检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：赵焱北京邮电大学

学位级别：硕士

光子晶体是一类应用广泛的材料,其“光子带隙”可以实现对光的有效调控。色散光子晶体是一类特殊的光子晶体,构成其的某一种介质的折射率随频率变化,这不仅对内部光场的分布会产生明显的影响,从而提供一种新的调节光子带隙结构的方法,... 详细信息

光子晶体是一类应用广泛的材料,其“光子带隙”可以实现对光的有效调控。色散光子晶体是一类特殊的光子晶体,构成其的某一种介质的折射率随频率变化,这不仅对内部光场的分布会产生明显的影响,从而提供一种新的调节光子带隙结构的方法,同时为数值模拟研究光子晶体的能带结构带来了新挑战。设计高效的数值计算方法来探究环形色散介质光子晶体中的能带结构、光场分布等是一个受到广泛关注的研究问题。本文主要基于有限元方法研究了两种二维色散介质光子晶体能带结构的数值模拟和数学模型、计算方法及仿真实现等。并采用提出的数值方法研究了环形色散介质光子晶体及环形色散介质光子晶体微腔的某些性质。在本文中,我们详细推导并给出了两种求解色散介质能带结构的数值计算方法。如果我们研究的光子晶体中有色散材料,那么通过有限元方法进行离散,就会得到一个非线性的特征值问题。此时我们给出了两种方法:第一种是给出频率ω,求波矢k。此时ω将作为已知量,波矢k作为本征值,问题转化为二次特征值问题从而进行求解。第二种给出波矢k,求频率ω,将牛顿法和有限元方法进行结合。从光子晶体电磁波传播的控制方程组出发,推导出变分形式,之后对于离散后的非线性问题,选取合适的解作为初始值,利用牛顿逆迭代法求解非线性方程,从而得到光子晶体的能带结构分布。本文基于Matlab结合COMSOL软件,实现了两种数值方法,并进行了模拟仿真,研究了环形色散介质光子晶体的能带结构以及环型色散介质光子晶体微腔的品质因子。数值实验结果表明,本文提出的数值算法可以有效求解环形环形色散介质光子晶体的能带结构,对于某些色散介质光子晶体,采用环形结构有可能得到更宽的光子带隙,同时,环型色散介质光子晶体微腔也有着较大的品质因子。

关键词：有限元方法环形光子晶体色散光子晶体光子晶体微腔

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面向神经网络解释的符号回归算法研究

面向神经网络解释的符号回归算法研究

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作者：胡希磊中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

以神经网络为代表的深度学习方法是当前的研究热点之一,其在图像分类、语音识别、机器翻译等任务上都取得了先进的性能,表现出了强大的学习能力。然而,神经网络的可解释性问题也逐渐凸显出来。尽管神经网络在处理大量数据和完成复杂任... 详细信息

以神经网络为代表的深度学习方法是当前的研究热点之一,其在图像分类、语音识别、机器翻译等任务上都取得了先进的性能,表现出了强大的学习能力。然而,神经网络的可解释性问题也逐渐凸显出来。尽管神经网络在处理大量数据和完成复杂任务方面表现出色,但它们的内部机制却很难被理解和解释。这给许多领域的应用带来了挑战,如医疗诊断、自动驾驶等。因此,神经网络的可解释性问题成为了一个重要的研究方向,其目的是让神经网络的内部机制更容易被理解和解释,从而提高其应用的可信度和安全性。以往的可解释性方法,很难兼顾对神经网络整体和隐层语义的解释,并且不能对神经网络给出一个直观的数学表达式。对于给定的数据集,符号回归算法可以给出其符号模型,如数学表达式,因此具有良好的可解释性。本文针对用于回归的全连接神经网络和用于分类的卷积神经网络,分别提出了用于解释以上两种网络结构的符号回归算法。为解释用于回归数据的全连接神经网络,本文提出了全连接层的符号回归算法以及SRNet算法,分别对全连接神经网络的单层和整体进行建模。为解决全连接层中多输入、多输出的结构问题,设计了全连接层的符号回归算法,它可以给出全连接层的数学表达式,增加其可解释性。在此基础上,为描述全连接神经网络的整体特性而提出了SRNet算法。SRNet算法根据神经网络层层嵌套的结构,将上面全连接层的符号回归算法进行整合,不仅能够得到每层的数学表达式,还能得到全连接神经网络整体的数学表达式。通过在SR Benchmarks数据集、Feynman物理数据集、Penn机器学习数据集上进行测试,证明了算法可以对全连接层和全连接神经网络的整体进行解释。通过和LIME、MAPLE算法对比,发现SRNet算法对于真实数据集具有更好的拟合能力,可以分析神经网络和真实数据集的差距。为解释用于图像分类的卷积神经网络,本文提出了卷积神经网络卷积层和整体的符号回归算法,分别对卷积神经网络的卷积层和整体进行建模。为解决卷积层多通道的结构问题以及卷积核的可解释问题,设计了卷积层的符号回归算法,它可以给出卷积层中每个输出通道的数学表达式,对卷积核的特征提取过程给出解释。在此基础上,为增加卷积神经网络网络整体的可解释性,将卷积神经网络分为特征提取层和分类层,根据特征提取层中层层嵌套的结构,将上面卷积层的符号回归算法进行整合,它可以得出特征提取层中卷积层的数学表达式。使用得到的数学表达式替换特征提取层中的卷积层,从而得到可解释的特征提取层,然后将其与原来的分类层进行组合,可以增加卷积神经网络整体的可解释性,同时保证分类准确性。通过在MNIST数据集上进行测试,证明了算法可以对卷积层进行解释,并且可以增加卷积神经网络整体的可解释性,而且可以保证分类的准确性。

