Vol. 63, No. 9 (2014)
2014年05月05日
总论
2014, 63 (9): 090201.
doi:10.7498/aps.63.090201
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研究了非完整系统的共形不变性与新型守恒量. 提出了该系统共形不变性的概念；得出了非完整系统的运动微分方程具有共形不变性并且是Lie对称性的充要条件. 利用规范函数满足的新型结构方程，导出系统相应的新型守恒量. 最后给出应用算例.
2014, 63 (9): 090202.
doi:10.7498/aps.63.090202
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由于两自由度带电耦合振子系统的Lagrange函数中存在耦合项，从而导致其运动微分方程是非线性耦合的. 先通过坐标变换消去Lagrange函数中的耦合项，用直接积分法求得系统的守恒量，用Adomian分解法求得系统的近似解，再通过坐标反变换求得系统在原坐标下的守恒量与近似解，并对近似解作了讨论.
2014, 63 (9): 090203.
doi:10.7498/aps.63.090203
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针对一类二阶时滞惯性神经网络模型，提出一种基于时滞反馈的分岔控制方法. 利用时滞微分方程动力学理论，给出反馈控制系统的稳定性以及发生Hopf分岔的判别条件. 数值仿真显示所设计的控制器不仅能有效延迟网络分岔的发生，还能扩大稳定域并改善网络的收敛速度.
2014, 63 (9): 090204.
doi:10.7498/aps.63.090204
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研究了一类薛定谔非线性耦合系统. 利用精确解与近似解相关联的特殊技巧，首先讨论了对应的无扰动耦合系统，利用投射法得到了精确的孤波解. 再利用泛函映射方法得到了薛定谔非线性扰动耦合系统的行波近似解.
2014, 63 (9): 090205.
doi:10.7498/aps.63.090205
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本文考虑前向和反馈通道均存在网络时延的网络化控制系统，提出了一种新的动态输出反馈控制器的设计方法. 针对状态可测和不可测两种情况，整个设计过程采用不同的时延补偿机理，来主动地消除网络时延的影响. 同时，讨论了闭环网络化控制系统的稳定性. 最后的仿真实例表明了该方法的有效性.
2014, 63 (9): 090206.
doi:10.7498/aps.63.090206
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大规模的地理环境监测，以及用来传输与处理数据的物理基础设施无法和监测区域的规模保持同样的增速，使得不可靠链路下的数据采集与处理呈现出一种饱和流状态，无线传感器网络的能力看似难以稳定. 另一方面，尽管理想网络模型的计算结果足够精确，然而，由于与实际应用偏差甚大，使得网络用户无法充分地分析和利用从工业现场所获得到的网络感知数据，并且没有针对网络规模和性能对数据聚融的影响进行分析. 为此，本文提出以”过渡区“作为工业现场仿真的假设条件，并在此基础上提出了一种面向实际应用的数据聚融算法，即基于可信度的数据聚融算法（R算法）. 在具体设计R算法过程中，选用聚集和操作符SUM为例，通过对网络提供出的近似聚集和加以自动分析、综合，针对相对误差界限ε，计算出近似聚集和的可信度的下限η；并将近似聚集和、参数η 一同提供给用户，在为用户提供网络概要信息的同时，还提供了参数η作为对信息可信度的判断，以便指导用户对数据聚集结果进行深度处理和提高网络的感知性能. 仿真实验描述了过渡区内由于信噪比导致的链路不可靠所引起的η的变化规律；讨论了网络性能和规模对η的影响，随着网络运行周期的增加和网络规模的增大，η的值将逐渐靠近0；从而为WSNs从理论模型投入实际工业应用提供了理论依据和经验公式.
编辑推荐
2014, 63 (9): 090207.
doi:10.7498/aps.63.090207
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本文构建超网络和复杂网络中统一演化模型，研究超网络无标度特性演化机理和拓扑性质. 利用Poisson过程理论和连续化方法对模型进行分析，获得网络稳态平均超度分布的解析表达式.仿真实验和理论分析相符合. 结果表明：随着网络规模的增大，这个动态演化网络的超度分布遵循无标度的特性. 它不仅将每次增加一个新节点与若干个老节点围成一条超边的超网络模型和每次增加若干个新节点与一个老节点 围成一条超边的超网络模型统一在一个模型中，而且将复杂网络中著名的无标度模型也作为我们模型的特例.
