离散时空直接建模思想及其在模拟多尺度输运中的应用

统一气体动理学格式是基于离散空间直接建模的思想构建的多尺度数值格式。本文对统一气体动理学格式近十年的发展进行总结,并对未来的发展方向进行展望。统一气体动理学格式的建模思路突破了传统偏微分方程数值离散求解的制约,回归物理建模的出发点,基于守恒定律在离散时空有限尺度的控制体上进行建模,利用网格界面处的动理学方程时间演化解构建数值通量,从而构造出有限控制体上取决于网格尺度和时间步长的气体动力学控制方程。统一气体动理学格式建模有两个关键点:一是宏观守恒量与微观分布函数耦合演化,二是通过界面处的多尺度时间演化解构建数值通量。统一气体动理学格式是一种多尺度数值格式,根据网格努森数能够准确捕捉从稀薄到连续不同流域的流体物理。从某种意义上说气体动理学格式提供了有效的随不同网格努森数变化的连续性方程,即连续流的纳维-斯托克斯(N-S)方程和稀薄流的波尔兹曼(Boltzmann)是统一气体动理学格式在网格努森数很小和很大情况小逼近的两个极限方程。对于连续流的黏性边界层问题的捕捉,统一动理学格式不要求网格尺度小于粒子平均自由程。统一气体动理学格式成功应用于多尺度气体输运,等离子体输运,中子、光子输运,以及气固离散两相流等领域的数值模拟,在计算精度和计算效率上都体现出明显优势。尤其对于等离子体的输运计算,统一气体动理学格式提供了一个在连续变化尺度上的模拟方法,包括从求解电子、离子的自由输运的Vlasov动理学方程到连续流域内的双流体方程以及磁流体方程。本文总结了统一气体动理学格式的建模思想,数值性质,以及格式在不同领域的应用。     

尺度自适应的离散统一气体动理学格式及在可压缩流动中的应用

基于Boltzmann-Shakhov模型方程,建立其沿特征线离散的一般形式,离散过程中对于碰撞项的处理采用显式和隐式加权平均的方法,其中权系数依赖于当地努森数,可根据当地流动尺度不同进行自适应调节。通过权系数的引入,对文献现有离散统一气体动理学格式进行改进,发展出具有尺度自适应特性的离散统一气体动理学格式(Scale Adaptive Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,SADUGKS)。将SADUGKS格式应用于若干典型可压缩流动,对格式的有效性和尺度自适应特性进行了检验,所得数值结果与文献已有结果吻合较好,表明SADUGKS格式是一种求解宽范围努森数变化、跨流域多尺度流动问题的有效算法。     

广义拉格朗日乘子MHD方程组的两类逆风分裂格式

开发高性能的磁流体力学数值模拟方法是提高空间天气数值预报研究的一个重要方面.有限体积法的逆风分裂格式具有良好的间断捕获能力，Steger-Warming和AUSM（Advection Upstream Splitting Method）是逆风分裂格式FVS（Flux Vector Splitting）方法中具有代表性的两种格式.采用这两种格式求解具有伽利略不变性的扩展型广义拉格朗日乘子磁流体力学（EGLM-MHD）方程组，对Orszag-Tang涡流问题和三维爆炸波问题进行数值模拟，结果表明两种格式均能得到稳定精确的数值结果.与Steger-Warming格式相比，AUSM格式产生的磁场散度误差更小，计算速度更快.      

差分数据通信格式RTCM3.2解码算法研究

RTCMSC-104委员会制定的差分数据通讯标准是进行多系统数据融合、提供差分数据服务、实现RTK厘米级定位的关键和基础。针对最新的差分电文格式RTCM3.2版本的多信号信息组(Multiple Signal Message,MSM)实时解码问题,按照卫星信号标志量设计思想及数据分割原理,以.net基于面向对象的程序设计思路为基础,提出RTCM3.2版本MSM类型电文的解码思路、流程及实现方法,实现电文各字段的实时、完整提取。通过实测实验数据进行解码分析,证明该方法的正确性和可靠性。     

一种适合于斜视TOPS SAR的改进PFA成像方法

针对斜视循序扫描地形观测(TOPS)合成孔径雷达(SAR)成像模式,对广义极坐标格式算法(PFA)进行改进,提出了一种先线性走动校正(LRWC)后PFA插值的成像方法。利用LRWC显著降低了距离向与方位向的耦合,简化了距离单元徙动校正过程。走动校正后方位向采样依然是均匀的,因此方位向插值可采用Chirp-Z变换快速实现。对于波束扫描及走动校正引起的多普勒调频率的方位空变问题,采用方位非线性变标(ANCS)的方法进行统一校正,大幅提高了方位向的聚焦深度,扩大了可良好聚焦的场景范围。仿真和实测数据处理结果验证了所提方法的有效性。     

基于双基地ISAR的极坐标格式算法及其改进算法

通过对双基地逆合成孔径雷达(Bistatic\|ISAR)回波信号模型进行分析,得出双基地ISAR回波信号在空间波数域的分布特性及其支撑区范围;在此基础上,提出了适于双基地ISAR的极坐标格式算法(PFA),该算法采用距离向线性插值和方位向非线性插值的方法实现极坐标到直角坐标的变换;此外,针对插值运算复杂度高的问题,在距离向插值中,引入Chirp\|Z变换代替距离向线性插值,并结合方位向非线性插值提出了基于Chirp\|Z变换的双基地ISAR的PFA算法;最后通过对点目标模型的仿真验证了所提算法的有效性。
     

一种MWENO谱体积(SVMWENO5)格式

构造一种新的谱体积(spectral volume)格式来求解双曲型守恒律,记为SVMWENO5(Spectral Volume method byMulti-Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式。其主要思想是:第一步,将空间计算区域划分为一系列单元,称为谱体积,等分每个谱体积为一些子单元,称为控制体积(control volume)。第二步,在谱体积内部采用类似MWENO5(Multi-Weighted Essentially Non-Oscillatory)的格式进行重构,而在谱体积的边界处采用传统WENO5格式进行处理。第三步,利用Runge-Kutta TVD离散方法对半离散格式进行时间离散,得到时空一致高精度全离散格式。最后,在文中给出几个经典数值算例用以验证本格式的计算能力。     

中层及低热层大气对局地时变热源的响应

采用二维交替方向隐格式(ADI),数值模拟了中高层大气对一个位于对流层高度范围的局地时变热源的响应．分析了这一过程中大气响应的能量密度,水平波数,垂直波数以及频率．模拟结果表明:响应波动携带能量向上传播,集中在较为狭窄的水平区域,该区域关于源的水平位置对称;相对于动量源驱动,热源的水平尺度对响应的水平波长决定性作用更加明显;对于高频振荡的热源,其响应的频率和源一致;响应的垂直波长(41 km)比源的垂直尺度(6 km)大得多．     

空间目标可见光相机的成像算法研究与分析

可见光相机可被应用于空间目标监测,其拍摄的图像具有高分辨率、高清晰度和高质量等优点。基于可见光探测器CMV4000获取Bayer格式数据的特点,采用了颜色插值和白平衡等方法,实现了彩色图像的重建。通过对比和分析多种插值方法,选取基于梯度的插值算法和灰度世界法用于工程实现色彩数据的重建。用彩色板等目标在实验室、暗室等场景下对算法进行仿真测试。结果表明：基于梯度的插值方法和白平衡法可以有效地恢复彩色图像,可以在空间环境中获取高质量的彩色图像。