关键词：符号回归全连接神经网络卷积神经网络可解释性遗传规划

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1.3μm硅基量子点分布反馈激光器设计研究

1.3μm硅基量子点分布反馈激光器设计研究

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作者：明蕊北京邮电大学

学位级别：硕士

在微电子器件的尺寸接近物理极限的情况下,仅使用电子传输信息难以实现更高的数据传输速率和更低的传输损耗,而基于光互连的硅基光电集成能达到这一目标。硅基光电集成是将微电子和光子器件集成到硅基平台上,该方法结合了两者的优点,能... 详细信息

在微电子器件的尺寸接近物理极限的情况下,仅使用电子传输信息难以实现更高的数据传输速率和更低的传输损耗,而基于光互连的硅基光电集成能达到这一目标。硅基光电集成是将微电子和光子器件集成到硅基平台上,该方法结合了两者的优点,能有效实现数据中心之间信息的高速传输。目前用于光互连的调制器、光探测器等器件都已实现硅基光电集成,但高效的硅基集成激光器仍然是一项巨大的挑战。因为硅(Si)作为一种间接带隙半导体材料,发光效率相对较低。为了解决这一问题,人们提出在Si衬底上直接外延Ⅲ-Ⅴ族材料制作半导体激光器,这为制备硅基集成光源提供了一条可靠和高效的方法。目前,利用这种方法制备的法布里-珀罗(F-P)腔激光器的性能已经非常出色,能够在35℃下实现外推寿命超过100年。然而F-P腔激光器难以实现单纵模工作,因此将多个F-P激光器应用于波分复用系统仍然面临困难,所以需要进一步研究分布反馈(DFB)激光器。DFB激光器通过光栅周期来调节波长,可以提供高边模抑制比、窄线宽和稳定的输出波长,已成为长距离光纤通信和波分复用系统的核心器件。目前Si基DFB激光器已取得一定进展,但由于输出功率过低,尚不能满足实际光通信系统的需求,因此设计出高性能的Si基DFB激光器是一个亟需解决的问题。基于上述研究背景,本文围绕1.3μm硅基量子点DFB激光器的优化设计,开展了仿真计算和实验。具体的研究内容和创新点如下:(1)提出了一种结合模式折射率方法与一维时域行波法的仿真设计方法,能全面考虑Si基量子点DFB激光器的横模与纵模特性。在优化设计中,将激光器综合性能(阈值电流密度、斜率效率、输出功率、边模抑制比)最优作为优化目标,选取脊宽、刻蚀深度、光栅的厚度和位置作为优化参数,对激光器的材料和芯片结构参数进行了优化。结果表明当脊宽为2μm、刻蚀深度为1.3μm、光栅厚度为20nm、光栅距离有源区的高度为200nm时,激光器基横模、单纵模输出。此时激光器的阈值电流密度为250A/cm2,斜率效率为0.77mW/mA,边模抑制比为48dB。当注入电流为150mA时,输出功率超过100mW。结果表明优化后的激光器可以实现低阈值电流密度和高输出功率。(2)使用改进后的双层胶工艺制备了 GaAs基量子点激光器,仅在沟槽处留下第一层光刻胶保护侧壁SiO2,使用第二层胶进行光刻,解决了窄脊激光器开电极窗口的难点问题。第一步制作出室温下脉冲激射的宽条(30μm、50μm)GaAs基激光器,验证了材料和结构的可行性。然后结合现有实验条件,使用双层胶工艺制备了双沟槽窄条(2μm、3μm、4μm)GaAs基激光器。在0℃连续条件下,激光器阈值电流为10mA,阈值电流密度为625A/cm2。当注入电流为100mA时,输出功率达6mW。

