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关键词： 深度学习   非合作目标   微多普勒效应   分类识别   激光相干探测  

摘要： 随着航天技术的发展,地球有限的轨道资源愈发紧张,正确分类识别非合作目标对空间碎片清除、卫星在轨服务乃至航天器交会对接等任务均具有重要意义。目标自旋、进动或振动等微动引起的微多普勒频移是物体独一无二的一种身份特征,探测目标微动特征以进行分类及姿态识别是目前在非合作目标测量领域常用的有效手段。此外,近年来研究火热的深度学习技术在图像分类识别工作中表现出了巨大潜力,这也为非合作目标测量提供了一种新思路。鉴于此,本文从微多普勒效应理论出发,以激光相干探测为检测手段,并结合深度学习技术的优势特点,通过对所设计模型仿真计算和实验验证,提出了一种高正确率的非合作目标形态分类和姿态角识别方法。本文首先对微多普勒效应、激光相干探测以及短时傅里叶变换相关理论进行介绍,并以点散射微多普勒回波模型为基础建立了适用于激光探测的面散射模型。同时以卫星、火箭残骸及太空碎片等非合作目标为参考,设定立方体、圆锥和椭球作为被测自旋目标进行回波信号仿真,且对不同姿态角情况下的回波信号进行仿真分析,并通过短时傅里叶变换这一时频分析方法获得回波时频谱图作为目标分类的基础数据源。然后对深度学习基本原理进行介绍,并参考图像分类效果良好的Res Net搭建32层的深度卷积神经网络。与此同时根据仿真结果制作数据集,为保证数据量足够且图片尺寸满足网络需求,本文采用一种滑窗裁剪方式对源数据进行处理,进而获得长度为1.39518×10的目标分类数据集和姿态角识别数据集,其中前者类别数为3后者为46。最终对目标分类数据集训练1轮达到98.79%的测试正确率,对于姿态角识别数据集训练7轮后测试正确率基本稳定于100%。此外,本文针对含噪声数据集也进行了模型训练与测试,测试正确率也基本趋于100%,所提方法表现出了良好的抗噪能力。最后基于微多普勒效应搭建激光相干探测实验平台,并使用3D打印技术制作立方体、圆锥和椭球目标进行实验。根据实验结果再次制作目标分类数据集和姿态角识别数据集。与仿真数据集类似,实验数据集经10轮训练基本达到100%测试正确率,证明了基于深度学习的非合作目标分类识别方法有效且可行。

关键词： 超越标准模型的新物理   自旋新相互作用   Z'玻色子   精密弱力测量   磁力显微镜  

摘要： 粒子物理的标准模型（简称标准模型）描述了所有已被发现的基本粒子和除引力之外的三种基本相互作用,取得了巨大的成功,但是仍存在公认的它所不能解决的基本物理问题,例如,标准模型没有包含引力,无法解释暗物质、暗能量和强CP问题等。在超越标准模型的理论中,人们通常会引入新的玻色子,这些粒子也可能是暗物质的候选者,通过交换这些粒子可能产生一些新的相互作用。根据量子场论,假设旋转不变性成立的情况下,理论上费米子间通过交换自旋为0和自旋为1的玻色子可产生16种相互作用势能形式。本论文将针对其中一项与自旋和相对速度有关的相互作用进行探测研究。该相互作用可由交换如Z'等自旋为1的玻色子产生,对该相互作用的探测将探测相关的媒介玻色子。 本论文提出了一种基于磁力显微镜在微米间距下探测磁针尖中的自旋极化电子与核子源中核子间相互作用的新方法。在本方法中,磁探针（包括悬臂和针尖）一方面作为弱力传感器,另一方面针尖表面覆盖的CoCr磁性薄膜,可为新相互作用的探测提供自旋极化电子。核子源是由大密度（金）和小密度（二氧化硅）的质量块相间组成的密度调制结构,若新相互作用存在,密度调制结构将产生一个周期性的空间调制信号。实验中驱动磁探针在探针共振频率振动,并通过激光干涉仪测量磁探针的振幅来探测新相互作用。由于新相互作用正比于自旋极化电子与核子间的相对速度,因此当磁探针在不同密度的核子源质量块上时,磁探针的振幅不同,通过测量磁针尖振幅的变化可探测自旋相关新相互作用。 文中详细描述了磁探针的力学性能和磁学性能的表征和研究。通过测量悬臂的频率响应曲线得到磁探针共振频率f0、品质因数,采用有限元模拟的方式获得了悬臂的弹性系数Q;通过振动样品磁强计测量CoCr磁性膜的磁滞回线,验证了磁性膜的易轴方向沿着薄膜表面,采用微磁模拟获得了CoCr薄膜剩磁下的磁矩分布,并基于微磁学模拟计算了新相互作用的大小。在新相互作用探测实验前后,通过测量磁针尖-磁调制结构间的磁力验证了针尖的磁性。其次,我们采用微纳加工技术成功的制备了密度调制的核子源结构,将由不同密度材料引起的核子源表面起伏压制到2nm以下。 为了减小核子源表面粗糙度、表面缺陷等的影响,实验通过压电陶瓷位移台驱动核子源进行二维扫描测量,获得悬臂振幅图（二维数据）,在数据中未发现与核子源调制结构一致的周期信号。采用最大似然估计方法分析处理二维数据,最终在95%的置信水平下给出了作用程15μm～180μm范围内对电子-核子耦合系数的限制为|gAegVN|≤9×10-15。该探测结果为研究新粒子、新相互作用及扩展标准模型提供了更多的实验依据。

