Vol. 63, No. 14 (2014)
2014年07月20日
总论
2014, 63 (14): 140502.
doi: 10.7498/aps.63.140502
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将无线传感器网络节点观测区域中的一个混沌信号发送到融合中心，进行信号重构. 由于节点的通信带宽受限，信号传输之前需要进行量化，给信号带来量化噪声，使得信号重构工作变得更为棘手. 本文提出用平方根容积卡尔曼滤波器对融合中心收集的信号进行重构. 首先估计观测信号的概率密度函数，使用最优量化器量化观测信号，在有限的量化比特数下，取得最优的信号量化性能. 平方根容积卡尔曼滤波器相对无先导卡尔曼算法具有较少的求容积分点，因此具有计算量小的优点，同时迭代过程采用传递误差矩阵的平方根矩阵，保证迭代过程的稳定性和提高数据估计精度. 仿真结果表明，该算法能够有效和快速地重构观测信号，并且比基于无先导卡尔曼滤波的算法更快.
2014, 63 (14): 140301.
doi: 10.7498/aps.63.140301
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以小振幅波理论为基础，利用摄动方法研究了三层密度分层流体的毛细重力波，给出了三层成层状态下各层流体速度势的二阶渐近解及毛细重力波波面位移的二阶Stokes波解. 结果表明：一阶解及二阶解除了依赖于各层流体的厚度及密度，与表面张力也有很重要的关系.
2014, 63 (14): 140503.
doi: 10.7498/aps.63.140503
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神经群模型是典型的非线性系统，具有丰富而复杂的动力学行为模式. 神经群兴奋性和抑制性突触具有可塑性，并对神经群动力学特性具有重要调控作用，研究突触可塑性对神经群动力学特性的调控规律具有重要意义. 本文基于分岔理论，通过神经群模型兴奋性和抑制性突触增益的余维一分岔分析，分别给出了神经群运行于单稳、双稳、正常和异常极限环振荡状态的兴奋性和抑制性突触增益的单参数区间；进而通过兴奋性和抑制性突触增益的余维二分岔分析给出了神经群运行于上述多种状态的双参数区域. 上述结果定量剖析了兴奋性与抑制性突触可塑性及二者的相互作用对神经群动力学特性的调控规律，揭示了兴奋性与抑制性的动态平衡在神经电活动调控中所扮演的关键角色，仿真结果验证了分岔分析的正确性. 本文的研究对理解突触可塑性在脑功能的维持及各种神经疾病的诱发机制中所扮演的角色具有重要参考价值.
2014, 63 (14): 140506.
doi: 10.7498/aps.63.140506
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为提高电磁信号的到达角度以及多普勒效应等信道参数估计的准确性，在散射体非均匀分布下引入了散射概率和有效散射体两个物理概念，提出一种合理的改进型空间信道模型，该模型能准确地描述宏小区（macrocell）和微小区（microcell）等各种移动通信环境下的重要空时信道参数，并应用于多入多出系统（multiple input multiple output，MIMO）信道性能仿真中. 数值仿真结果与早期多径衰落信道模型对比，表明本模型的信道参数估计结果符合理论和经验，拓展了空间统计信道模型的研究和应用，对评估多天线MIMO 系统空时处理算法和仿真无线通信系统提供有力的工具.
2014, 63 (14): 140203.
doi: 10.7498/aps.63.140203
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网络时延与数据丢包极大地降低了网络化多智能体系统的控制性能，甚至会破坏稳定性. 考虑存在网络时延与数据丢包的网络化多智能体系统，提出了一种基于时延与丢包补偿机制的预测控制器设计方法，来主动地消除网络时延与数据丢包的影响. 通过对网络化多智能体预测控制系统的分析，给出了能够保证系统稳定性与一致性的控制器设计步骤. 最后的仿真实例表明了该方法的有效性.
2014, 63 (14): 140505.
doi: 10.7498/aps.63.140505
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文章研究了一类由既不可逆又不连续映像构成的全局耦合映像格子系统中的奇异态行为，计算了系统的同步序参量和空间振幅变化图. 结果表明，在某些特定的参数区间内，耦合映像格子系统会出现奇异态或团簇态，并且敏感地依赖于耦合强度的选择. 上述丰富的动力学现象是由于单映像中不连续、不可逆性以及空间耦合相互作用的结果. 通过数值模拟找到了奇异态或团簇态出现的特定参数区域.
2014, 63 (14): 140701.
doi: 10.7498/aps.63.140701
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研究了激光器扫描步长和线宽两种特性对可调谐半导体激光吸收光谱检测系统的影响，理论上推导出激光与气体吸收谱线的作用原理，分析出扫描信号（锯齿波）的台阶间隔和高度影响激光器中心波长的扫描原理. 设定了仿真参数，仿真出锯齿波台阶数与最大扫描误差关系曲线，得出扫描信号的一个周期内具有4000个台阶时，半高全宽（FWHM）大于0.01 cm-1，误差小于1‰；仿真出激光器线宽与最大幅值、线宽误差关系曲线，给出线宽误差最大为 1%，0.5% 时激光器线宽对应的最小FWHM. 在温度系数n 取0.9，大气展宽系数γair取0.005的条件下，给出温度T，压强P与FWHM关系图，推出了适用的压强与温度范围. 为指导选取激光器与气体吸收谱线、提高系统检测限提供了相关理论依据.
2014, 63 (14): 140703.
doi: 10.7498/aps.63.140703
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基于星载激光多普勒测风雷达工作原理，构建了基于连续双通道Fabry-Perot（F-P）标准具的鉴频仿真系统，仿真研究了Rayleigh通道大气风速反演算法，系统分析了Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号对Rayleigh通道反演大气视线（LOS）风速的影响，并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Rayleigh通道大气水平视线（HLOS）风速反演误差. 结果表明，基于连续双通道F-P标准具的Rayleigh通道可反演中高层大气风速；Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号影响Rayleigh通道LOS风速反演精度；Rayleigh通道风速反演对温度精度要求最高，在晴空条件下可忽略Mie干扰信号的影响；不考虑Brillouin效应时，高度2 km以下Rayleigh通道无法反演HLOS风速，高度2 km以上Rayleigh通道反演的HLOS风速误差小于0.4 m·s-1，风速标准差在1–4 m·s-1之间；同Mie通道一样，气溶胶和云的分布影响Rayleigh通道HLOS风速反演误差. 研究结果对发展星载激光雷达测风技术具有重要参考意义.