关键词：硅基外延激光器分布反馈激光器模式折射率法一维时域行波法基横模单纵模

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基于金刚石NV色心的量子编码与量子计算

基于金刚石NV色心的量子编码与量子计算

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作者：尤宜北京邮电大学

学位级别：硕士

量子计算是近几年兴起的新型信息处理手段,其中可能蕴含巨大的算力,有着颠覆目前电子计算机所主导的经典计算的力量。这种可能性强烈的吸引着无数科研人员对其探索。目前,已经有着许多支持量子计算的物理系统被实际应用,而基于金刚石氮... 详细信息

量子计算是近几年兴起的新型信息处理手段,其中可能蕴含巨大的算力,有着颠覆目前电子计算机所主导的经典计算的力量。这种可能性强烈的吸引着无数科研人员对其探索。目前,已经有着许多支持量子计算的物理系统被实际应用,而基于金刚石氮空位色心(Nitrogen-vacancy center,NV center)的量子编码与量子计算则是当今量子计算研究领域的一个热门话题。金刚石NV色心具有许多优异的性质,例如长相干时间、高灵敏度和良好操控性等,这些性质为其在量子编码和量子计算中的应用提供了良好的基础。对于量子编码,由于基于金刚石NV色心的物理系统有着长时间保持量子信息相干性的特性,这使得其更能完全的体现所用量子编码方案带来的优势。而在量子计算方面,金刚石NV色心作为一种新型的量子比特得到了广泛的应用。金刚石NV色心中的自旋态可以被用来表示量子比特,而其独特的性质使其能够实现高效的量子计算。利用量子比特的量子并行性,金刚石NV色心可以在较短的时间内执行比经典计算机更复杂的计算任务。此外,利用金刚石NV色心之间的相互作用,可以实现多量子比特系统之间的交互和计算,从而实现更为复杂的量子计算过程。本文选择以金刚石NV色心的量子编码与量子计算的相关问题作为研究方向。着重探究了 NV色心核自旋的无消相干子空间量子态存储以及电子自旋的量子门操作,而后建立了基于NV色心的探针可扩展量子计算方案。该方案的独特性和优越性有望为以金刚石NV色心这种固态系统为载体的量子计算提供一种新的思路,由此期望更多基于金刚石NV色心的量子计算和量子通信技术的发展和应用。

关键词：金刚石氮空位色心无消相干子空间可扩展量子计算

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复杂电磁环境下无线通信信号盲估计技术研究

复杂电磁环境下无线通信信号盲估计技术研究

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作者：曾志北京邮电大学

学位级别：硕士

随着各种无线电通信系统的快速演进、无线电信号越来越密集,无线电频率利用日趋饱和,通信体制和通信信号类别呈现出多样化趋势,先进的调制技术使得通信信号形式越来越灵活多变,各种无线电设备的发展与应用使得数量众多、动态交迭的无线... 详细信息

