基于贝叶斯方法的深层充电效应风险模型评估

高能电子穿透航天器并在其内部沉积电荷从而引发深层充电效应,是导致卫星故障的重要因素之一.为了评估深层充电效应诱发卫星异常的风险,本文基于贝叶斯方法,使用一颗地球同步轨道卫星的异常数据和GOES-8卫星的电子通量探测数据,计算了不同能量阈值及累积时间的电子注量、不同卫星配置下模拟仿真的沉积电荷,并分别与卫星异常建立一系列概率风险模型.本文从模型中随机抽样得到模拟异常,并与实测异常构造混淆矩阵以评估模型拟合优度,结果表明1.0MeV电子3日累积注量-卫星异常概率风险模型为该卫星最优模型.本文利用最优模型对该卫星深层充电效应风险进行了计算,在1.0MeV电子3日累积注量达到2.0×10~(10)cm~(-2)·sr~(-1)时,该卫星发生深层充电异常的平均后验概率为27%,且95%最小可信值为22%.根据最优模型,我们对该卫星最可能导致异常的部件的材料和结构等特征做出了推断.     

用蒙特卡罗方法计算2004年7月电子暴事件对星上分系统的内部充电效应

在太阳的剧烈爆发事件期间,空间环境中的带电粒子能量和通量都得到显著增强,有时使卫星介质发生严重的内部充电而导致星上系统发生故障.但由于粒子与介质相互作用的过程较为复杂,以往一般采用粒子射入介质的经验公式对带电粒子在介质中的沉积进行模拟计算,而近年来蒙特卡洛方法逐渐成为能够进行更准确模拟的有效办法.本文以2004年7月底至8月初的空间天气事件为例,用基于蒙特卡罗方法的GEANT工具包模拟空间高能电子在卫星分系统的印刷电路板（PCB）中的沉积,计算由于内部充电效应造成的PCB内部电场的强度.利用该计算方法,并基于此次事件期间GOES卫星对空间高能粒子环境的监测数据,得到的计算结果表明这次事件期间的空间高能电子暴可能使星上介质发生显著的内部充电,并可能是此期间在轨航天器上发生的一些仪器运行异常的原因.本文采用的蒙特卡罗方法计算内部充电效应方法可以应用于对复杂位形和结构的星上系统的计算,结果可作为卫星抗辐射设计的参考,以有效应对灾害性的空间天气事件.     

高能电子爆发与绕月卫星表面电位大幅下降的联动效应

"嫦娥"一号、二号绕月飞行经历地球磁尾边界层区域时,分别在2007年11月26日—2008年2月5日和2010年10月3日—2011年2月28日,发现了15次月球轨道0.1~2 MeV电子急剧增加(Bursts of 0.1~2 MeV Energetic Electrons,BEE),卫星周围等离子体离子加速的现象.统计研究表明,这类现象发生在稳定太阳风和弱行星际磁场条件下,且无显著空间环境扰动事件发生时,离子的加速滞后于高能电子爆发,离子能量的变化与高能电子通量的时间演化正相关,地球磁鞘内侧或边界层过渡区域是该类现象的高发区,离子能量增加时卫星表面电位大幅下降可达负几千伏.为了研究高能电子爆发与绕月卫星表面电位变化的关系及其对月球表面电位的影响,本文用电流平衡法建立绕月卫星和月球表面充电模型,并假设能量电子(2eV~2 MeV)满足幂律谱的分布,模拟急剧增加的能量电子对卫星和月球表面电位的影响.模拟结果表明,能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降;能量电子总流量1011 cm-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负上千伏;月球充电到大的负电位的时间仅为卫星充电时间的1/10.鉴于高能电子急剧增加事件的高发生率(~125次/年),能量电子急剧增加使得绕月卫星表面电位大幅下降的发生率应大于实测等离子体离子加速现象的发生率(~25次/年).     

高压太阳电池阵诱发的航天器充电及放电机理

介绍了关于高压太阳电池阵引发的充电和放电效应的机理、模型及测试结果.空间站等低轨道航天器由于采用高压太阳电池阵会诱发结构体带电,主要包括正常充电和快速充电现象,以国际空间站为研究对象在分析充电机理的基础上分别建立了快速充电的物理模型,计算得到典型环境下的快速充电脉冲特征以及正常充电电位幅度与观测结果十分吻合.结果表明,快速充电是由出地影瞬间高压电池阵的帆板电压的快速启动所驱动的,而环境等离子体对玻璃盖片的充电未能快速响应并及时堵塞帆板的电子收集通道,从而导致了悬浮电位瞬间快速上升;快速充电是一种非平衡的充电过程,当发展到平衡态时即表现为正常充电.高压电池阵诱发的放电则与电池阵的结构特征密切相关,在电池阵上"金属-介质-等离子体"构成的三结合部存在负电位梯度时会发生一次放电,若一次放电出现于存在高电压梯度的相邻电池串之间时会诱发二次放电,二者都依赖于电池的结构参数.通过实验研究了一次放电和二次放电的阈值条件及其对电池结构参数的依赖关系,结果表明采用宽电池间隙、涂RTV胶对减缓两种放电均有显著效果;但对于二次放电而言,RTV胶的使用在延缓二次放电的发生同时也增加了二次放电的严重性.     