2014, 63 (14): 140704.
doi: 10.7498/aps.63.140704
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采用Pound-Drerer-Hall 稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上，实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光. 利用光腔衰荡光谱技术，测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度，并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系. 考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响，对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正. 利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移，测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13. 利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线，实验测得谱线的线宽为55 kHz，该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.
2014, 63 (14): 140201.
doi: 10.7498/aps.63.140201
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研究完整系统Appell方程Lie对称性的共形不变性与Hojman守恒量. 在时间不变的特殊无限小变换下，定义完整系统动力学方程的Lie对称性和共形不变性，给出该系统Lie对称性共形不变性的确定方程及系统的Hojman守恒量，并举例说明结果的应用.
2014, 63 (14): 140302.
doi: 10.7498/aps.63.140302
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基于单-双模组合压缩真空态一定范围内能够获得压缩增强的效果，引入单-双模组合压缩热态（DSMST），讨论其纠缠性质. 利用Weyl编序算符在相似变换下的不变性，简洁方便地导出了DSMST 的纠缠度-负对数值，并给出了当热效应存在时保持纠缠的条件. 研究表明：与通常的双模压缩态相比，随着参数的增加，DSMST的纠缠度增加. 作为DSMST的应用，利用其实现相干态的量子隐形传输. 结果表明：不同于纠缠度随压缩参数增加，保真度获得改善是有条件的，该条件恰好就是一正交分量涨落出现压缩增强的参数区域. 此外，解析推导了有效隐形传输保真度（>1/2）的条件.
2014, 63 (14): 140702.
doi: 10.7498/aps.63.140702
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研究了星载激光多普勒测风雷达系统结构，构建了基于Fizeau干涉仪的鉴频仿真系统，仿真研究了Mie通道风速反演算法，并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Mie通道大气水平视线（HLOS）风速反演误差. 仿真和统计结果表明，基于Fizeau干涉仪的Mie通道可反演低对流层大气风速；低对流层HLOS风速误差和标准差分别小于1 m·s-1和2 m·s-1；气溶胶和云的分布影响星载激光多普勒雷达测风误差，可使风速最大偏差增大一倍.
2014, 63 (14): 140204.
doi: 10.7498/aps.63.140204
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自然界中，鸟类迁徙、鱼类群游等群体智能运动具有一定的规律. 例如，鸟类迁徙以领导者和跟随者模式的直线运动为主，鱼类中以环绕运动为主. 自然界的这种群体直线运动与环绕运动具有十分重要的理论研究价值和广泛的工程应用前景. 本文针对群体环绕运动进行研究，考虑个体只能获取局部目标信息这一特性，设计均值估计器进行群体目标状态估计，建立环绕运动算法，确保实现群体圆形编队且保持队形. 通过李雅普诺夫理论分析，证明每个个体在有限时间内能获取所有目标平均位置信息，且能基于群体圆形编队队形进行目标环绕和追踪，队形随目标状态变化. 有关结果通过仿真得到进一步验证.
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2014, 63 (14): 140303.
doi: 10.7498/aps.63.140303
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文章主要解决了偏振编码的光子在不同介质间进行量子密钥分发的问题，定量地分析了光子不同分量的不同透过率引起的误码率问题，并实际分析了空气-水介质间量子密钥分发引起的误码率. 进一步给出了可以消除这种非理想BB84协议的单光子补偿方案，以及可以采用更加鲁棒、实用性的抗界面非幺正噪声的双光子编码方案，从而为未来实现全地域广域量子通信迈出了重要的一步.
2014, 63 (14): 140504.
doi: 10.7498/aps.63.140504
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交通状态预测是交通流诱导和交通信息发布系统的重要依据. 本文提出了一种基于能力区域的城市快速路交通状态预测方法，该方法通过构建神经网络分类器的能力区域，根据样本数据与交通状态类簇之间的空间距离，预测道路交通状态等级. 神经网络分类器的能力区域能够有效融合时间、空间等多种特征，并且不需要考虑各特征之间的相关性，具有很强的适应性. 实验结果表明，与经典的预测方法相比，其预测误差明显降低，均等系数增大，基于能力区域的方法预测交通状态具有较高的准确性.
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2014, 63 (14): 140507.
doi: 10.7498/aps.63.140507
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研究了二维Sinai台球系统的经典与量子的对应关系，运用定态展开法和Gutzwiller的周期轨道理论对Sinai台球系统的态密度经傅里叶变换得到的量子长度谱进行分析，并把量子长度谱中峰的位置与其所对应的经典体系的周期轨道长度做对比，发现两者之间存在很好的对应关系. 观察到了一些量子态局域在短周期轨道附近形成量子scarred态或量子superscarred态. 还研究了同心与非同心Sinai 台球系统的能级最近邻间距分布，发现同心Sinai台球系统是近可积的，非同心Sinai台球系统在=3/8下，随两中心间距离的增加，能级最近邻间距分布将由近可积向维格那分布过渡.
2014, 63 (14): 140202.
doi: 10.7498/aps.63.140202
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研究了Caputo导数定义下带有分数阶热流条件的一维时间分数阶热波方程及其参数估计问题. 首先，对正问题给出了解析解；其次，基于参数敏感性分析，利用最小二乘算法同时对分数阶阶数α和热松弛时间τ进行参数估计；最后对不同的热流分布函数所构成的两个初边值问题，分别进行参数估计仿真实验，分析温度真实值和估计值的拟合程度. 实验结果表明，最小二乘算法在求解时间分数阶热波方程的两参数估计问题中是有效的. 本文为分数阶热波模型的参数估计提供了一种有效的方法.