2014, 63 (9): 090501.
doi:10.7498/aps.63.090501
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在分析了常规刚性支撑非线性能量采集系统的研究基础上，提出外部磁铁弹性支撑的结构设想，保证系统在低强度激励条件下也能处于双稳态振荡，提高机电能量转换效率. 研究表明，对于强度变化的随机激励历程，弹性支撑非线性能量采集系统不需要实时调整磁铁间距，能够更好地迎合强度时刻变化的随机激励源，实现高效的机电能量转换.
2014, 63 (9): 090502.
doi:10.7498/aps.63.090502
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针对航天器受液体燃料晃动及内外周期性微小激励耦合影响产生混沌运动的问题，提出了基于神经网络干扰观测器的自适应H∞鲁棒控制方案，以实现充液航天器混沌姿态运动的消除与液体燃料晃动的抑制. 基于神经网络的非线性逼近能力设计干扰观测器，自适应跟踪补偿液体晃动、参数不确定及外扰引起的耦合扰动，解决液体燃料晃动角速度及外扰不易直接测量的问题，提高控制器对系统不确定的自适应能力及液体晃动的抑制能力. 同时考虑观测误差与模型不精确问题，利用H∞控制策略提高控制器的鲁棒性. 通过与现有常用控制策略的对比仿真研究，验证了控制方案的有效性及优势.
2014, 63 (9): 090503.
doi:10.7498/aps.63.090503
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针对无线传感器网络无标度拓扑容侵能力差的问题，本文借助节点批量到达的Poisson网络模型，提出了一种具有容侵优化特性的无标度拓扑模型，并在构建拓扑时引入剩余能量调节因子和节点度调节因子，得到了一种幂率指数可以在（1，+∞）调节的无标度拓扑结构，并通过网络结构熵优化幂率指数，得出了具有强容侵特性的幂律指数值. 实验结果表明：新的拓扑保持了无标度网络的强容错性，增强了无标度网络的容侵性，并具有较好的节能优势.
2014, 63 (9): 090504.
doi:10.7498/aps.63.090504
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为了改善传统二维Arnold变换用于图像置乱加密的效果，提出了离散Arnold变换的改进方法，并将其用于图像置乱加密测试研究.该方法利用现有离散标准映射的构造思想，将传统离散二维Arnold变换表达式中第一个变换表达式所对应变换结果非线性融入第二个变换表达式，实现经典离散二维Arnold 变换的非线性去拟仿射化修改，以便快速改善图像置乱加密效果.数学证明改进方法不再保持现有离散二维Arnold 变换所具有的拟仿射不变性，但是改进变换仍是一种具有周期性的可逆映射，将其用于图像置乱加密时，利用其周期性或逆变换能恢复置乱前原图像.大量实验结果表明，本文所建议的改进方法是有效的，相比现有的离散Arnold变换更具有实用价值意义.
2014, 63 (9): 090505.
doi:10.7498/aps.63.090505
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在全面分析煤矿长斜井TBM（盾构）施工动态风险特点的基础上，利用多变量混沌时间序列预测方法对其进行预测. 利用主成分分析法，确定影响煤矿长斜井TBM施工风险的主要成分. 对煤矿长斜井TBM施工风险多变量时间序列进行相空间的重构，确定时间延迟τ i 和嵌入维数m i ，采用小数据量法计算煤矿长斜井TBM施工多变量风险时间序列的最大Lyapunov指数，证明了其具有混沌特性，提出了一阶局域法与双隐层神经网络的组合预测模型，该模型能够对多变量风险时间序列随时间的变化进行预测. 仿真实验表明，该预测模型误差小于单变量时间序列的预测误差，具有较强的预测能力和较好的预测效果，可为煤矿长斜井TBM施工风险分析与评估提供一种新的途径.
