电离层等离子体泡的磁场扰动特征与识别

等离子体泡是赤道区电离层常见的密度耗空结构,同时伴随着背景磁场的增强和垂直背景磁场方向上的扰动,这些扰动具有阿尔芬波的特征.本文利用Swarm卫星的标量、矢量磁场以及等离子体观测数据,考察了等离子体泡产生的磁场扰动信号特征,发现磁场强度和平均场向分量的增强均与等离子体泡密度下降有较强的负相关性,说明磁场标量和矢量(平均...     

膨胀磁场和太阳风粒子相互作用三维数值模拟

采用三维模型,使用混合网格质点法HPIC(Hybrid Particle-in-Cell)对膨胀的磁场和太阳风相互作用过程进行数值模拟.研究了线圈产生的偶极子磁场在注入等离子体后和太阳风粒子的相互作用过程,并对以不同速度入射的等离子体引起的太阳风粒子的变化和磁场变化进行了比较.研究结果表明,偶极子磁场和太阳风作用时会产生弓形激波,此时磁压等于太阳风粒子的动压,当向线圈产生的偶极子磁场中注入高能等离子体时引起磁场膨胀,膨胀的磁场将会排斥太阳风粒子向外运动,从而引起弓形激波的变化,增大与太阳风相互作用的面积,并且粒子入射速度越大,磁场膨胀越明显,与太阳风相互作用愈强.      

高速流前端磁场B_z分量的变化

等离子体片高速流在磁层活动中起着重要作用,其形成机制以及与背景等离子体的相互作用日益引起关注.本文利用搭载于Cluster四颗卫星上的磁场和等离子体观测仪器,对2001和2002两年发生在磁尾等离子体片中高速流事件期间的磁场变化进行了统计研究.结果表明,在高速流前端,伴随着等离子体整体速度的增加,绝大多数高速流前端磁场的B_z分量经常出现先短暂减小然后剧烈增大的现象,符合以往利用Geotail卫星观测数据获得的统计特性.然而个例研究发现B_z的下降与上升常常是不对称的,且B_z分量下降的程度并不是总能达到反向的程度,说明这种变化特征并不一定是存在磁结构的表现.我们认为更多时候这种磁场的变化特征是高速流挤压背景等离子体磁场造成的,是相互作用的结果.当偶极化锋面形成后,由类似间断面的磁场界面反射的热离子产生抗磁效应,可能对B_z下降形成部分贡献,而B_z增加则是高速流携带磁通量堆积的效果.     

基于模态测试数据的阻尼矩阵与陀螺矩阵的修正

提出了一种基于不完备复模态测量数据修正阻尼陀螺系统有限元模型的有效数值方法。在假定分析质量矩阵与刚度矩阵是精确的情况下,通过求解一个约束最优化问题,得到了满足特征方程的加权Frobenius范数意义下的最优修正矩阵。     

镜模波识别方法研究及其在火星磁鞘中的应用

镜模波是温度各向异性等离子体中的一种波动结构,根据磁场和离子分布及波动特性可以进行识别.本文对比了只使用磁场数据与同时使用磁场及离子数据两种识别方法,分析了两类方法的特点.只使用磁场数据的方法基于磁场强度变化大、方向沿背景磁场的特征,通常使用磁场强度的波动幅度ΔB/|B|以及磁场变化方向与背景磁场的夹角θ_min,θ_max作为参数;同时使用磁场及粒子数据的方法利用的是磁场纵波特性、总压平衡和波动在等离子体坐标系下静止的特征.使用两种方法对MAVEN卫星在火星磁鞘内的数据进行识别,结果表明在某些情况下,只使用磁场数据会导致对镜模波的误判.通过研究改变上述参数阈值时识别结果的变化,发现当θ_min> 40°,θ_max < 40°,ΔB/|B|> 80%时,只用磁场数据可取得较好的识别效果.      