2014, 63 (14): 140501.
doi: 10.7498/aps.63.140501
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二维强关联电子量子格点系统的投影纠缠对态（PEPS）算法是数值计算领域中研究二维强关联电子量子格点系统最为重要的张量网络算法. 基于PEPS算法研究二维量子XYX模型与二维量子Ising 模型，本文对PEPS算法进行了一些优化和改进研究，这些优化和改进主要体现在如何进行PEPS张量的更新与如何进行物理观测量的计算这两个方面，从而可以大大提高计算资源的利用. 因而优化和改进后的PEPS算法可为研究热力学极限下的二维强关联电子量子格点系统的量子相变和量子临界现象提供一种更有效的强大的工具.
气体、等离子体和放电物理
2014, 63 (14): 145203.
doi: 10.7498/aps.63.145203
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对磁场约束下激光诱导铜等离子体光谱强度演化进行了实验研究，分析了在磁场约束环境下的等离子体光谱强度演化过程以及激光能量对光谱增强的影响. 实验结果表明：在磁场约束下铜等离子体内原子光谱和离子光谱均有所增强，在磁场约束下Cu I 510.55 nm谱线强度时间演化过程中在1.2–5.7 μs时间范围内附近出现双峰结构，在距离靶材表面0–1.4 mm空间范围内磁场约束Cu I 510.55 nm光谱增强明显. Cu I 510.55 nm和Cu I 515.32 nm光谱增强因子随激光能量的增加呈单调递减变化，激光能量20 mJ时增强因子最大分别为11和8. 对磁场约束下等离子体发射光谱强度增强的物理原因进行了探讨.
2014, 63 (14): 145206.
doi: 10.7498/aps.63.145206
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对于低气压或真空环境中的电爆炸丝，因丝沿面击穿会过早终止能量沉积过程，使丝中沉积能量（Ed）大大低于金属丝完全汽化时所需能量（Es）. 本文提出并联金属丝法延缓沿面击穿时刻以提高电爆炸丝沉积能量. 对电流上升时间为几十纳秒、幅值约为1 kA级作用下的金属丝电爆炸过程进行了数值模拟. 结果表明，在电爆炸丝两端并联一定尺寸的金属丝可降低爆炸丝端电压上升率，从而推迟电压上升过程中沿面击穿时刻，显著提高丝中沉积能量和过热系数.
2014, 63 (14): 145204.
doi: 10.7498/aps.63.145204
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偏滤器是托卡马克中与等离子体直接接触的部件，为了保证装置的寿命，需要尽可能地减小等离子体对偏滤器靶板的侵蚀. 本文用粒子模拟的方法研究了不同等离子体温度情况下碳和铍两种杂质离子对钨偏滤器侵蚀速率的影响. 模拟首先得到稳定的鞘层结构、入射到靶板的离子流和能流密度，并通过统计获得了入射离子的能量和角度分布，最终根据这些物理参量，采用经验公式计算出钨靶板的侵蚀速率. 研究表明，在等离子体温度不太高的情况下，钨靶板的热侵蚀几乎不起作用，而由于杂质离子对钨的物理溅射阈值较低，并且会通过鞘层加速获得能量，因此其对钨壁材料的物理溅射是导致靶板侵蚀的主要原因，另外靶板材料的侵蚀速率随着等离子体温度升高以及杂质含量增大而急剧增大.
2014, 63 (14): 145205.
doi: 10.7498/aps.63.145205
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真空弧离子源在真空镀膜、材料表面改性、真空大电流开关、加速器离子注入等领域有广泛应用，目前国内外对真空弧放电等离子体的研究主要针对纯金属或合金电极，对含氢电极的研究和公开报道较少. 本文利用高时空分辨的四分幅图像诊断系统，结合氢和钛原子特征线单色器件，研究了含氢钛电极的真空弧微秒级脉冲放电等离子体的轴向和径向时空分布特性. 研究表明：在真空击穿阶段，阳极区域发光更为明显，阳极电极解吸附释放的氢原子是引发击穿的主要放电介质；在真空弧阶段，阴极-绝缘-真空三结合点处产生圆锥状阴极斑，喷射出大量的等离子体以维持弧放电，同时电极内壁非阴极斑区域也有少量等离子体产生，等离子体中H原子的轴向和径向空间分布均比Ti原子均匀.
2014, 63 (14): 145201.
doi: 10.7498/aps.63.145201
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利用神光Ⅱ号八路激光与平面Al靶相互作用产生双等离子体喷流. 利用阿尔芬-欧拉磁流体动力学标度变换理论产生的喷流与天体环境下形成的W43A喷流进行比较. 发现在实验室中直接测量的喷流物理量经过变换后，与天文观测数据极其相似，同时提出重联电场对喷流的形成与准直存在直接的影响.
2014, 63 (14): 145202.
doi: 10.7498/aps.63.145202
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利用激光诱导击穿光谱技术对食用明胶样品中的铬元素进行定量分析. 采用Nd：YAG脉冲激光器三倍频输出的355 nm激光诱导击穿食用明胶产生激光等离子体，测量等离子发射光谱. 实验数据表明：使用内标法定量分析食用明胶样品中铬元素浓度分别为10–200 ppm（1 ppm=10-6）时，铬元素含量与分析谱线（CrI：245.43 nm）强度之间具有很好的线性关系. 分析了光谱探测延迟时间对明胶中铬元素激光诱导击穿光谱的影响，利用信号强度与信噪比获得了优化的光谱探测延迟时间实验参数.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (14): 148502.
doi: 10.7498/aps.63.148502
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提出了对称三材料双栅应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构，为该器件结构建立了全耗尽条件下的表面势模型、表面场强和阈值电压解析模型，并分析了应变对表面势、表面场强和阈值电压的影响，讨论了三栅长度比率对阈值电压和漏致势垒降低效应的影响，对该结构器件与单材料双栅结构器件的性能进行了对比研究. 结果表明，该结构能进一步提高载流子的输运速率，更好地抑制漏致势垒降低效应. 适当优化三材料栅的栅长比率，可以增强器件对短沟道效应和漏致势垒降低效应的抑制能力.