关键词： 二维材料   铁磁共振   自旋轨道矩   自旋轨道矩效率   磁化动力学  

摘要： 自旋电子学,是一门同时利用电子电荷属性和自旋属性的交叉学科,而自旋电子器件,如磁随机存储器（MRAM）和逻辑器件,在未来高效数据存储和计算技术中,具有很大的应用潜力,已在现代自旋电子学研究中引起了广泛关注。电流驱动磁矩使得MRAM和其它自旋电子器件一样,都是依赖于自旋流对磁矩的有效操纵,突破了磁场的非局域性造成的磁场驱动磁矩器件的低性能和高能耗的缺陷。研究发现,利用纯自旋流产生的自旋轨道矩（spin-orbit toqrue,SOT）是实现低功耗、高密度、快速的磁化翻转的有效途径,因此利用自旋轨道矩对磁矩的有效操纵,并构建具有高电荷流到自旋流转换效率的体系,是未来新型自旋存储器件的核心技术方向,也是现代自旋电子学研究领域的热点问题。自旋轨道矩研究大多集中在具有强自旋轨道耦合作用的多层复合薄膜体系,传统自旋源材料一般采用具有强自旋轨道作用的重金属,优质软磁常被选为复合薄膜体系中的磁性层。而由于自旋流转换率低等局限,亟需开发可产生更高SOT效率的自旋源材料体系,其中二维材料（two dimensional,2D）由于具有特殊的晶格结构和丰富的界面特性,自旋轨道矩的产生机制和表现形式都更为多样化,已成为近年来自旋轨道矩研究领域的热门方向。基于以上背景,我们以非磁层/铁磁层（NM/FM）双层异质结为基础,展开了一系列磁动力学自旋轨道矩研究。其中非磁层采用二维半导体晶体ZrSe,ZrSe具有强自旋轨道耦合作用,且其晶格结构具有对称性破缺的特点,铁磁层采用面内易磁化且高频共振场较低的镍铁合金(NiFePy)。本文主要研究结果概括如下:1.首先我们利用机械剥离、磁控溅射及微纳加工技术制备了边界清晰的优质ZrSe（7.6 nm）/Py异质结器件,对比于重金属体系Pt/Py,ZrSe（7.6 nm）/Py异质结的磁化阻尼因子非常小,这间接说明了二维超薄原子层ZrSe的界面特性使得在其上生长的Py薄膜的均匀性高且磁性良好。同时,ZrSe作为半导体,与铁磁性的Py存在阻抗失配的情况,导致界面势垒的产生,很难有自旋流从Py注入到ZrSe中,因此界面自旋泵浦效应对磁化阻尼因子的贡献近似为零。此外我们还发现,当微波流沿着ZrSe的低对称轴施加时,该异质结体系会出现一个由于ZrSe晶体结构对称性破缺导致的面外类阻尼矩分量。通过线型模型计算我们得到ZrSe（7.6 nm）/Py体系的自旋流转换效率为2.67,自旋霍尔电导率高达377.1×10～3(（?）/2e)（Ωm）。为了进一步探究体系自旋轨道矩的来源,我们改变了ZrSe厚度并进行测试,分析结果表明,体系的自旋轨道矩主要来源于体自旋霍尔效应带来的自旋流的扩散传输。2.将超薄Cu层插入ZrSe/Py界面中,我们发现体系的面内单轴磁各向异性和面外类阻尼矩分量都有明显的变化。根据ZrSe/Cu(t )/Py共振场的角度依赖性关系,我们发现Cu厚度的增加抑制了ZrSe诱导的磁性层Py的面内磁各向异性,同时也削弱了类阻尼自旋轨道矩的面外分量。当Cu厚度达到2 nm时,ZrSe/Cu(t )/Py中的面外类阻尼矩几乎完全被抑制。此外,我们发现自旋轨道矩效率随着Cu厚度的变化基本保持稳定,表明ZrSe/Py体系中界面对自旋轨道矩效率的贡献较小,进一步佐证了ZrSe中体自旋霍尔效应对SOT效率的重要贡献。3.磁性层厚度依赖性测试结果表明,ZrSe/Py(t )体系的磁阻尼因子随着Py厚度的增加而逐渐减小。外加直流调控结果显示,ZrSe/Py体系的共振线宽和共振场均随着直流大小变化而变化,通过计算我们得出直流诱导的面外类阻尼的等效场分量H为0.120 Oe/m A,类场的等效场分量H为0.193 Oe/mA。