磁层顶通量传输事件的经验重构

在地球磁层顶附近观测到的通量传输事件（Flux Transfer Event,FTE）一般被认为是瞬态局域磁重联的产物,是太阳风质量、动量和能量进入地球内磁层的重要通道.重构FTE的磁场结构可促进对其形成、演化过程及其与周围等离子体环境相互作用的理解.Grad-Shafranov重构法和磁通量绳拟合法等传统磁场重构方法适用于满足特定物理条件的磁场结构.基于平面线性插值原理,设计了一种不受具体物理条件限定的二维FTE磁场结构重构法.模型测试以及对THEMIS和Cluster卫星簇分别观测到的两个FTE的实际应用表明,在合适的多卫星位形条件下,该方法能快速有效重构出FTE的磁场空间分布,有助于推测FTE的磁场线位形,理解卫星测量数据的时间变化,以及分析等离子体物理量相对于FTE的磁场空间分布特征.      

磁尾等离子体片对流对亚暴的影响

采用2(1/2)维全粒子电磁模拟方法研究了等离子体片中稳态对流及局地爆发高速流对磁层亚暴触发过程的影响.研究发现,地向瞬时局地高速流可触发磁场重联,导致储存于磁尾磁场能量的快速释放.但是,等离子体片稳态对流可抑制磁尾磁场重联过程.此项研究结果表明,局地爆发高速流能够触发磁层亚暴;而行星际磁场(IMF)持续南向时的稳态磁层对流期间,不易发生亚暴.      

二维磁流体动力学平衡日冕

应用解析和数值相结合的方法,本文处理了球对称太阳引力场中具有磁场的非粘、可压缩、完全导电等离子体的二维磁流体动力学平衡问题.得到了两种不同的解:(1)一种相应于磁场具有闭合区和开场区的稳定、自洽的等离子体流动,开场区几个太阳半径之外等离子体径向速度达到大值,超过了局地声速和局地Alfén速度;(2)等离子体速度总是小于局地声速和局地Alfvén速度,并当径向距离很大时速度趋于零.     

空间等离子体云的回旋同步辐射

CME在行星际空间传播时, 会导致强磁场、高密度等离子体云的出现. 回旋同步辐射是此类等离子体的一种主要的射电辐射机制, 且携带行星际磁场的重要信息. 本文重点探讨了光深τν ≤1时回旋同步辐射的发射、吸收及极化特性, 包括热电子、非热电子, 投掷角各向同性、投掷角各向异性等离子体云的回旋同步辐射过程的研究分析. 在此基础上, 推导了考虑折射指数情况下, 辐射强度、辐射亮温的表达式.      

太阳大气中有限振幅磁场扰动的动力学过程

本文从完整的磁流体动力学方程组出发,通过太阳大气中磁力线管根部有限振幅磁场的扰动,研究了非线性磁场的动力学演化。假设初始磁场位形足β<<1的势场,根部磁力线管磁场扰动,驱动等离子体运动,一部分磁能转换为等离子体动能。等离子体压缩运动具有快磁声波的特性。计算结果给出非线性磁场演化的定量关系,可以解释太阳大气中日冕活动过程。也可用于模拟实验室里高β实验装置中的等离子体的持性。      

基于传输矩阵法的等离子体鞘套传输特性分析

引入分层模型传输矩阵法,分析高速临近空间飞行器等离子体鞘套传输特性.通过对典型飞行器模型进行纳维-斯托克斯方程组数值求解,仿真了等离子体鞘套的流场电子密度分布,分析了电磁波在等离子体鞘套内传输时的衰减常数,给出信号传输的反射系数和透射系数.基于传输矩阵法的仿真结果与理论分析结果和时域有限差分法仿真分析结果有良好的一致性,同时,该方法有效降低了计算复杂度,适用于任意电子密度分布和厚度的等离子体鞘套传输特性的数值求解.      