2014, 63 (14): 148102.
doi: 10.7498/aps.63.148102
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在纳米金刚石薄膜中注入剂量为1012 cm-2的氧离子，并进行700，800，900和1000 ℃的真空退火处理，系统研究薄膜的微结构和电化学性能结果表明，氧离子注入未退火（O120）和氧离子注入1000 ℃退火（O121000）电极的电势窗口分别为4.60 V和3.61 V，远大于其他电极的电势窗口，并且这两个样品的电极传质效率较高，说明氧离子注入和高温退火有利于提高电极的传质效率. 红外光谱测试表明，样品O120 和O121000的表面没有碳氢基团终止层，而其他样品均含有氢终止层，说明氧离子注入和高温退火破坏了薄膜表面含碳氢基团的氢终止层，提高了薄膜的电化学性能Raman光谱测试结果表明，金刚石含量较高、内应力较小和非晶石墨相无序化程度较大的样品具有较好的电化学性能；并且薄膜晶界处的非晶碳的团簇数量或者尺寸减小，样品的电化学性能提高.
2014, 63 (14): 148702.
doi: 10.7498/aps.63.148702
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根据超声成像系统的超声回波信号互相关性，提出互相关自适应加权超声成像算法. 该算法根据散射点回波信号之间的空间相关性设置加权系数，对不同位置的散射点进行自适应加权成像，从而降低了成像系统的旁瓣，抑制了相关性较差的噪声. 通过Field Ⅱ 仿真的点目标和吸声斑目标处理结果表明该方法成像的横向和纵向分辨率高，成像速度快. 相对于延时叠加（DAS）算法，该算法对散射点成像可提高对比度16 dB，对于吸声斑成像可提高对比度0.85 dB. 最后采用完备数据集进行实验，结果表明该算法成像分辨率优于DAS算法，对比度提高了17 dB.
2014, 63 (14): 148101.
doi: 10.7498/aps.63.148101
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本文采用重合位置点阵理论构建了 -Fe的3[110]（112）对称倾转晶界模型，通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了稀土La元素在 -Fe中的占位倾向. 结果表明，La在 -Fe晶界的杂质形成能最低，因而La原子倾向于占据晶界区；掺杂La前后的 -Fe晶界电子结构计算结果显示，La占位于 -Fe晶界会使体系中的电荷发生重新分配，将提供更多电子用于晶界区成键，使得Fe原子得到更多的电子，这将导致掺杂区原子间结合有离子化趋势，从而使La与晶界区相邻Fe原子之间的相互作用加强，也使晶界原子与晶界两侧Fe原子的键合加强，从能量角度解释了材料宏观力学性能变化的原因；计算同时发现，La加入后，也使晶界上的原子成键区态密度左移，降低了体系的总能量，使晶界结构更为稳定.
2014, 63 (14): 148401.
doi: 10.7498/aps.63.148401
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为考察合成孔径雷达反演海面风场变分模型精度，开展了误差分析试验．在背景场误差为极大值条件下分析场误差低于背景场误差，且随背景场风向增大呈周期性变化；在背景场误差逐渐变大条件下分析场误差逐渐增大，误差偏离方向与背景场误差偏离方向一致；在特定背景场条件下与直接反演模型相比，低风速时反演误差略高，中高风速时反演误差明显较低. 总体来讲，变分模型误差小于背景场误差，风速反演误差小于1.60 m/s，风向误差小于17.15°.
2014, 63 (14): 148503.
doi: 10.7498/aps.63.148503
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提出了一种沟槽型发射极SiGe异质结双极化晶体管新结构. 详细分析了新结构中沟槽型发射极的引入对器件性能的影响，并对其机理进行研究. 新型发射极结构通过改变发射极电流路径使电阻分区并联，在不增大结电容的前提下，有效减小发射极电阻，提高器件的频率特性. 结果表明，新结构器件的截止频率和最大振荡频率分别增加至100.2 GHz和134.4 GHz，更重要的是沟槽型发射极结构的引入，在提高器件频率特性的同时，不会降低器件的电流增益，也不会增加结电容，很好实现了频率特性、电流增益和结电容之间的折中. 对沟槽型发射极进行优化设计，改变侧墙高度和侧墙宽度. 沟槽型发射极电阻不受侧墙高度改变的影响，频率性能不变；侧墙宽度增加，频率性能降低.
2014, 63 (14): 148701.
doi: 10.7498/aps.63.148701
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介绍了0.2 THz频率步进雷达系统以及获得一维距离像的方法，并利用0.2 THz雷达对角反射器进行距离像分辨率实验，分析了频率步进信号相位不一致对一维距离像以及分辨率的影响，提出了回波相位补偿的方法. 经过相位补偿后，目标距离像分辨率和信噪比都显著提高，分辨率达到了厘米量级. 仿真和实验结果表明，宽带太赫兹频率步进雷达经过相位补偿，可以对目标进行高分辨率成像，从而为太赫兹雷达二维和三维成像奠定了基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (14): 144203.
doi: 10.7498/aps.63.144203
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从理论上提出了一种制备窄线宽三光子频率纠缠态的实验方案，该三光子纠缠态利用在两个冷原子系综中的四波混频和电磁诱导透明来产生. 利用二阶微扰理论完成了相关计算，并通过分析光子符合计数，研究了该三光子纠缠态的特性，证明其具有类似于离散变量三粒子W态的基本性质，并具有光子反群聚效应.
2014, 63 (14): 144501.
doi: 10.7498/aps.63.144501
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研究力学系统Birkhoff动力学函数的构造方法. Santilli 第二方法是目前构造Birkhoff动力学函数时常用的方法之一，但研究发现其计算公式存在冗余项. 通过具体的证明得到了简化的Santilli第二方法，从而为自伴随系统Birkhoff动力学函数的构造提供了更为简洁的计算公式. 举例说明结果的应用.
