合计算中动态输运问题高效蒙特卡罗模拟方法

多物理耦合计算在众多领域都有重要应用.如果其包含粒子输运过程,用蒙特卡罗方法模拟粒子输运常占据大部分的计算时间,因此多物理耦合计算中动态输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法意义重大,其不可避免地依赖于大规模并行.基于动态输运问题的特点,本文提出了两种新方法:一是针对输运燃耗耦合计算的新型计数规约算法;二是动态输运计算样本数自适应算法.两种算法都能在保持计算结果基本不变的前提下使计算时间大幅减少,从而提高了效率.     

基于多项式混沌方法的场线耦合响应不确定度量化

在传输线场线耦合的计算中,由于辐射场可能从不同方向入射,入射方位角和入射仰角会在一定范围内变化,可以将其看作不确定变量,因此传输线的响应也呈现出不确定性。针对输入参数服从非典型分布的情况,应用多项式混沌方法对传输线场线耦合频域响应进行不确定度量化。结合入射方位角和仰角的物理意义,给出其服从的分布类型并构建相应的正交多项式基底,并对该模型的传输线方程进行多项式混沌展开。最后结合含两个不确定参数的传输线场线耦合算例,给出远端电流响应的统计信息,对比蒙特卡罗方法,验证了该方法的正确性和高效性。     

短脉冲激励的混响室设计

根据理想封闭矩形腔体内电磁场表达式,分析了对混响室内场特性有影响的因素;结合混响室的参数要求,对混响室模型的设计进行了研究,并确立了适用于短脉冲激励下的混响室的场均匀性分析指标;通过对比电场分布的均匀性,重点研究腔体形状和源搅拌方法对腔体内场分布的影响,采用连续10次移动激励源的方法可以将场分布标准差降低约0.4 dB。数值模拟结果表明：采用类似复杂腔的结构,在矩形腔的基础上引入若干复杂结构,可以有效地提高场分布的均匀性,有利于在腔内构造均匀的电磁环境;证明了连续移动激励源位置这一源搅拌方法的可行性,通过该方法可以有效地提高场分布的均匀性。     

短脉冲激励的混响室设计

根据理想封闭矩形腔体内电磁场表达式,分析了对混响室内场特性有影响的因素;结合混响室的参数要求,对混响室模型的设计进行了研究,并确立了适用于短脉冲激励下的混响室的场均匀性分析指标;通过对比电场分布的均匀性,重点研究腔体形状和源搅拌方法对腔体内场分布的影响,采用连续10次移动激励源的方法可以将场分布标准差降低约0.4 dB。数值模拟结果表明:采用类似复杂腔的结构,在矩形腔的基础上引入若干复杂结构,可以有效地提高场分布的均匀性,有利于在腔内构造均匀的电磁环境;证明了连续移动激励源位置这一源搅拌方法的可行性,通过该方法可以有效地提高场分布的均匀性。     

频率搅拌嵌套混响室场分布的统计特性

为明确频率搅拌方式下嵌套混响室内的场分布,在混响室电磁统计特性的基础上,对嵌套小室内外的场分布进行了理论研究,重点对小混响室开窗大小对场分布的影响进行了分析。当窗口为电大尺寸时,小混响室内外均服从瑞利分布;为电小尺寸时,参考车-车链路通信的统计特性,小混响室内部应满足双瑞利分布。在某大型混响室内,借助矢量网络分析仪,通过测试收、发天线间的散射参数S21,实现了样本数据的快速采集,并将样本数据与理论分布模型进行了拟合优度检验（KS检验）,检验结果证明了假设分布的正确性。     

频率搅拌嵌套混响室场分布的统计特性

为明确频率搅拌方式下嵌套混响室内的场分布,在混响室电磁统计特性的基础上,对嵌套小室内外的场分布进行了理论研究,重点对小混响室开窗大小对场分布的影响进行了分析。当窗口为电大尺寸时,小混响室内外均服从瑞利分布;为电小尺寸时,参考车-车链路通信的统计特性,小混响室内部应满足双瑞利分布。在某大型混响室内,借助矢量网络分析仪,通过测试收、发天线间的散射参数S21,实现了样本数据的快速采集,并将样本数据与理论分布模型进行了拟合优度检验(KS检验),检验结果证明了假设分布的正确性。     

基于柔性屏蔽材料混响室的设计与应用

利用柔性屏蔽材料不平整性使屏蔽腔内场环境易于满足各向同性、均匀分布、随机极化统计特征的特点,研究了三种不同柔性屏蔽材料搭建的模式搅拌混响室的可行性。在Z字形搅拌器的作用下通过测量得到低频场均匀性和高频归一化电场的概率密度函数,根据IEC 61000-4-21-2011标准和理想混响室模型验证了所搭建混响室的有效性。在此基础之上,通过实验测量分析了搅拌器转速、天线高度、天线位置对归一化电场概率密度函数(PDF)的影响,并利用所搭建混响室对加载开孔电大金属腔的电磁屏蔽效能进行了测试。研究结果表明利用柔性屏蔽材料搭建混响室具有较好的可行性。     