A new inversion method of plasma density distribution of plasmasphere in the geomagnetic equatorial plane from IMAGE data

The plasma density distribution of plasmasphere in the geomagnetic equatorial plane can help us study the magnetosphere like plasmasphere, ionosphere and their kinetics. In this paper, we introduce a new inversion method, GE-ART, to calculate the plasma density distribution in the geomagnetic equatorial plane from the Extreme Ultraviolet (EUV) data of IMAGE satellite under the assumption that the plasma density is constant along each geomagnetic field line. The new GE-ART algorithm was derived from the traditional Algebraic Reconstruction Techniques (ART) in Computed Tomography (CT) which was different from the several existing methods. In this new method, each value of the EUV image data was back-projected evenly to the geomagnetic field lines intersected by this EUV sight. A 3-D inversion matrix was produced by the contributions of all the voxels contained in the plasmasphere covered by the EUV sensor. That is, we considered that each value of the EUV image data was relative to the plasma densities of all the voxels passed through by the corresponding EUV radiation, which is the biggest difference to all the existing inversion methods. Finally, the GE-ART algorithm was evaluated by the real EUV data from the IMAGE satellite.     

基于观测器的网络化控制系统的变结构控制

给出了传感器和控制器之间存在网络时网络化控制系统的一种变结构控制方法.由于对象状态的不完全可测性,利用观测器的状态来设计控制器.如果实际时延小于最大允许时延,则观测器增益矩阵可以通过求解一个线性矩阵不等式来求取,从而保证误差系统是指数渐近稳定的.控制器增益矩阵可以利用极点配置或最优控制的方法来确定,并且能够保证滑动模态是指数渐近稳定的.采用指数趋近律的方法,可以调节相应参数削弱抖振,保证系统具有要求的性能.仿真算例表明了该方法的可行性与有效性.     

柱形等离子体辐射场的数值计算和分析

参照金属辐射场的求解方法,在简化条件下计算出柱形等离子体行波传输和驻波传输的辐射图．当改变等离子体密度以及相关参数时,对应的辐射图会相应地发生变化,得出与信号在金属介质中传输相类似的结果．根据理想柱形等离子体表面波的色散关系得到波矢,求出的柱形等离子体辐射方向图与金属介质的辐射方向图相比,会发生较大的变化,因此利用等离子体进行信号传输有一定的价值．     

太阳X-EUV成像望远镜波长选择装置

太阳X射线-极紫外射线(X-EUV,X rays-Extreme Ultraviolet)成像望远镜是我国专门服务于空间天气预报研究的太阳短波成像监测仪器,望远镜工作在0.4~10 nm的X射线波段和19.5 nm的极紫外谱段,能够提供全日面、高分辨率的成像观测.波长选择装置是该望远镜的一个重要子系统,可以增强望远镜动态响应范围,有助于获取更多的反演日冕等离子体参数,这些参数可用来诊断日冕活动.该装置的运动控制具有低功耗的特点,能够满足空间应用环境的特殊要求.其中,步进电机精位置控制是设计的重点,有2种光电编码矩阵可以用于位置检测,从工程可实现角度优选出其中一种,并且从工程可靠性角度分析了该光电编码矩阵的故障模式,提出了在轨故障处理的预案.      

微等离子体转化二氧化碳发射光谱诊断

火星大气层的主要成分为二氧化碳，如果能够利用低温等离子体方法高效分解二氧化碳，使其转化为氧气和一氧化碳加以利用，可以大幅降低航天员生命保障相关载荷长途运输的成本，进一步提高生命保障能力。低温等离子体放电过程中会产生大量活性组分，可以在数百度温度下实现二氧化碳的高效解离，是具有很大潜力的二氧化碳解离与转化方式。设计了一种尺度在亚毫米级、功率输入为数瓦的直流微槽等离子体反应器，可以在较低气体温度下实现二氧化碳分解。测量了反应器电流、功率等放电参数，采用发射光谱确定了体系中激发态组分，分析了激发态粒子谱线强度随输入电压、稀释气体比例等反应器工作参数变化，利用氮气分子振转谱带测量了等离子体放电区振动温度和气体温度。研究表明，添加氩、氦、氮气均可以增强二氧化碳的分解，添加氦气可以促进二氧化碳的电离过程。稀释气体激发态因具有高能量，可以通过潘宁解离通道增强二氧化碳分解。氦组分激发态的能量高于二氧化碳电离能，可以促进二氧化碳的电离反应。微等离子体内存在强烈的振动 平动非平衡现象：振动温度约为4400~4800K，而气体温度仅为450 ~600K，表明可以通过合理的放电和结构设计，定向将能量注入到振动态，从而进一步促进二氧化碳的振动解离。     