2014, 63 (14): 144204.
doi: 10.7498/aps.63.144204
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采用N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和四氢呋喃（THF）为溶剂，用离散法制备二硫化钼（MoS2）悬浮溶液，并用开孔Z扫描方法研究其在可见和近红外区域的非线性光学特性. 结果显示，在强激光照射下，MoS2（in THF）悬浮溶液在可见波段（530 nm）透过率增强为常光透过率的1.54 倍，表现为饱和吸收；在近红外波段（790 nm）透过率减弱为常光透过率的0.6 倍，表现为反饱和吸收，具有很好的波长选择性光限幅效应. 而作为对比的MoS2（in DMF）悬浮溶液在全波段透过率降低，呈现反饱和吸收特性，波长选择性不明显. 机理解释可能为饱和吸收和热效应导致的自衍射两种机制联合作用.
2014, 63 (14): 144205.
doi: 10.7498/aps.63.144205
摘要 +
采用提拉法生长出了高浓度掺铒（35 at%）钇钪镓石榴石（Er：YSGG）激光晶体. 测试了该晶体在340–1700 nm波段内的吸收光谱，对其中Er3+的实验能级进行了分析指认. 用Er：YSGG的102个实验Stark能级，拟合了它的自由离子参数和晶体场参数，均方根误差（拟合精度）σ为10.34 cm-1. 结果表明，参数化Stark 能级的拟合结果与实验光谱符合得较好. 将拟合得到的Er：YSGG实验结果与文献中已报道Er：YAG 的自由离子参数和晶体场参数进行了比较. 指出Er：YSGG具有较强的晶体场相互作用或许是其激光效率较高的主要原因之一.
2014, 63 (14): 144701.
doi: 10.7498/aps.63.144701
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针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了相对湿度测量的准确度，提出一种新颖的相对湿度误差修正方法–基于流体动力学的数值分析法. 在流体-固体耦合传热数值模拟分析中考虑探空湿度传感器的外部热环境情况，施加对流-太阳辐射耦合热边界条件，建立了地面到32 km高空不同气压和温度条件下探空湿度传感器的温度误差分析模型. 结合Goff-Gratch饱和水汽压逼近公式，进而提出了相应的相对湿度误差流体动力学数值分析模型，并且着重研究了太阳辐射方向、传感器尺寸、反射率和衬底材料热导率等物理参数对相对湿度误差的影响. 分析数值仿真结果表明：随着海拨的升高，其与太阳辐射加热引起的相对湿度误差之间存在非线性的单调递增关系；太阳辐射方向对于湿度测量精度的影响显著，当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大、传感器顶部时次之、侧面时误差最小；虽然通过减小探空湿度传感器的尺寸、降低衬底材料的热导率以及提高反射率均可以一定程度地降低太阳辐射加热引起的相对湿度误差，但是在低气压高空条件下，太阳辐射加热误差对于湿度准确性的影响仍然十分明显，需加以修正. 与实验结果对比表明，基于流体动力学模拟仿真的相对湿度误差数值分析法为辐射误差修正提供了一种新的途径.
2014, 63 (14): 144702.
doi: 10.7498/aps.63.144702
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为了便于对任意边界形状的计算域快速地布置均匀粒子，提出了一种改进的光滑粒子流体动力学前处理方法. 该方法是在2012年Colagrossi等提出的算法基础上进行改进后得到的. Colagrossi 等提出的算法能够计算一些简单外形分布比较均匀的粒子. 然而当光滑长度与初始粒子间距的比值较大时该方法在计算过程中会出现较强的数值震荡问题，收敛速度慢；而且在计算过程中可能会遭遇流体粒子穿透固体壁面的问题. 本文通过引入未知因素修正的平滑粒子动力学模型来提高计算稳定性，并通过对边界附近的流体粒子施加边界力来避免流体粒子穿透固体壁面. 算例验证结果表明，利用改进后的光滑粒子流体动力学前处理方法能够快速地对各种边界形状的计算域分布均匀粒子，并且避免了流体粒子穿透固体壁面的问题.
2014, 63 (14): 144201.
doi: 10.7498/aps.63.144201
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空间光学系统在对深空探测、监视、威胁侦测和对地高分辨率侦查等应用中，不仅需要能同时获得高分辨率和宽视场范围的变焦系统，还需要体积小、重量轻、低能耗及快速调焦的系统，传统机械变焦系统因需要复杂精确的机械运动控制而存在诸多问题. 因而，基于主动光学理论，将主动光学元件应用到成像系统中，提出了通过某个或某几个光学元件的曲率半径变化实现系统焦距变化的理论. 根据初级像差理论和系统的外形尺寸，研究了系统主动变焦原理，确定了初级像差方程组的约束条件，求解共轴主动变焦系统的初始结构参数，借助ZEMAX软件进行优化设计，设计了一个由静止的主镜、曲率半径作为变量的次镜和三镜、无光焦度的平面镜组成的三反射主动变焦系统. 由于该共轴三反射主动变焦系统存在两次遮光，会影响系统像面能量的接收，因此，指出对共轴系统进行无遮拦离轴优化设计的必要性，讨论了离轴系统设计理论，并设计了离轴三反射主动变焦系统.
2014, 63 (14): 144202.
doi: 10.7498/aps.63.144202
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提出了一种具有二重对称性的ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF（ZBLAN）氟化物玻璃基的光子准晶光纤. 光纤结构是以ZBLAN氟化物玻璃为背景材料，外包层由圆形空气孔以正方形与正三角形分布组成的基本单元构成，在芯区两侧引入两个对称的葡萄柚空气孔，以增加光纤的双折射. 应用全矢量有限元法，研究了光纤的双折射和限制损耗特性与结构参数的关系. 通过优化光纤结构参数，在1800–2200 nm的波长范围内获得了具有单模传输特性的高双折射光纤，其模式双折射高达10-2，比普通保偏光纤高出两个数量级，与目前报道的采用椭圆空气孔微结构光纤获得的高双折射具有同样的量级. 但与具有椭圆空气孔微结构光纤相比，提出的光纤结构更易于制作. 研究结果为开辟2 μm波段光器件的研究做出了有益的探索.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (14): 146102.
doi: 10.7498/aps.63.146102
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运用多体展开理论和量子化学方法–超分子单、双（三重）激发微扰处理耦合簇CCSD（T）方法，首次系统地计算了面心立方固氪在较宽（从晶格平衡位置到体积压缩率超过3倍）区间的两体、 三体和四体相互作用对结合能和物态方程的贡献大小，包括Hartree-Fock 自洽场项和范德瓦耳斯长程关联作用项；并与实验数据进行比较. 结果表明，在考虑到两体、三体、四体相互作用能后，多体展开理论以及CCSD（T）方法对平衡位置结合能测量数据0–130 GPa整个研究区间的实验物态方程数据都做出令人满意的描述.