VTI介质转换波动态聚焦束偏移成像方法研究

采用多分量地震数据进行处理,可以得到高质量的转换波成像结果,进而为流体识别和裂缝预测等提供有效支持.本文在前人研究的基础上,通过求解各向异性介质qPSV转换波运动学和动力学射线追踪方程,获得转换波中心射线走时、路径及动力学信息;同时,通过修改动态聚焦型传播算子,构建出各向异性介质动态聚焦束,提出了一种各向异性介质转换波动态聚焦束偏移成像方法.模型试算的结果表明,本文研究的方法,通过综合运用纵横波信息,能够对低速异常区等复杂各向异性介质地质构造有效成像;同常规的各向异性介质转换波高斯束成像方法相比,本文研究方法在保证浅层成像精度的前提下,能够提高深层能量聚焦性,有效增强深层振幅能量.     

粘弹性介质单程波法非零偏移距地震数值模拟与偏移

地震资料分辨率降低,得不到深层介质的精确信息实际上是由于大地吸收效应的影响.同时与双程波动方程相比单程波动方程避免了多次波的干扰并且计算效率高、占用内存少.本文首先基于开尔芬粘弹性介质模型将品质因子与单程波分步傅立叶法波场延拓算子相结合,实现了粘弹性介质波场延拓,从而将单程波弹性介质波场延拓推广到了粘弹性介质.然后在定位原理,数学检波器原理以及等时叠加原理的基础之上实现了粘弹性介质非零偏移距叠前正演模拟.最后将数值模拟得到的正演记录进行弹性偏移和粘弹性偏移并进行对比分析.通过数值算例可以看出,粘弹性介质叠前正演深层的反射波能量减弱,同相轴变粗,频带变窄,主频减小,分辨率降低;粘弹性偏移不但实现了振幅的恢复,而且同时偏移剖面的垂向空间分辨率也得到了提高.     

基于人工源的甚低频电磁波空间传播特征统计分析

利用2005年1月至2010年11月DEMETER卫星记录的NWC发射站的VLF电场功率谱数据,采用指数拟合的方法,分析了VLF电磁波在卫星高度激发的电场空间分布和衰减特征.研究结果表明:(1)VLF电场在发射站上空及其磁共轭区有着很强的对应关系,存在南、北2个强电场中心涡;(2)相对于发射站的位置,VLF电场中心点具有经度和纬度偏移,日侧地磁经度偏移均值大于夜侧,而地磁纬度偏移均值则小于夜侧;(3)日侧VLF电场强度呈现出周期性的年变化;(4)在VLF电场中心10°范围内,电场强度随距离快速衰减,衰减常数b在长达6年的时间内保持稳定.在以上研究结果基础上初步构建的卫星高度人工源电磁波空间分布特征,将为研究地表-电离层电磁波传播机理提供基础技术支撑.     

基于LANL卫星的等离子体层顶位置模型改进

本文利用RBSP-A卫星在强磁暴和中等磁暴条件下测得的电子密度数据,对Goldstein等人在2019年构造的等离子体层顶位置动态解析模型进行了误差检验.发现在日侧区域,特别是羽状区的模型计算结果与观测数据存在较大误差,平均误差达到32.31%.为了改进模型的误差情况,我们利用LANL卫星数据对1998年到2006年间的14次中等磁暴情况下,日侧羽状区的等离子体层顶位置进行了统计.结果表明,随着磁暴时期(-12 h≤T_epoch≤4 h)的变化,羽状区在接近磁暴峰值时会产生西漂,而在峰值之后迅速收缩并东漂.针对这种现象,我们分4个时段,对这一时期的模型进行了修改.改进后的模型在羽状区的平均误差从27.34%下降到20.2%,准确度提高了26%,得到的模型计算结果更符合卫星观测值.     