随着各种无线电通信系统的快速演进、无线电信号越来越密集,无线电频率利用日趋饱和,通信体制和通信信号类别呈现出多样化趋势,先进的调制技术使得通信信号形式越来越灵活多变,各种无线电设备的发展与应用使得数量众多、动态交迭的无线电信号遍布在电磁空间之中,信号混叠情况频发,电磁环境变得越来越错综复杂。针对复杂电磁环境下单通道高度混叠信号的盲估计问题与辐射源识别问题,本论文提出三个解决方法。(1)针对单通道高度混叠情况下的信号源个数盲估计问题,提出了一种基于谱相关特征和局部最大梯度的盲估计方法,并进行了仿真验证,能够实现0、1、2、3多种混叠情况下的信号源个数盲估计,仿真结果表明,当信号源个数为1时,在-10dB信噪比条件下有97%以上的识别准确率,当信号源个数为2时,在-4dB信噪比条件下有97%以上的识别准确率,当信号源个数为3时,在2dB信噪比条件下有90%以上的识别准确率。(2)针对完全混叠信号的调制方式识别问题,提出了一种基于联合谱特征渐进分布的最大似然分类算法,并进行了仿真验证,仿真结果表明,当信号源个数为1时在信噪比-2dB条件下有着90%左右的识别准确率,当信号源个数为2时在信噪比5dB条件下有着90%左右的识别准确率,当信号源个数为3时在信噪比5dB条件下有着90%左右的识别准确率。(3)针对无线通信网络的底层安全认证问题,本文提出了一种基于分形理论的谱切片辐射源识别算法,并进行了仿真验证。辐射源信号的谱切片形状包含了不同辐射源成型滤波器滚降系数的本征差异,本文将分形理论用于其中,给出了辐射源信号的循环谱截面切片的分形特征的定量计算公式,在提取的谱切片分形特征的基础上使用基于机器学习理论的分类器对辐射源个体的类别进行判决分类,从而实现基于物理层非线性稳态特征的辐射源个体识别目标。仿真结果表明,对多个不同种类的分类器,在4dB信噪比条件下识别准确率均可达95%以上。

关键词：参数盲估计混叠信号识别循环谱辐射源识别分形维数

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导、隔板倾斜对竖缝式鱼道水力特性的影响

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排灌机械工程学报 2025年第2期43卷 155-162页

作者：严孝明郑铁刚金瑾孙双科温静雅石凯周荣攀黄忠玉中国水利水电科学研究院北京100038 石河子大学水利建筑工程学院新疆石河子832003 生态环境部环境工程评估中心北京100041 华电西藏能源有限公司大古水电分公司西藏拉萨856000

为了明晰鱼道在建造以及组装时产生的误差对其内部水力特性的影响,针对导、隔板倾斜类误差展开研究.当前国内外竖缝式鱼道应用广泛,但在前期的鱼道工程现场勘测中,施工误差普遍存在于鱼道中,针对导、隔板倾斜类型的误差并依据现场对该... 详细信息

为了明晰鱼道在建造以及组装时产生的误差对其内部水力特性的影响,针对导、隔板倾斜类误差展开研究.当前国内外竖缝式鱼道应用广泛,但在前期的鱼道工程现场勘测中,施工误差普遍存在于鱼道中,针对导、隔板倾斜类型的误差并依据现场对该误差情况的统计,采用三维数值模拟的方法,并通过物理模型试验对数学模型计算参数进行修正,在倾斜角度±15°的范围内每隔5°共测试了7种计算工况.结果表明:导、隔板倾斜(倾斜角度±15°内)后,鱼道池室内水流结构的二维特性所受影响有限且不足以造成不同规律;主流轨迹线范围增大,主流流速的衰减效果更加明显;目标导、隔板竖缝处的紊动能整体高于鱼类偏好紊动能上限,高总水力应变的分布范围明显增大,且有随着导、隔板倾斜幅度增大而增大的趋势;目标导、隔板下游竖缝平均流速有所升高.

关键词：导、隔板倾斜水力特性竖缝式鱼道

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非线性频分复用光纤通信系统相关技术研究

非线性频分复用光纤通信系统相关技术研究

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作者：任宪达北京邮电大学

学位级别：硕士

随着第五代移动通信技术的日渐成熟和广泛应用,光纤通信已经逐步成为全球电信网络的骨干。然而各种新应用和新服务的诞生对通信系统容量的需求也在快速增长,这对光纤通信系统的传输性能和频谱资源利用提出了更高的要求。光纤作为系统中... 详细信息