2014, 63 (14): 146801.
doi: 10.7498/aps.63.146801
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采用热蒸发法在普通载玻片上制备了碘化铯（CsI）多晶薄膜，采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、高阻仪、红外分光光度计研究了暴露于潮湿空气对CsI薄膜结构、电阻率及红外透过率的影响. SEM结果表明，薄膜中颗粒平均尺寸由0.36 μm变为1.25 μm. 吸附水沿颗粒间界扩散，间界发生弯曲和移动，大颗粒吸收小颗粒质量长大. XRD分析表明，（110）晶面衍射峰强度增加，峰位向高角度移动，半高宽减少，薄膜张应力减小，趋于形成（110/220）织构，晶粒平均尺寸为25.6，28.4，45.1 nm. 受潮后薄膜电阻率由1010 Ω·cm量级减少为108 Ω· cm量级. 在3675–3750 cm-1和3560–3640 cm-1位置出现接近游离水而非液态水的红外吸收峰，观察到吸收峰的精细结构，峰分裂源于受离子偶极键影响的羟基与吸附水气液界面处悬键的伸缩振动.
2014, 63 (14): 146101.
doi: 10.7498/aps.63.146101
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介绍聚合物分散液晶和应变液晶概念，给出聚合物分散液晶调光玻璃的“正压光效应”、“负压光效应”和“反式压光效应”三种效应定义. 实验制备出负压光效应和反式压光效应新型应变调光玻璃样品，测试样品散射态雾度90%以上，半透明态透光率接近30%. 用偏光显微术研究压光效应原理，表明对样品施加垂面按压或拉伸的应力诱导作用会引起液晶微滴中液晶分子具有某些特殊排列方式，导致样品光学性质发生显著变化. 建立垂面拉伸液晶微滴模型，计算模拟所绘出的图形与偏光显微镜照片独特花样十分相似，进而合理解释了实验现象. 应变液晶压光效应研究具有聚合物分散液晶基础研究意义和开发非电控调光玻璃的实际应用价值.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (14): 147101.
doi: 10.7498/aps.63.147101
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目前，氧空位对ZnO形成杂质能级的研究结果存在相反的结论，深杂质能级和浅杂质能级两种实验结果均有文献报道，并且，在实验中高温加热的条件下，氧空位体系ZnO中导带自由电子增加的来源认识不足. 为了解决此问题，本文采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法，建立了纯的与两种不同氧空位浓度ZnO超胞模型，分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布、布居值和差分电荷密度的计算. 结果表明，氧空位浓度越大，系统能量越上升、稳定性越下降、形成能越高、氧空位越难、导带越向低能方向移动、电子跃迁宽度越减小、吸收光谱越红移. 这对设计制备新型氧空位ZnO体系光学器件有一定的理论指导作用.
2014, 63 (14): 147701.
doi: 10.7498/aps.63.147701
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采用改良的固相烧结工艺制备了Bi5-xPrxFe0.5Co0.5Ti3O15（BPFCT-x，x=0.25，0.50，0.75，0.80）陶瓷样品. X射线衍射结构分析表明：镨（Pr）含量对样品微观结构产生了影响，但所有样品均为层状钙钛矿结构；BPFCT-x样品的剩余极化强度（2Pr）随着掺杂量的增加呈现出先增大后减小的变化趋势，当Pr 含量为0.75时，样品的2Pr达到最大值，为6.43 μC/cm2. 样品的磁性与铁电性能具有相同的变化规律，室温下样品的剩余磁化强度（2Mr）也呈现出先增大后减小的趋势，并且也在x=0.75时达到最大为0.097 emu/g. 随着Pr掺杂量增大，样品的室温下铁电和铁磁性能得到明显改善，并且当掺杂量为0.75时，样品室温多铁性最好. Pr掺杂降低了样品中的缺陷浓度，从而提高了样品铁电畴动性，这有助于提高样品铁电性能. 而样品铁磁性能的改善可能与Pr对样品晶格畸变产生的影响有关.
2014, 63 (14): 147902.
doi: 10.7498/aps.63.147902
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为了精准快速地计算微波器件中微放电效应的阈值，在传统蒙特卡罗方法的基础上，提出了三种不同的蒙特卡罗方法，分别对二次电子的初始能量、出射角度和初始相位等参数进行随机，结合四阶龙格-库塔法和Furman模型计算电子的运动轨迹和单次碰撞产生的二次电子发射系数，然后应用不同的方法计算有效二次电子发射系数作为微放电效应的判据. 以平板传输线TEM模式为研究对象，采用四种不同的蒙特卡罗方法计算微放电阈值，并与统计模型结果进行对比. 结果表明单电子-多碰撞蒙特卡罗方法误差最小，而且稳定性最好.
2014, 63 (14): 147301.
doi: 10.7498/aps.63.147301
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研究了Ni/HfO2（10 nm）/Pt存储单元的阻变特性和机理. 该器件具有forming-free 的性质，还表现出与以往HfO2（3 nm）基器件不同的复杂的非极性阻变特性，并且具有较大的存储窗口值（>105）. 存储单元的低阻态阻值不随单元面积改变，符合导电细丝阻变机理的特征. 采用X 射线光电子能谱仪分析器件处于低阻态时的阻变层HfO2薄膜的化学组分以及元素的化学态，结果表明，Ni/HfO2/Pt阻变存储器件处于低阻态时的导电细丝是由金属Ni导电细丝和氧空位导电细丝共同形成的.