关键词： 表面温度测量   校准   溯源平面   热平衡   黑体辐射   不确定度  

摘要： 目前,辐射测温仪的测量准确性不确定,是全球范围内中高温表面温度(>400℃)测量领域普遍存在的问题,其原因在于辐射测温仪的测量结果无法溯源。迄今为止,所有的辐射测温仪的标定都是基于黑体辐射源,在腔体状态下进行标定,这与实际测量中的平面状态不同。标定和测量状态的条件不一致导致现场测量值到计量标准器具的溯源链断裂,使得表面温度测量值无法溯源。 因此,本文解决的是如何在实验室标定中使辐射测温仪与现场测量条件一致的问题,即在平面状态下满足与实验室标定的腔体条件相同。面临的挑战包含两方面: (1)解决发射率不一致问题。辐射高温计的标定状态是接收黑体辐射源发出的黑体辐射,腔体发射率是稳定且极为接近1的。而现场被测表面的发射率不稳定且不确定。 (2)使标准器具与表面温度达到热平衡。在辐射高温计标定中,黑体辐射源提供了热平衡环境,使得标准器即热电偶与被测点的温度相同。而在测量中,由于热电偶在平面上的安装破坏了表面温度场,与辐射高温计的测量点温度不同,并且二者温度差不确定。 本文提出通过两类黑体转换的方法构建溯源平面,同时解决上述两个问题。研制了溯源装置并进行实验,评估了溯源不确定度。主要创新工作如下: (1)基于两类黑体转换构建溯源平面 表面温度溯源面临最大的挑战是平面发射率不确定。本文采用第二类黑体的理想反射特性代替第一类黑体的密闭等温性,使表面在测量中发出与标定条件相同的黑体辐射,消除了发射率不确定在溯源测量中的影响,解决了上述分析的挑战(1)。 (2)利用黑体辐射源使被测表面与热电偶达到热平衡 为解决上述分析的挑战(2),本文提出利用黑体辐射源提供等温环境,在其腔体中使测量平面和热电偶达到热平衡,在此基础上进行两类黑体的转换,在腔体中的测量平面上进行表面温度和发射率测量。 (3)研制溯源装置 为提供热平衡条件,设计大口径圆筒形黑体炉以构建足够长的腔体等温区域。为实现两类黑体的转换,采用带有前置反射器的辐射高温计作为溯源测量仪器。设计对中装置及直线推送机构,使反射器能够顺利进出黑体辐射源的腔体。 (4)溯源实验及准确性验证 溯源结果表明,被测表面在700-1000℃中的溯源平均误差为2.29℃。同时,对发射率测量的准确性也进行了实验验证,在相同温度下与标准氧化Inconel的文献数据相比,两波长下的法向发射率误差分别为0.021、0.005。在轧钢生产现场使用这一仪器校准原有的热像仪,实现了表面温度测量值到国际温标的溯源。 (5)溯源精度分析及不确定度评估 分析实际构建的溯源平面与标定条件的差异,即被测表面在两类黑体转换中是否始终符合黑体条件、溯源实验过程是否始终保持热平衡状态。采用GUM方法对溯源不确定度进行评定,在700-1000℃的平均标准不确定度为0.69℃。相比国际权威计量机构的不确定度有较大的提高。 研究结果表明,本文提出的溯源方法实现了在测量平面上构建辐射高温计的标定条件,使得辐射高温计标定条件与测量条件相统一,解决了表面温度测量值不能溯源的问题,为国际温标中表面温度量值的溯源和传递提供新思路。