随着第五代移动通信技术的日渐成熟和广泛应用,光纤通信已经逐步成为全球电信网络的骨干。然而各种新应用和新服务的诞生对通信系统容量的需求也在快速增长,这对光纤通信系统的传输性能和频谱资源利用提出了更高的要求。光纤作为系统中信号传输的媒介,其非线性效应是限制光纤通信系统长距离信息传输的主要因素之一,因此非线性补偿一直是光纤通信领域的研究热点。传统的非线性补偿方案包括数字反向传播(Digital Back Propagation,DBP)、光学相位共轭(Optical Phase Conjugation,OPC)和相位共轭双波(Phase Conjugated Twin Waves,PCTW)等,均已基本达到补偿效果的瓶颈,很难再带来实质性的性能提升。近年来,一种被称为非线性频分复用(Nonlinear Frequency Division Multiplexing,NFDM)的新型光纤通信系统传输方案受到了研究学者的广泛关注,该方案将光纤非线性视为系统设计的基本要素,而并非传统方案中试图遏制的目标,通过将色散和非线性映射为非线性频域中的线性相位旋转,从而使非线性问题转化为了线性问题。本文在对非线性傅里叶变换(Nonlinear Fourier Transform,NFT)的研究和分析基础之上,分别实现了非线性连续谱和离散谱的NFDM传输系统方案。并基于机器学习算法,针对实际传输环境中系统可积性减弱的情况,提出了两种接收端均衡方案,从而进一步优化了系统性能。主要研究工作如下:(1)研究了 NFT和INFT的基本理论并进行算法验证。本文以非线性薛定谔方程作为光信号在光纤中传播的理论模型,基于数学方法Lax对来求解该模型的本征值不变问题。并对NFT的数学过程进行了理论研究,并得出了非线性连续谱和离散谱的具体计算方法。同时在MATLAB中分别实现了连续谱和离散谱的NFT与INFT算法,并进一步对上述算法进行了多角度的仿真验证,从而确保其准确性和鲁棒性。(2)实现了基于非线性频谱调制的NFDM光纤传输系统方案。该方案基于NFT和INFT算法,通过MATLAB与VPI联调的方式分别完成了连续谱和离散谱调制的NFDM传输系统。对于连续谱NFDM系统,在相同噪声条件下,分别对比了其在不同调制格式和子载波数时的系统误码率性能。除此之外还发现,连续谱NFDM系统的性能要优于传统的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统,并且在其最佳传输条件下的Q因子较OFDM系统有约0.6 dB的提升。对于离散谱NFDM系统,本文实现了复用7个本征值的多孤子传输方案,并且得到了其在QPSK和16QAM下的仿真结果,其中在16QAM时系统的Q因子达到了 7.64 dB。(3)提出了基于特征工程的模型参数迁移式卷积神经网络连续谱NFDM系统均衡方案。经仿真验证,该方案可以有效的提升系统的Q因子。并且在16QAM调制格式下,针对不同传输环境下的接收端数据,通过迁移学习的方法,使适配于新场景的FE-CNN均衡器的生成速率提升50%以上,极大地提高了系统接收端的均衡效率。可以有效应对实际传输环境中因设备噪声和高阶色散等因素所带来的系统可积性的损坏。(4)提出了基于高斯混合模型聚类的离散谱NFDM系统均衡方案。通过实验比较不同本征值个数条件下系统的Q因子,表明该方案可以一定程度上提高系统的误码率性能,且适用于复用不同本征值数量的离散谱NFDM系统。并且在不同发射功率下通过与K-means均衡方案作对比,进一步验证了 GMM方案在离散谱NFDM系统上具有更佳的优化效果。

关键词：非线性频分复用非线性傅里叶变换非线性补偿机器学习

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基于时间拉伸的抖动测量研究

基于时间拉伸的抖动测量研究

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作者：王磊磊北京邮电大学

学位级别：硕士

时间是7个基本物理量之一,超稳时间信号在通信,导航定位,航空航天,天文物理和计量等领域应用极为广泛。高分辨率的时间测量能力是科学技术发展的重要标志。在信息领域,时间信息常以电脉冲为载体进行传输。衡量电脉冲信号时域稳定度的参... 详细信息