2014, 63 (14): 147102.
doi: 10.7498/aps.63.147102
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采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法，建立了未掺杂与不同浓度的Tl 原子取代In原子的In1-xTlxI超胞模型，分别对模型进行了几何优化、能带分布、态密度分布和吸收光谱的计算. 结果表明：Tl 掺杂浓度越小，In1-xTlxI形成能越低，晶体结构越稳定；Tl的掺入使得InI体系导带向高能方向移动，而价带顶位置基本没变，导致禁带宽度变宽，InI吸收光谱出现明显蓝移现象.
2014, 63 (14): 147401.
doi: 10.7498/aps.63.147401
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采用密度泛函理论中的广义梯度近似研究C6Li吸附H2O分子并将之进行分解的催化过程. 几何优化发现：Li原子最稳定的吸附位置是位于C 原子顶位上方. 研究表明，第一个H2O 分子吸附在C6Li上需要克服1.77 eV的能量势垒，然后分解为H和OH且与Li原子成键. 当吸附第二个H2O分子时，第二个H2O分子需要克服1.2 eV的能量势垒分解为H和OH，其中H与Li原子上的H原子结合成H2，OH则替代Li 原子上的H结合在Li原子上. 因此C6Li 可以作为催化剂将H2O分子进行分解得到H2. 分析可知：C6Li主要是通过Li原子与H2O之间形成的偶极矩作用来吸附H2O 分子，与C60Li12 的储氢机制类似. 研究结果可为储氢材料的制备提供一个新的思路.
2014, 63 (14): 147502.
doi: 10.7498/aps.63.147502
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由于一级相变磁制冷材料发生磁相变时有晶胞体积的突变，相变过程中有相变潜热存在，其磁化过程中有许多磁学问题有待于进一步探究. 本文以LaFe13-xSix合金为研究对象，在现有对磁一级相变基础问题的分析基础上，对一级相变材料中系统熵变、等温熵变、绝热温变、热滞、磁滞、铁磁与顺磁态两相共存的温度区间和磁场区间、制冷能力的计算等磁学基础问题进行了较为细致的探究. 分析表明，在忽略完全铁磁态和顺磁态对磁热效应的贡献时，Maxwell 方程和Clausius-Clapeyron 方程计算熵变的值具有等效性. 等温磁化过程中升温和降温曲线包围的面积SABCE（磁滞的大小），实际上是升温过程和降温过程中磁场做的净功，等于相变潜热之差. 磁滞和热滞的大小与磁化过程数据测量的时间有关，测量时间越长则滞后越小，当相变是平衡相变则滞后为零. 另外，对温度和磁场诱导磁相变过程进行了分析，提出了一级相变磁制冷材料制冷能力的不同计算模型. 本文对一级相变磁制冷材料的磁学基础问题研究有一定的参考价值.
2014, 63 (14): 147503.
doi: 10.7498/aps.63.147503
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通过传统固相反应法制备了钙钛矿锰氧化物（La1-xEux）4/3Sr5/3Mn2O7（x=0，0.15）多晶样品，并且对其磁性和电性进行了研究. 磁性测量表明：随着温度的降低，样品经历了一个复杂的转变过程，在温度为T*时经历二维短程铁磁有序转变，在温度为TC时进入三维长程铁磁态. 随着Eu的掺杂，T*和TC减小，并且样品（La0.85Eu0.15）4/3Sr5/3Mn2O7 在低温区表现出自旋玻璃行为. 电性质测量表明：在母体La4/3Sr5/3Mn2O7中La 位掺杂Eu后电阻率明显变大，金属绝缘转变温度TMI降低，磁电阻峰值增大. 这些影响归因于较小的Eu3+离子替代La3+离子导致平均离子半径减小，晶格发生畸变. 此外，较小的Eu3+离子优先占据层间岩盐层的R-site，使La3+，Sr3+，Eu3+离子在（La0.85Eu0.15）4/3Sr5/3Mn2O7 中的分布更加有序，所以x=0.15的样品的ρ-T曲线只有一个峰.
2014, 63 (14): 147801.
doi: 10.7498/aps.63.147801
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采用共沉淀法制备了EuVO4@YVO4核壳结构纳米颗粒，然后用聚电解质聚苯乙烯磺酸钠对其进行包覆和保护，并在200 ℃下对样品水热处理0–48 h. 在水热处理48 h后，样品的发光强度增强了约5倍，平均发光寿命由0.410 ms延长至0.579 ms. 对样品的发光衰减曲线的拟合、分析为Eu3+的扩散提供了有力的证据. 这种自内而外的扩散降低了样品核心中Eu3+的局域浓度，削弱了浓度猝灭效应，同时又能够避免表面猝灭效应的发生，从而使得样品的发光寿命变长、发光效率迅速提升.
编辑推荐
2014, 63 (14): 147802.
doi: 10.7498/aps.63.147802
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文章利用拉曼光谱研究了双层石墨烯在18002150 cm-1范围内的和频拉曼模. 基于双共振拉曼散射理论，利用多波长激光拉曼散射结合声子色散曲线分别从实验上和理论上分析发现，双层石墨烯在此频率范围内主要存在4个拉曼模，它们主要由LO和LA或iTA按不同共振散射方式所组成的4个和频模，而iTO 和oTO 参与和频的可能性很小. 文章澄清了学术界在18002150 cm-1频率范围内和频模的解释，有助于进一步深入理解多层石墨烯在此范围内的和频模.
2014, 63 (14): 147901.
doi: 10.7498/aps.63.147901
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近年来，金属二次电子发射系数的抑制研究在加速器、大功率微波器件等领域得到了广泛关注. 为评估表面形貌对抑制效果的影响，利用唯象概率模型计算方法对三角形沟槽、矩形沟槽、方孔及圆孔4种不同形状微陷阱结构的二次电子发射系数进行了研究，分析了微陷阱结构的形状、尺寸对二次电子发射系数抑制特性的影响规律. 理论研究结果表明：陷阱结构的深宽比、孔隙率越大，则其二次电子发射系数抑制特性越明显；方孔形和圆孔形微陷阱结构的二次电子发射系数抑制效果优于三角形沟槽和矩形沟槽；具有大孔隙率的微陷阱结构表面的二次电子发射系数对入射角度的依赖显著弱于平滑表面. 制备了具有不同表面形貌的金属样片并进行二次电子发射系数测试，所得实验规律与理论模拟规律符合较好.