关键词： 纺锤状三叶结   金属配位螺旋   手性自分类   自旋交叉现象   分子张力工程  

摘要： 结是最古老的技术之一,几千年来它一直被引入到材料来改变其性能。虽然人们早就知道DNA和蛋白质等生物大分子会自发地形成复杂的拓扑结构,但是打结所带来的确切效果远未被发现。同时,由于化学合成的分子结所具有的特殊性质也很少被探索,因此利用它们的拓扑力学特点来调控其物理化学性质更是少之又少。制约这方面研究的主要原因是除了经典的Sauvage线性螺旋策略和Leigh环状螺旋策略之外,缺乏更有效的合成高阶复杂拓扑分子结的方法。本论文围绕高效合成拓扑分子结这一科学难题,提出一种通用的“嵌套反螺旋”策略,合成一系列分子三叶结,并针对这些分子结的拓扑力学特点采用分子张力工程手段对其性质进行调控研究,主要包括以下四个部分:在第一章中,我们详细地介绍了“嵌套反螺旋”方法以及将6,6′-二甲酰基-3,3′-联吡啶和四个碳原子长的烷基链连接的双联苯胺在二价铁盐的模板诱导下“一锅”自组装合成出纺锤状金属配位三叶结TK4,然后再还原移除金属,得到纯有机的三叶结TK4D,并利用1H NMR、高分辨质谱和单晶X射线衍射等手段进行了结构的表征。同时我们还采用手性高效液相色谱对金属配位三叶结TK4的一对拓扑手性对映异构体进行拆分并利用旋光和圆二色谱（Circular dichroism,CD）研究了二者的手性光学性质。在第二章中,我们继续用此策略合成了由六个碳原子长的烷基链连接的纺锤状三叶结TK6。我们发现在没有引入任何手性中心的情况下,TK6的两个拓扑手性对映异构体在结晶过程中展现出独特的手性自分类现象。最终,我们借助X射线单晶衍射仪对二者进行了手动分离,用旋光和CD确定了（+）-TK6和（-）-TK6的光学纯度和绝对构型。在第三章中,我们利用分子张力工程手段在三种不同三叶结即TK3、TK4和TK6中引入拓扑张力,实现了热诱导自旋交叉转变现象的机械拓扑张力调控。相对于低温下的晶体参数,高温下,张力较大的TK3和TK4晶体中部分Fe-N配位键键长延长大约10%左右,八面体的畸变角度增加30%左右。这一现象也通过变温液体核磁氢谱和变温磁化率测试进行了验证。而几乎没有张力的TK6没有发生自旋交叉转变过程,只有顺磁性逐渐消失的现象。此外,三种分子结在室温下由于自旋态的差异而导致颜色的不同也可以通过肉眼直接辨别。在第四章中,为了验证“嵌套反螺旋”策略的通用性,我们进一步通过同时延长内核螺旋和外部连接碳链的长度合成了目前为止最长的三叶结TK7,它是由一个111个原子构成的大约11纳米长的闭环组成。该结的成功构建为我们探索合成出其他拓扑结构并实现其功能化提供了方向和思路。