混响室雷达地杂波统计特性模拟

为实现混响室中威布尔分布杂波的有效模拟,营造逼真的雷达电磁环境,基于广义平稳非相关散射电磁环境下混响室信道衰落特性,通过控制幅度调制信号对衰落系数进行补偿,提出一种基于时域波形设计的混响室地杂波模拟方法。通过调节输入信号序列中大、小幅度脉冲比例,改变混响室传统输入信号的零均值幅度特性,以实测地杂波统计特性为参考,最终得到与实测数据统计特性参数一致的混响室杂波电磁环境。用最大似然估计和KS检验法对实验数据作参数估计和假设检验,实测地杂波数据拟合于标准威布尔模型,混响室实验数据拟合于实测地杂波幅度统计模型,从而实现了实测地杂波起伏特性的混响室有效模拟。     

边界形变混响室设计与性能评估

使用微扰理论分析了腔体形变对谐振频率漂移的影响规律,从理论上论证了边界形变混响室的可行性,计算得到了边界形变参数对混响室空间电场均匀性的影响规律;采用了一种由柔性屏蔽布作为腔体材料、步进电机控制腔体表面形变的边界形变混响室设计方法,并对研制的几何尺寸为2.5 m×1.8 m×1.5 m的混响室的内部电场统计特性进行了试验测试。结果表明：混响室内部电场服从Rician分布,且随频率升高与理论模型的一致性变好;当形变幅度达到400 mm时,腔体内部电场扰动比大于20 dB,空间电场标准偏差小于3 dB,满足电磁兼容对混响室平台均匀性的限制要求。     

Monte Carlo simulation of exposure factor

In this paper, we simulate the exposure factor by a simple model of a free-air ionization chamber with the Monte Carlo programme Geant4. Special emphasis is placed on the discussion of the exposure factor related to parameters of the chamber model. The reason for the variation in exposure factor with incident ray energy is also analysed in terms of reaction cross section for different types of reactions. The obtained results indicate that our simulation is accurate in the calculation of the exposure factor and can serve as a reference in designing air ionization chambers.     

相干激光雷达中最大似然离散谱峰值估计及Monte Carlo仿真

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速。基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然（ML）离散谱峰值（DSP）风速估计算法的克拉美-罗下界（CRLB）与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系。其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数。分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响。计算仿真结果表明：ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为－20 dB,100发激光脉冲累积和信噪比为－30 dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中坏的估计值所占的比例都为0,好的估计值的标准差分别为0.62 m/s和0.50 m/s。     

应用改进的矩阵束方法加速混响室时域仿真

为了减少混响室时域全波仿真的计算量,首次对混响室时域响应的预测做出探索研究。以改良矩阵束方法为基础,提出一种计算效率更高的矩阵束方法,并验证了该方法的正确性与稳定性。用复指数幂求和式对混响室的时域波形进行拟合,利用该方法能够高效求解出拟合式中的各极点,实现了对混响室时域响应的近似外推。由电场强度的前20 000步计算结果,可快速预测得到后20 000步响应,发现束参数比例取0.62左右时,对多个采样点的电场均可得到良好的预测效果,可保证仿真与预测相结合得到的结果与真实结果的频域相对误差小于15%。这种结合预测的仿真算法可节省计算量约50%。     

多级反射镜阵列MonteCarlo法误差合成与统计分析

本文研究的傅里叶变换红外光谱仪利用两面多级反射镜阵列替代时间调制型傅里叶变换光谱仪中的平面反射镜,以多级反射镜阵列对干涉图数据进行二维采样,从而减小系统的体积并增加系统的稳定性．由于多级反射镜阵列在其制作过程中加工精度的限制,各子反射镜之间会存在厚度偏差ε与角度偏差θ,这将影响到采样干涉图的光强分布与复原光谱的质量．本文将各子反射镜的￡与臼作为随机变量,利用MonteCarlo方法对傅里叶变换光谱仪中所有子反射镜的误差项进行合成,并通过对误差合成后光谱误差因子Q的统计分析来评价子反射镜的各误差项对复原光谱的影响．统计结果表明,Q的统计均值随着σε与σθ的增加表现为一单调递增的曲面,且与两个偏差之间具有准线性关系．依据对Q的统计分析,可以确定多级反射镜阵列各子反射镜ε与θ的容限．     

运动平台混响的时空耦合统计模型

混响时空耦合特性是空时处理混响抑制方法中的关键问题之一。传统方法不是建立在统计模型基础上的,对实际海洋混响扩展、海洋混响环境影响及基阵非理想性导致的混响时空耦合分析缺乏有效性。论文在混响概率模型基础上,推导了运动平台的混响时空耦合关系,进一步给出了复杂水声混响环境及具体阵列指向特性下的混响时空耦合规律的统计模型。利用该模型,推导了理想窄波束基阵混响的时空耦合关系。理论解析结果和计算机仿真清晰地展示了理想阵列流形的混响时空分布规律,验证了本文理论推导结果的正确性。最后采用数值计算方法分析非理想基阵的混响空时耦合关系及空时分布规律,结果表明利用本文的混响空时耦合模型,能获得实际基阵的混响空时分布规律,可为空时处理混响抑制算法与系统设计提供一定的理论支撑。