2014, 63 (14): 147501.
doi: 10.7498/aps.63.147501
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用平面波展开法数值计算了椭圆柱散射体正三角排列的二维磁振子晶体带结构. 结果显示，同样的填充率下，带隙的宽度和中心频率随着椭圆两半径之比s的变化出现明显的变化，椭圆柱散射体在三角晶格中可以打开低频带隙或使低频带隙加宽.
综述
2014, 63 (14): 148501.
doi: 10.7498/aps.63.148501
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为了更好地开发和利用空间资源，各国竞相通过向空间发射卫星、空间站、航天飞机等航天器来建立探测站点和通信网络以占据具有最大优势的位置，其中空间光电系统在探索新资源方面起到关键的作用. 点对点的距离远、空间辐射强、温差较大等空间环境因素严重影响着光电系统性能的发挥，也向空间光电系统的稳定性和可靠性提出了挑战. 本文提出将具有较高的探测灵敏度、工作温度、抗辐射能力和响应带宽的新型量子点红外探测器应用于空间光电系统，阐述了量子点红外探测器的基本工作原理和优点，并讨论了量子点红外探测器在空间应用的技术要求，分析了其在空间的激光雷达、卫星光通信和成像或者非成像系统中的应用.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (14): 149201.
doi: 10.7498/aps.63.149201
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数字滤波权重的选择是影响台风路径和强度预报的重要因素，某些个例中直接决定着台风数值模拟的成功与否，合适的数字滤波权重非常重要. 本文利用2010年3个台风7个不同初始时刻个例，开展数字滤波弱约束四维变分同化（4D-Var）台风初始化试验，分析不同数字滤波权重对台风路径和强度预报的影响；基于上述台风路径和强度预报后验统计信息，以及台风中心区域800 km范围和整个模拟区域3 h平均地面气压倾向信息，提出一种bogus资料同化台风初始化中数字滤波权重优选方案，并进行理论解释说明；同时，指出bogus 资料同化台风初始化中，常规数字滤波权重为1000更合理，明显有别于常规天气和暴雨天气权重设置.
2014, 63 (14): 149202.
doi: 10.7498/aps.63.149202
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基于美国气候预报中心组合降雨分析资料对国家气候中心海气耦合模式多年夏季降水预报误差进行统计分析，以揭示模式预报误差的分布规律及特征. 研究发现，模式预报误差分布特征满足正态分布，基于误差分布特征分析模式对中国夏季降水的预测能力，通过误差分布的高斯拟合曲线特征对比模式预报与动力统计方法的预测技巧，进而得到动力统计方法改进误差分布特征的两种类型：1）变幅型改进；2）均值型改进. 在此基础上，根据模式误差的统计特征提出了一种新的旱涝预测可信度计算方法，用于定量化地评估动力统计方法在不同地区的预测可信度大小，并应用于实际预测. 最后以2012和2013年夏季降水为例，给出了实况、预测以及可信度检验. 结果显示该方法能较好地反映出预测的不确定性，较其他检验方法更具针对性，对异常降水的预测可信度反映更为准确，验证了方法的有效性，可进一步提高动力统计方法的预测服务水平.
2014, 63 (14): 149203.
doi: 10.7498/aps.63.149203
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初始场误差和模式误差是制约数值预报准确率的两个关键因素，本文主要考虑利用历史观测资料实现时空演变的模式误差的估计问题. 通过把模式误差综合考虑成为准确模式中的未知项，把历史资料看作是带有未知项的准确模式的特解，构造了求解时空演变的模式误差项的反问题及其最优控制问题. 给出了一个解决最优控制问题的无导数优化方法，该方法的优点是不需要建立原数值模式的切线性模式与伴随模式，它只需在增加一个外强迫项的基础上运行原数值模式即可实现模式误差项的最优估计. 关于Burgers方程的算例表明，无论模式的初始状态是否准确已知，无导数优化方法都能有效解决时空演变的模式误差的最优估计问题，它为实际业务模式利用历史数据提取模式误差信息并显著地改进预报效果提供了一种方便可行的数值方法与理论依据.
2014, 63 (14): 149501.
doi: 10.7498/aps.63.149501
摘要 +
提出了一种自适应光学系统响应矩阵的直接计算方法. 通过分析特征驱动器斜率影响向量的实测值与理论值的相关性估计波前校正器与波前探测器的对准误差，得到了更接近实际情况的响应矩阵. 实验结果表明，考虑对准误差后计算出的响应矩阵能够有效地进行闭环校正.
2014, 63 (14): 149401.
doi: 10.7498/aps.63.149401
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空间同步轨道上多能电子辐照聚合物的充电过程及其稳态特性是研究和抑制通信卫星静电放电的基础. 在同步电子散射-输运微观模型的基础上，采用具有10–400 keV积分能谱分布的多能电子辐照聚酰亚胺样品，进行了多能电子辐照聚酰亚胺充电过程的数值模拟，获得了空间电荷密度、空间电位、空间电场分布和聚合物样品参数条件下的表面电位和最大场强. 结果表明，多能电子与样品发生散射作用并沉积在样品内形成具有高密度的电荷区域分布，同时在迁移和扩散的作用下输运至样品底部形成样品电流；充电达到稳态、电子迁移率较小时（小于10-10 cm2·V-1·s-1），表面电位绝对值和充电强度随电子迁移率的降低明显加强，捕获密度较大时（大于1014 cm-3），表面电位绝对值和充电强度随捕获密度的增大明显加强；聚合物样品厚度对表面电位和充电强度的影响大于电子迁移率、捕获密度和相对介电常数的影响. 研究结果对于揭示空间多能电子辐照聚合物的充电现象及微观机理、提高航天器故障机理研究水平具有重要科学意义和价值.