2014, 63 (9): 090601.
doi:10.7498/aps.63.090601
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本文主要研究用于超稳激光研制的实验室内水平放置的球参考腔的振动敏感度问题. 研究了支撑点高度和支撑面积对腔长变化的影响，并讨论了加速度大小的变化对腔长变化的影响. 在支撑点完全固定的情况下，振动敏感度被降低到3.0×10-10/g以内. 通过大量的数值模拟获得了球参考腔的最佳支撑位置. 根据优化的结果提出了这种切割球参考腔放置平台的方案. 考虑了加工误差、近水平放置和非对称支撑对参考腔振动敏感度的影响，定量地给出了这三种因素引起的腔长改变量，而且讨论了二阶效应对腔长变化的贡献.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (9): 094101.
doi:10.7498/aps.63.094101
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利用PIC（particle-in-cell）方法模拟研究了超短强激光与锥型三明治结构靶相互作用快电子束的产生和传输，并与锥通道靶、锥丝靶和锥靶在相同激光参数下的作用结果进行了比较. 研究发现强激光与锥三明治靶作用产生的快电子能被不同密度材料产生的准静态界面强磁场有效地准直传输. 相对其他三种锥型结构靶，锥三明治靶能产生更多数目及更高能量的快电子，提高了激光到快电子的能量转换效率和快电子束的品质，这对快点火能量沉积是有利的.
2014, 63 (9): 094201.
doi:10.7498/aps.63.094201
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利用直透光波和高斯散斑场的叠加理论和基尔霍夫近似研究了菲涅耳深区散斑的构成，给出了菲涅耳深区散斑场及其强度概率密度和对比度的表达式. 利用原子力显微镜测量的随机散射表面高度分布数据模拟菲涅耳深区不同散射距离处散斑，并计算绘出其强度概率密度和对比度曲线. 理论与模拟相结合研究这两个统计函数的特征和直透光强所占比例的影响，以及它们随散射距离的演化规律.
2014, 63 (9): 094202.
doi:10.7498/aps.63.094202
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理论推导了相干光束阵列远场光强分布的解析表达式. 介绍了填充因子及五种相干合成效果评价参数的定义. 分析了填充因子对远场光强分布的影响，发现填充因子通过影响空间调制因子来改变远场光强分布. 求得了相干合成效果评价参数与填充因子的关系式，并绘制了关系曲线. 计算结果表明，斯特列尔比与填充因子无关，恒为1；中央主瓣半径与填充因子成正比关系；中央主瓣能量密度受填充因子的影响较小；中央主瓣能量比与填充因子的平方成近似正比关系；桶中功率与填充因子的关系很复杂，但总体上随着填充因子的减小而减小. 分析显示，若要保证中央主瓣能量比和PIB值均大于最佳值的一半，则填充因子应大于√2/2.
2014, 63 (9): 094203.
doi:10.7498/aps.63.094203
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本文提出了一种基于Metasurface产生任意柱矢量光束的方法. 采用的Metasurface是在熔融石英上刻蚀空间变化的非周期光栅构成. 非周期光栅会形成空变的有效双折射，从而对光场的偏振态空间分布进行调制. 通过琼斯矩阵的方法分析得出这样的Metasurface可以将入射线偏振光转换为柱矢量光束，并且只需要改变入射线偏振光的偏振方向即可获得高阶庞加莱球赤道上任意一点的柱矢量光束. 最后，用Metasurface搭建了一套简单、高效的柱矢量光束产生系统，实验结果与理论分析一致.
2014, 63 (9): 094204.
doi:10.7498/aps.63.094204
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目标检测与跟踪一直是图像处理与计算机视觉领域的热门研究方向之一，其对军事上的成像制导、跟踪军事目标等以及民事方面的安防监控、智能人机交互等方面均有着重要的研究价值. 将特征匹配问题看成是一种更普遍的二分类问题，将这种难解的高维计算变成二分类问题，使计算复杂度大大减小，这类方法以大数定律和贝叶斯法则为理论依据，本文提出一种非树形结构的分类器，并从理论上推导出其实现公式，将1bitBP特征应用到分类器中，同时采用计算量由小到大的三个分类器进行级联从而实现鲁棒精确的目标检测. 从实验结果来看，本文算法能够对目标的尺度变化、旋转、部分遮挡、形变、模糊、背景变化等复杂情况有较好鲁棒性，并且检测精度相对较高，而本文算法的计算复杂度低、计算量小，有较高的应用价值.