时间是7个基本物理量之一,超稳时间信号在通信,导航定位,航空航天,天文物理和计量等领域应用极为广泛。高分辨率的时间测量能力是科学技术发展的重要标志。在信息领域,时间信息常以电脉冲为载体进行传输。衡量电脉冲信号时域稳定度的参数叫做时间抖动。如何测量更小的时间抖动成为目前的热点研究。传统的电学仪器设备存在电子瓶颈,很难进一步提高抖动测量分辨率。全光的测量方式,如光学交叉相关法和光学自差法,可以达到飞秒级别的时间抖动测量分辨率,但它们只对光学时间信号有效,与广泛使用的电学时间信号不兼容。在本文中,我们首次使用光子时间拉伸技术对稳定的电学时间信号进行高分辨率抖动测量。本文围绕着时间抖动放大模型,高分辨率时间抖动测量系统,温度变化和色散致周期性功率衰弱的影响分别进行了理论推导、量化计算、仿真探究和实验验证。本文主要的研究内容如下:1.基于光子时间拉伸技术构建了抖动放大数学模型。通过推导模型中各个表达式中时间信号的抖动变化,论证抖动放大模型的正确性和有效性。2.针对抖动测量分辨率提升的应用需求,结合上述抖动放大模型,我们提出并设计了基于光子时间拉伸的抖动测量方案。主要研究内容包括基于光子时间拉伸的抖动测量系统的仿真和实验。我们采用基于声光调制器的脉冲提取方案来降低光脉冲的重复频率,从而消除时域混叠现象;通过控制马赫曾德尔调制器(MZM)偏置在正交点来避免额外的非线性引入;采用改进的时间拉伸模块恢复出电信息的同时将光载波消除,避免了光载波对时间抖动测量的影响。本方案由光学辅助前端和电学处理后端组成,将抖动测量分辨率提升了 11.24倍,测量误差为3.2%。3.针对抖动测量分辨率可能受到噪声限制的问题,我们分析了锁模激光器(MLL)输出噪声对系统的影响;分析了由温度变化引入时延抖动,进而对抖动测量分辨率的限制;并对温度变化引起抖动放大系数变化的情况进行了讨论和仿真分析;推导和分析了周期性功率衰落对本实验的影响。分析并证明了三阶色散对系统的抖动测量无影响。

关键词：时间拉伸抖动放大抖动测量分辨率温度变化

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一种基于双界面函数的界面捕捉方法

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力学学报 2017年第6期49卷 1290-1300页

作者：李康刘娜何志伟骆龙山田保林北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中物院高性能数值模拟软件中心北京100088

基于代数重构思想,发展了一种新的双界面函数重构方法,并采用双正弦函数构造了双正弦界面重构方法(double sine interface capturing,DSINC).为验证不同界面函数对界面捕捉效果的影响,用数值方法求解了可压缩五方程模型,其中对流项的离... 详细信息

基于代数重构思想,发展了一种新的双界面函数重构方法,并采用双正弦函数构造了双正弦界面重构方法(double sine interface capturing,DSINC).为验证不同界面函数对界面捕捉效果的影响,用数值方法求解了可压缩五方程模型,其中对流项的离散采用五阶WENO(weighted essentially non-oscillatory method)格式,时间积分采用三阶Runge--Kutta方法,通量计算分别考虑了HLL和HLLC方法,而状态方程采用Mie-Gr¨uneisen状态方程.在数值计算中,在界面附近,采用DSINC来获得体积分数的重构,而在远离界面的区域采用WENO格式来获得高阶插值状态.相比采用单界面函数的方法,如双曲正切界面重构方法(tangent of hyperbola for interface capturing,THINC),DSINC方法同样具有界面重构算法简单,在程序中添加方便等特点,两者区别在于,DSINC方法在重构过程中未知函数更易于求解,而无需求解复杂的非线性超越方程,这就使其具有易于向多维扩展的能力.一些典型的两相流动问题,如圆形水柱对流问题,两相三波点问题和激波-界面不稳定性问题等被用作不同界面函数对界面捕捉效果的影响对比.对比分析发现,DSINC与THINC在界面捕捉效果上大致保持一致,并在计算中表现出了较好的稳定性.双界面函数重构思想可以为多相流动界面的代数重构提供了一种新的思路.

关键词：多相流动界面捕捉双曲正切界面重构方法双界面函数重构双正弦界面重构方法

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三包层高非线性光子晶体光纤设计及多峰布里渊散射谱特性研究

三包层高非线性光子晶体光纤设计及多峰布里渊散射谱特性研究

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作者：周鹏北京邮电大学

学位级别：硕士

近几年来,光子晶体光纤(PCF)凭借其在结构设计和材料使用上的灵活可调性受到了研究人员的广泛关注,这种灵活性让其在诸多领域都具有无可比拟的优势,相关的应用研究也取得了极大的进展。相比于传统光纤,PCF具有许多独特的光学特性,例如... 详细信息