江宁台井下地电阻率电极接地电阻分析

电极是否稳定可靠是地电阻率观测系统的重要指标之一,主要通过测量电极的接地电阻大小来评价其状态。首先,分析现有测量方法,认为线路加电测量法更合理,提出考虑电缆线电阻的线路加电测量法;其次,采用该方法和接地电阻测试仪测量方法,测量江宁台多套地电观测系统电极的接地电阻,比较分析后者的结果误差;第三,讨论其接地电阻超出标准、同深度不同电极接地电阻差异及同井孔不同深度电极接地电阻差异,其原因可能与地下低电阻率区域及电极周围的地层湿度、介质的孔隙度有关,并分析了加电测量法存在的不足;最后,当接地电阻超标时,应该依据其变化幅度来判定电极是否稳定可靠。     

极光电激流的地方时和季节变化特性研究:CHAMP卫星观测

极光电激流是极区电流系的重要组成部分.本文利用CHAMP卫星10年的高精度标量磁场数据研究了极光电激流的地方时和季节变化特征,并对卫星与地面台站观测到的极光电激流进行了对比分析.结果表明,日侧极光电激流主要受太阳辐射的影响,而夜侧极光电激流主要受亚暴的影响.极光电激流具有明显的年、半年变化特征.夏季东向电激流和日侧西向电激流强于冬季,而夜间西向电激流冬季强于夏季.东向电激流和日侧的西向电激流在两至点增强,夜侧的西向电激流则在两分点增强.西向电激流与AL、SML指数有较好的相关性,东向电激流与SMU指数有较好的相关性,而与AU指数有一定差异,这与地磁台站的有效探测范围有关.     

积云动力和电过程二维模式研究 Ⅰ．理论和模式

提出了一个模拟积云动力和电力发展的二维时变轴对称模式。考虑了１０种主要微物理过程，它们包括凝结（凝华）、蒸发、自动转换、粒子间的碰撞以及冰晶核化，次生冰晶等。在起电过程中除了考虑常规的扩散和电导起电外，重点引入了感应和非感应起电，以及次生冰晶起电的作用。作者认为后三个过程是形成积云电结构的主要物理因子。     

积云动力和电过程二维模式研究 Ⅱ．计算结果

利用一个二维时变轴对称模式，模拟积云动力和电过程发展，讨论形成雷暴电结构的物理原因．计算结果指出，软雹碰撞冰晶的感应和非感应起电机制是形成雷暴三极性电荷结构和局地产生足以导致空气被击穿的强电场的主要物理过程．雷暴下部的次正电荷区主要由非感应起电机制形成，尤其表现在雷暴发展前期和后期，很依赖于次生冰晶效应．计算得到的次正区和主负区最大电荷浓度约为１０^－８Ｃ／ｍ^３，主正区约低一个量级．     

Space environment effects and satellite design

The space environment continues to be a major cause of anomalies in communications satellites, in spite of much knowledge gained over the past three decades. The two most common causes of anomalies are surface charging and deep dielectric (dis)charging, but other effects, such as total radiation dose, must be accounted for in the design, particularly of solar arrays and electronics. Many space environments are difficult to predict accurately, for example the peak intensity of the developing Solar Cycle 23, and in particular the radiation dose to be expected from it. The recent Leonid storm provides an example of the extreme variation possible between prediction and reality. Telesat's investigations into space-weather-related anomalies are described, and our approach to minimizing susceptibility of satellites to space weather is outlined. Space environment specifications for procurement contracts are reviewed and some general design guidelines are described.     

Numerical Simulation of the Effect of a DC Electric Field on Seismic Wave Propagation with the Pseudospectral Time Domain Method

We have modeled the effect of a direct current (DC) electric field on the propagation of seismic waves by the pseudospectral time domain (PSTD) method, based on a set of governing equations for the poroelastic media. This study belongs to the more general term of the seismoelectric coupling effect. The set of physical equations consists of the poroelastodynamic equations for the seismic waves and the Maxwell's equations for the electromagnetic waves; the magnitude of the seismoelectric coupling effect is characterized by the charge density, the electric conductivity, the Onsager coefficient, a function of the dielectric permittivity, the fluid viscosity, and the zeta potential. The poroelastodynamic vibration of a solid matrix generates an electric oscillation with the form of streaming current via the fluctuation of pore pressure. Meanwhile, fluctuating pore pressure also causes oscillatory variation of the electric resistivity of the solid matrix. The simulated poroelastic wave propagation and electric field variation with an existing background DC electric field are compared with the results of a physical experiment carried out in an oilfield. The results show that the DC electric field can significantly affect the propagating elastic energy through the seismoelectric coupling in a wide range of the seismic frequency band.     