基于BP神经网络的GEO等离子体环境参数反演分析

空间等离子体环境诱发的表面充电效应会对航天器运行产生干扰，严重时将导致太阳电池等部件失效。通过神经网络反演方法，以GEO环境中介质表面充电电位曲线作为输入，在双峰麦克斯韦分布假设下，可以逆向得到高能峰的等离子体参数。分析了GEO等离子体环境参数对表面充电电位曲线的影响，表明高能峰在充电过程中起决定性作用；其次通过MATLAB搭建BP神经网络，采用COMSOL计算得到多组充电曲线进行网络训练和反演计算，得到等离子体密度反演的平均相对误差为0.42%，温度反演的平均相对误差为0.03%，整体误差在0.1%～5.6%。结果表明，采用神经网络对等离子体环境进行反演具有可行性，该方法可以作为空间等离子体环境探测结果的对比参考和航天器非探测点表面电位计算的输入条件。     

一种GTD模型参数估计的改进2D-TLS-ESPRIT算法

针对经典二维总体最小二乘法旋转不变子空间（2D-TLS-ESPRIT）算法估计二维几何绕射理论（GTD）模型参数精度不高、抗噪性能较差这一问题，提出了一种改进2D-TLS-ESPRIT算法。首先，改进算法通过将目标的极化散射矩阵加入到二维GTD散射中心模型，使得模型对目标极化散射特征的描述更加精准；其次，构建置换矩阵得到原始回波矩阵的共轭矩阵，并将两者结合起来，从而延长了目标电磁散射数据的长度；最后，仿真结果验证了改进算法的参数估计性能与噪声鲁棒性均要优于同类已有算法，雷达散射截面积（RCS）外推结果进一步验证了改进算法参数估计性能的先进性。      

The effects of simulated microgravity on cultured chicken embryonic chondrocytes.

Using the cultured chicken embryonic chondrocytes as a model, the effects of simulated microgravity on the microtubular system of the cellular skeleton, extracellular matrix, alkaline phosphatase activity, intracellular free calcium concentration and mitochondrial ATP synthase activity with its oligomycin inhibition rate were studied with a clinostat. The microtubular content was measured by a flow cytometer. The decrease of microtubular content showed the impairment of the cellular skeleton system. Observation on the extracellular matrix by the scanning electron microscopy showed that it decreased significantly after rotating, and the fibers in the extracellular matrix were more tiny and disorderly than that of the control group. It can be concluded that the simulated microgravity can affect the secreting and assembly of the extracellular matrix. In contrast to the control, there was a time course decrease in alkaline phosphatase activity of chondrocytes, a marker of matrix mineralization. Meanwhile a significant drop in the intracellular calcium concentration happened at the beginning of rotation. These results indicate that simulated microgravity can suppress matrix calcification of cultured chondrocytes, and intracellular free calcium may be involved in the regulation of matrix calcification as the second signal transmitter. No significant changes happened in the mitochondrial ATP synthase activity and its oligomycin inhibition rate. Perhaps the energy metabolism wasn't affected by the simulated microgravity. The possible mechanisms about them were discussed.     

基于标定及补偿提高串联机器人定位精度方法

在使用串联机器人进行定位操作前,首先需要对机器人基坐标系与测量坐标系进行位姿关系的标定,针对具有隐藏机器人基坐标系以及机器人法兰坐标系的串联机构,本文提出一种等价变换思想并结合应用激光跟踪仪测得机器人末端靶标点的坐标数据建立标定矩阵方程,应用罗德里格矩阵变换将标定方程转化为三元二次矩阵方程形式,采用最小二乘法和牛顿迭代法求出数值解进而完成机器人基坐标系与测量坐标系标定的方法。然后应用这种方法进行标定试验得到了20组标定结果,通过比较标定结果偏差进而验证了这种方法的正确性。最后,本文验证了应用这种标定方法的标定结果并结合一种新的位姿补偿算法后,能极大地提高机器人末端的定位精度。