近几年来,光子晶体光纤(PCF)凭借其在结构设计和材料使用上的灵活可调性受到了研究人员的广泛关注,这种灵活性让其在诸多领域都具有无可比拟的优势,相关的应用研究也取得了极大的进展。相比于传统光纤,PCF具有许多独特的光学特性,例如高非线性、高双折射、大模场面积、低损耗和灵活可调的色散特性等。其中,非线性系数方面,由于结构和材料的灵活性,通常PCF的非线性系数都远高于传统光纤。在众多非线性效应中,受激布里渊散射(SBS)在光纤传感和通信领域有着极大的应用价值。随着针对PCF的应用研究日益深入,SBS的研究也从传统光纤扩展到了 PCF之中。三包层结构的PCF在多种场景下都具有单包层结构和双包层结构无法比拟的优势,包括更优秀的光约束力,更灵活的设计结构和更易得的多峰布里渊散射谱。因此,本文的工作主要是探究三包层结构的高非线性PCF结构设计方案,并对所设计光纤的布里渊散射谱特性进行研究分析。本文主要工作内容如下:(1)简要介绍了论文的研究背景,了解了 PCF的特性和分类,并针对当前高非线性PCF和基于受激布里渊散射传感的研究现状与进展进行了分析。随后,介绍了几种典型的非线性效应,并对这几种非线性效应的产生原理进行了分析,着重分析了其中的受激布里渊散射的产生过程。通过上述对PCF特性和SBS效应的介绍,确定了仿真软件和仿真模块,引出了 PCF的仿真分析方法、光学与声学模式的仿真计算和布里渊散射谱的数学模型。通过这部分对基础理论和计算公式的介绍,为后续PCF的仿真研究打下基础。(2)设计了一种非对称结构三包层高非线性高双折射大负色散PCF,该光纤通过内包层和中间包层的空气孔共同作用将能量限制在了纤芯区域。其中,内包层由两个椭圆孔和四个圆形孔组成,中间包层由大小相间的圆形空气孔构成。通过改变三个包层中空气孔的结构参数对该光纤的非线性、双折射、损耗和色散特性进行了深入探究,进而确定了最佳结构参数,得到了具有高非线性高双折射大负色散的光子晶体光纤。同时,还探究分析了该PCF结构参数的变化对布里渊散射特性的影响。仿真结果表明,在1.55 μm波长处,该PCF可以获得的46.76 W-1km-1的高非线性系数,3.85×10-2的高双折射系数,4.19×10-3 dB/km的低损耗和-881 ps/km/nm的大负色散,这确保了该PCF在偏振保持和色散补偿中的应用前景。并且,此时PCF两个偏振模对应峰的峰值比为51.2:48.8,布里渊频移差为273.1MHz,可见两个峰的峰值接近,布里渊频移差较大,因此该PCF在分布式布里渊传感系统的应用中具有极大的潜力。(3)设计了一种可以实现双参传感的对称结构三包层高非线性PCF。在传统光纤中,通常可以设置M型变化的折射率来实现多峰布里渊散射谱,所谓M型是指光纤的折射率分布呈M形波动变化,该设计通过改变该PCF三个包层中空气孔的结构参数而使其具有M型光纤折射率分布的特点,进而研究了该光纤的光学特性和多峰布里渊散射谱特性。通过针对包层结构的巧妙设计,一方面减小了布里渊散射谱双峰的峰值差,并提高了布里渊频移差;另一方面,通过调节结构参数和材料掺杂,获得了极佳的温度应变双参传感性能,即提高了温度和应变的传感灵敏度,降低了测量的区分误差。仿真结果表明,在1.55 μm处,该PCF可以实现6.42 W-1km-1的非线性系数,1.14×10-1 dB/km 的低损耗、-252ps/km/nm 的负色散、49.0:51.0的峰值比和172.0 MHz的布里渊频移差。而相比于传统光纤来说,更高的非线性意味着更高的布里渊增益系数。基于上述多峰布里渊散射谱,该PCF实现了较好的双参传感性能,两个峰对应的温度和应变传感灵敏度分别为CTL01=4.4005 MHz/℃,CSL01=0.1920 MHz/με,CTL02=4.2208 MHz/℃和CSL02=0.1896 MHz/ε,温度和应变测量区分误差分别为0.01℃和0.75με。该方案在具有较高的传感灵敏度的同时,测量区分误差数值远远小于目前已有的研究结果。本文设计的三包层高非线性光子晶体光纤为基于SBS的光学传感器件的研究提供一定的参考价值,此外,该设计方案可以有效提高多峰布里渊散射谱信号的强度,对探究PCF的受激布里渊散射特性和传感应用具有一定的指导意义。

关键词：光子晶体光纤双参传感布里渊散射高非线性高双折射

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