一种新的实时电磁逆散射方法

为解决介质圆柱体逆散射问题,提出一种新的在线逆散射方法,通过支持向量机将逆散射问题转化成一个回归估计问题. 该方法可应用于各种逆散射方面, 尤其是目标的几何与电磁参数重构和埋地目标探测. 文中首次将支持向量机方法应用到该领域,设置多个散射场的观测点,通过提取散射场的不同信息作为样本信息训练支持向量机, 建立了介质圆柱体的逆散射模型, 利用该模型重构了介质圆柱体的电磁参数,同时探测了埋地位置. 数值结果显示了该方法的有效性和准确性,为目标的实时逆散射研究提供了一种有效方法.     

考虑雷暴活动的全球近地稳态大气电场的精确数学解

全球大气电模式是指大气和地表构成的闭合回路,其中考虑雷暴为主要充电电源,并将雷暴作为一个垂直电偶极子来考虑.本文从电流连续方程出发,采用球谐函数展开法,边界条件采用下边界为地表大气电势,上边界为电离层底部电势,非齐次电流源函数项采用垂直偶极子假设.通过所做的非线性函数变换,得出了考虑雷暴活动的全球电模式的近地稳态解析解,并证明其能展开为有限多项式级数之和.所得结论与过去的理论分析结果和实验观测是一致的.该文的工作是对以前相关工作仅能得到近似解的一种改进,同时本文所得公式可用于今后对大气电参量进行相关的数值计算及模拟之中.     

Effective permittivity of porous media: a critical analysis of the complex refractive index model

The availability of reliable constitutive models linking the bulk electric properties of porous media to their inner structure is a key requirement for useful quantitative applications of noninvasive methods. This study focuses on the use of dielectric measurements to monitor fluid saturation changes in porous materials. A number of empirical, semi-empirical and theoretical relationships currently exists that link the bulk dielectric constant with volumetric water content. One such relationship, named complex refractive index model or Lichteneker-Rother model has been extensively applied in recent years. Here we first analyse the characteristics of this Lichteneker-Rother model by means of theoretical considerations. This theoretical analysis indicates that the Lichteneker-Rother exponent is dependent upon the geometrical properties of the porous structure, as well as the permittivity contrast between the different phases. Pore-scale modelling and experimental data further support this result. The parameter estimation robustness in presence of synthetic data error is also assessed. This demonstrates that Lichteneker-Rother parameters cannot, in general, be independently identified on the basis of bulk dielectric constant versus moisture content data.     

Signal detectability of marine electromagnetic methods in the exploration of resistive targets

We compare selected marine electromagnetic methods for sensitivity to the presence of relatively thin resistive targets (e.g., hydrocarbons, gas hydrates, fresh groundwater, etc.). The study includes the conventional controlled‐source electromagnetic method, the recently introduced transient electromagnetic prospecting with vertical electric lines method, and the novel marine circular electric dipole method, which is still in the stage of theoretical development. The comparison is based on general physical considerations, analytical (mainly asymptotic) analysis, and rigorous one‐dimensional and multidimensional forward modelling. It is shown that transient electromagnetic prospecting with vertical electric lines and marine circular electric dipole methods represent an alternative to the conventional controlled‐source electromagnetic method at shallow sea, where the latter becomes less efficient due to the air‐wave phenomenon. Since both former methods are essentially short‐offset time‐domain techniques, they exhibit a much better lateral resolution than the controlled‐source electromagnetic method in both shallow sea and deep sea. The greatest shortcoming of the transient electromagnetic prospecting with vertical electric lines and marine circular electric dipole methods comes from the difficulties in accurately assembling the transmitter antenna within the marine environment. This makes these methods significantly less practical than the controlled‐source electromagnetic method. Consequently, the controlled‐source electromagnetic method remains the leading marine electromagnetic technique in the exploration of large resistive targets in deep sea. However, exploring laterally small targets in deep sea and both small and large targets in shallow sea might require the use of the less practical transient electromagnetic prospecting with vertical electric lines and/or marine circular electric dipole method as a desirable alternative to the controlled‐source electromagnetic method.     

频散介质中地质雷达波传播的数值模拟

地质雷达所探测的地球介质常常具有频散性．为了研究地质雷达在频散介质中的探测能力,提出了频散介质中时间域有限差分法计算麦克斯韦方程的方法,给出了满足Debye关系的频散介质中的电位移和磁场的迭代算法,以及由电位移计算电场的算法．只有在电场计算时才用到介质的物性参数．提出一种新的吸收边界条件的算法,通过增加假想的介电常数和磁导率,实现了吸收层中波的无反射衰减,克服了以往Berenger完全匹配层计算时对场进行分裂带来的麻烦,从而提高了计算效率．计算实例表明,频散介质中电磁波的衰减更快,测量信号变得很弱．