关键词： 自旋电子学材料   电子结构   费米能级   光电子能谱  

摘要： 信息的高密度存储、高速率传输和高效率处理等飞速增长的需求使得电子器件对能源的需求更加庞大，也加剧了环境问题，所以研发和使用新型低能耗的电子学器件愈发迫切，由此产生了自旋电子学这门全新的学科。自旋电子学器件利用电子的自旋来进行信息的传递、存储和处理，因为翻转自旋所需要的能量比电荷移动要少得多，快得多，故而其器件具有低功耗、速度快和灵敏度高等诸多优势。目前自旋电子学器件的研发仍有许多未攻克的难题，例如自旋注入的效率低，自旋传输也极易受到干扰而造成信息损失。解决上述问题的有效途径之一为研究和选用合适的自旋电子学材料。典型的铁磁性过渡金属具有百分百自旋极化的电子态，是理想的实现自旋注入的源;拓扑材料的非平庸拓扑表面态由于受到空间和时间反演对称性同时保护，自旋弛豫时间长，不易受到干扰，是实现自旋传输的新一代热点材料;进而，拓扑超导体将拓扑性质与超导特性相结合，可以给自旋电子学引入纠缠和长相干效应，不但进一步增强传输效率，还为量子自旋电子学器件的实现提供了可能。上述材料优异和新奇的物理性质均来源于其费米能级附近独特的自旋电子结构，因而探究清楚材料的自旋电子结构，是突破上述问题的关键。　　在本学位论文中，利用基于同步辐射的角分辨光电子能谱以及自旋探测器去探究上述材料的自旋极化电子结构，取得了如下进展:　　(1)通过自旋分辨角分辨光电子能谱，详细研究了铁磁性Fe-p(1×1)-O薄膜在费米能级附近的自旋劈裂的电子结构。铁磁性Fe-p(1×1)-O薄膜在(Γ)点附近的电子态在正负动量空间不对称，具有面内各向异性。发现此电子态源于此薄膜Fe-O耦合的界面，而磁化方向作为一个矢量轴，打破了薄膜界面的对称性，使得界面态在受磁化影响的方向上不再平衡而产生各向异性。此机理源于铁磁晶体对称性破缺的本征特性。本工作表明，改变磁化方向不但可以实现对铁磁体系界面态电子自旋的调控，也能改变电子态在动量方向的电子有效质量，为铁磁性Fe-p(1×1)-O薄膜在自旋电子学器件的应用提供了新的思路。　　(2)研究了超导体CaBi2的拓扑电子结构。结合第一性原理计算，揭示了超导拓扑材料CaBi2中Bi的px和pz轨道的能带反转。进而，Z2不变量的计算结果为(1，000)，从而确定CaBi2为强拓扑材料。通过自旋分辨光电子能谱，直观的观测到了超导体CaBi2中两条穿过费米面的拓扑表面态，并证明了其自旋-动量锁定的电子结构。此外，理论计算发现CaBi2中每层原子贡献的电子态均有自旋极化，由于自旋光电子能谱的表面敏感特性，其层间的自旋锁定的电子结构得以被观测到的体态自旋所证实。经理论研究表明，在Bi基超导中，其超导温度受自旋轨道耦合强度的影响。CaBi2的拓扑表面态和层间锁定的自旋电子结构不仅来源于自旋轨道耦合，也是超导三重态形成的必要条件。因而本工作为继续在Bi基超导中探寻拓扑和超导关系提供了实验依据。　　(3)研究了节点线半金属Mg3Bi2不同解离面的拓扑电子结构。节点线半金属材料由于在费米能级附近具有高态密度的线性分布的狄拉克费米子，在宏观上具有近乎无耗散的输运性能，因而受到广泛关注。结合第一性原理计算，详细分析了Kagome晶体Mg3Bi2在费米能级附近存在的第二类狄拉克点构成的节点线结构。引入自旋轨道耦合后，理论计算表明狄拉克点会打开能隙，Bi的px和pz轨道发生反转。Z2不变量的计算结果为(1,000)，表明其为强拓扑材料，在能隙中会有拓扑表面态的存在。通过键能分析可知，Mg3Bi2有Mg和Bi两个不同的解离面。而理论计算表明，Mg和Bi面的拓扑表面态的色散分布不同，而且不同解离面在费米能级处的自旋电子结构也不同。随之，自旋分辨光电子能谱的实验证实了Mg3Bi2的表面电子态主要由Bi面贡献，并探测了费米能级附近的自旋-动量锁定的表面态电子结构。此工作系统的揭示了Kagome晶体Mg3Bi2的自旋电子结构，为其在自旋电子学中的应用提供了理论指导和实验依据。

关键词： 四量子比特小自旋团簇   量子Otto热机   耦合常数  

摘要： 量子热机是以“量子系统”为工作物质并对外做功的热机,与传统热机相比,量子热机具有很多不一般的性质。近些年人们为了探索量子热机的性能进行了许多研究。其中,将耦合系统作为工作物质研究量子热机的性质是一个有趣的问题。在之前的研究中,都是考虑两个量子比特或三个量子比特耦合系统作为工作物质研究量子循环或其系统纠缠度。近些年,能谱更加复杂的四量子比特耦合系统也逐渐成为人们的研究热点。本文我们构建了一个以四量子比特小自旋团簇为工作物质的量子Otto热机,计算出它的输出功和效率,并在此基础上考虑四个耦合常数的变化对热机性能的影响。第二章中,我们简要介绍了基本的量子热力学循环过程、量子Otto热机和量子纠缠等热力学和量子力学理论。第三章中,我们以四量子比特小自旋团簇作为工作物质研究量子Otto热机的输出功与效率与耦合常数的关系。我们首先计算了量子Otto热机的输出功W和效率η。为了研究方便,我们令近邻四自旋耦合常数K1与次近邻四自旋耦合常数K2相等即K1（28）K2（28）K。并且假设了三种不同的绝热变化情况:只有次近邻耦合常数J2变化、只有近邻耦合常数J1变化以及只有四自旋耦合常数K变化。比较三种情况对热机性能的影响,我们发现,热机的输出功W及热机效率η与耦合常数的大小、正负都有关系。并且当只有近邻耦合常数J1变化时,在J2足够小的区域,形成了一个有效的三能级热机,这三个能级热机与J2无关,输出功始终保持稳定。且在某个范围内,热机有可能无法工作。在第四章中,我们考虑近邻四自旋耦合常数K1与次近邻四自旋耦合常数K2不相等的情况,探究其中两个耦合常数以同比例变化时,另外两个耦合常数对热机性能的影响,我们分为四种情况进行讨论。我们发现相较于次近邻耦合常数,近邻耦合常数的影响更加突出。相比于四自旋耦合常数,两粒子之间的耦合常数对量子Otto热机性能的影响更加明显。此外还简单讨论了决定耦合常数变化情况的绝热压缩比与温度比对热机性能的影响。我们发现当四个耦合常数同时以等比例变化时,输出功的峰值随着绝热压缩比r先增后减。并且随着温度比的减小,能够使热机正常运行的绝热压缩比r的取值范围越大。最后,我们简单讨论了热纠缠对热机性能的影响。我们发现,当不同耦合常数发生变化时,热机在存在热纠缠的情况下,能够正常工作的区域不同。最后我们对全文进行了总结与讨论。

关键词： 光晶格   自旋轨道耦合   玻色-爱因斯坦凝聚体   局域化   自旋动力学  

摘要： 光晶格为研究局域化现象提供了一个纯净且高度可控的平台,囚禁于光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体会产生十分丰富的局域化现象,如自囚禁,带隙孤子,稳定的环形涡旋,环状孤子以及二维、三维的时空孤子。自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在光晶格中显著提高了凝聚体中局域波结构的稳定性。由于周期性、非线性以及自旋轨道耦合三者之间的耦合会产生独特的结构,如稳定的三维孤子,涡旋,单极子,有结点的孤子等。本文基于平均场近似和紧束缚模型,利用变分方法和数值模拟,讨论了深光晶格中自旋轨道耦合及调制自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的局域化现象及自旋动力学。第1章介绍了本文相关背景。首先综述了光晶格的实验实现以及光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体的研究现状。光晶格是操控玻色-爱因斯坦凝聚体有力的工具,由于其高度可控性,为研究玻色-爱因斯坦凝聚体局域化现象和动力学提供了纯净可控的研究平台。紧接着对自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的实验实现进行了介绍。实验上已经实现了各种自旋轨道耦合包括光晶格中的自旋轨道耦合。最后综述了光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的研究现状,自旋轨道耦合与非线性原子间相互作用间的耦合以及光晶格的周期性导致了丰富的局域化现象。第2章研究了深光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的局域化现象和自旋动力学。利用变分方法,在体系中两赝自旋组份间不存在自旋交换时,解析地得出了各种扩散、孤子、呼吸子和自囚禁等局域化现象之间转变的临界条件,并根据临界条件,得到了系统相图。在两赝自旋组份间存在自旋交换时,发现临界条件不满足的情况下会激发自旋动力学。直接淬火时,自旋交换有阻尼振荡的形式,系统最终会到达一个较高的极化态但是最终的极化态不可控,孤子态、呼吸子态不再维持;线性淬火导致了一个近乎平滑的自旋极化转变,实现了一个自旋极化的可控转变且对大的自旋轨道耦合强度,孤子态、呼吸态仍可维持。在上一章的基础上,第3章中我们主要研究可调自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在深光晶格中局域化现象及自旋动力学。利用高频近似消去Raman耦合时间依赖的调制项,获得了一个不含时的哈密顿量且实现了可调自旋轨道耦合。通过变分法,解析地得到了两赝自旋组份间不存在自旋交换时,可调自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在深光晶格中局域化现象之间转变的临界条件及相图,发现临界原子间相互作用随着调制参数的增大发生振荡且振荡幅度逐渐减弱。在两赝自旋组份间存在自旋交换的情况下,Raman耦合不满足临界条件,系统自旋动力学被激发,孤子态淬火后变为呼吸子态。最后一章对我们的工作进行了总结和展望。本文主要研究了深光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的局域化现象和自旋动力学,研究结果为光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体丰富的局域态现象的实验观测提供了理论依据。但不同参数对自旋动力学的影响以及可调自旋轨道耦合在其它外部周期势中的作用尚不明确。

关键词： 无绝缘轨道电路   补偿电容   小波包   聚类算法   状态监测  

摘要： 近年来,随着铁路技术的发展,无绝缘轨道电路因其良好的传输性能和较高的安全性能等,被广泛应用于既有线和高速铁路。其中,补偿电容作为轨道电路的重要组成部分,降低了钢轨感抗造成的影响。补偿电容故障可能导致轨道电路出现“红光带”或机车信号出现“掉码”现象,从而对轨道电路造成影响。而针对补偿电容故障,目前,我国普遍采用补偿电容故障后检测方法,该方法已不满足铁路现场从“故障修”到“状态修”的转变需求。因此,本研究立足于轨道电路系统结构和工作原理,通过建模和仿真分析,提出一种基于小波包和聚类分析实现无绝缘轨道电路补偿电容状态监测的方法。课题主要研究内容如下:(1)通过分析ZPW-2000A轨道电路的信号传输过程,基于传输线理论和电路原理建立轨道电路调整态和分路态的模型,从而得到轨道电路调整态接收电压和分路态分路电流的计算表达式。(2)基于补偿电容全部断线故障类型的调整态接收电压和分路态最小分路电流,建立轨道电路可靠性真值表,通过计算可靠性真值表中不同位置补偿电容的重要度系数,确定对轨道电路影响较大的补偿电容位置。仿真结果表明,靠近接收端的第二个和第三个补偿电容对轨道电路的影响较大。该方法可协助现场维修人员确定各补偿电容的维护优先级,为补偿电容的重点监测提供依据。(3)以补偿电容全部正常和发生不同故障时的归一化分路电流曲线波动规律为研究对象,提出了一种基于小波包的补偿电容故障特征分析方法。通过小波包去噪效果分析,选取最优小波基和分解层数对补偿电容全部正常、发生断线故障和容值下降故障时的归一化分路电流曲线进行分解和重构,得到对应的小波包系数曲线;将这些小波包系数曲线进行对比分析,选取故障特征明显的频段;最后,计算选出频段对应各补偿电容处的瞬时能量,通过将补偿电容全部正常时各补偿电容的瞬时能量与补偿电容发生断线故障或容值下降故障时各补偿电容的瞬时能量进行对比分析,提取补偿电容的故障特征。仿真结果表明,采用小波包可实现补偿电容的故障特征分析,且能大致估计补偿电容的容值下降百分比,从而为补偿电容状态监测提供数据支持。(4)以补偿电容不同容值下降百分比对应的各频段小波包能量谱为研究对象,基于改进手肘法确定补偿电容状态的最佳聚类数,并采用K-means聚类、层次聚类和模糊C均值聚类对补偿电容容值下降状态进行划分,通过对聚类结果进行分析,选择合适的划分结果。仿真结果表明,可将补偿电容状态划分为五个容值下降状态并相应设置五种预警信号颜色,从而为后续补偿电容进行状态监测和预警提供依据。(5)基于小波包的故障特征分析结果、聚类最终划分结果以及轨道电路补偿电容各状态对应的预警信号颜色,完成对补偿电容状态监测和预警流程的设计,同时基于现场实测数据和已知监测结果,验证算法准确性和可行性。结果表明,可用小波包和聚类算法实现补偿电容的状态监测和预警。综上所述,结合小波包提取的补偿电容故障特征以及聚类最终确定的划分结果,可实现补偿电容的状态监测和预警。同时,基于现场数据,验证了算法的准确性和可行性。