2014, 63 (9): 094205.
doi:10.7498/aps.63.094205
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研究了动态各向同性光子晶体中二能级原子自发辐射的性质，主要讨论了光子晶体能带带边频率随时间作阶跃调制和三角函数周期调制两种情况下，原子上能级占据数随时间的演化特性. 当光子晶体能带带边频率随时间作阶跃调制时，原子上能级占据数随时间的演化不仅和上能级与能带带边的相对位置δ 有关，更依赖于阶跃调制发生的时刻. 调制发生时刻不同，调制后原子上能级占据数随时间的演化也不同. 当光子晶体能带带边频率随时间作三角函数周期调制时，二能级原子上能级占据数随时间作总体衰减的准周期振荡. 通过选择调制频率和调制初相位可调控准周期振荡的频率、峰值与谷值的大小以及占据数的总体衰减速度等.
2014, 63 (9): 094206.
doi:10.7498/aps.63.094206
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本文对Y模型四能级原子辅助光力学系统的稳态特性进行了研究. 结果发现，构成复合光力学系统的振动腔镜和被束缚在腔内的原子系综将随着弹簧劲度系数的减小，由单稳态过渡到多稳态. 在劲度系数很大时，振动腔镜对整个光力学系统几乎无作用，光力学系统和处在腔中的原子系综都将出现一个稳态解. 而当劲度系数足够小时，振动腔镜的稳态位移出现了多稳现象，随之对处于光力学腔中的原子系综的稳态行为也产生了影响，不但使得原子系综的极化率呈现出多个稳态解，同时使得腔中的原子系综对探测光的吸收和色散也发生了相应的变化. 同时发现，通过调节劲度系数的取值可以控制整个系统稳态解的个数. 这些研究结果在精密测量或量子信息处理等方面具有潜在应用价值.
2014, 63 (9): 094207.
doi:10.7498/aps.63.094207
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本文利用耦合模理论，电光调制理论和传输矩阵法，提出了一个带有U形波导的交叉信道单微环电光开关的器件模型，并在谐振波长为1561 nm的情况下对该器件进行了仿真计算. 结果表明，该电光开关的开关电压约为400 V，串扰小于-30 dB，插入损耗小于4 dB，开关时间仅为5.4 ps，其中微环上的上升和下降时间仅为0.32 ps. 此外，该电光开关由单刀双掷开关控制，通过在微环和U形波导上加载驱动电压可实现三种开关状态，不仅可以实现光信号在两条输出信道的选择，还可以使两条信道同时有光信号输出.
2014, 63 (9): 094208.
doi:10.7498/aps.63.094208
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本文采用考虑拉曼增益的耦合非线性薛定谔方程，利用分步傅里叶方法求解并仿真模拟了光孤子脉冲在不同性质的双折射光纤中传输时的演化过程. 结果表明，拉曼增益可以有效抑制非线性耦合导致的孤子漂移，同时会导致光孤子脉冲峰值在传输时不断增大，产生拉曼放大效应. 拉曼增益也可以有效抑制双折射光纤中传输的相邻光孤子之间的相互作用.
2014, 63 (9): 094209.
doi:10.7498/aps.63.094209
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飞秒激光光谱学实验研究的深入与拓展对飞秒激光脉冲的要求也越来越高. 比如多色抽运探测实验需要同时用到多个不同频率的超短飞秒激光脉冲. 本文设计了一个更加简单紧凑的实验装置，对两束不同中心频率的入射光引入相反啁啾，在厚度为0.5 mm的CaF2 晶体中利用级联四波混频获得了光谱半高全宽近100 nm，支持傅里叶转换极限脉宽小于10 fs的多色飞秒激光脉冲. 这一结果将为拓展飞秒激光光谱学研究和应用发挥重要作用.
2014, 63 (9): 094301.
doi:10.7498/aps.63.094301
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本文主要利用MST（mesosphere-stratosphere-troposphere）雷达垂直风速时间序列进行频谱分析，计算B-V（Brunt-Väisälä）频率，再根据B-V频率和温度的关系，本文建立了离散的温度反演模型，最后反演得到了全高度的温度剖面. 通过计算温度剖面和探空仪实测温度剖面比较可见，二者的符合度非常高，变化趋势也完全一致. 本文还进一步讨论了，利用B-V频率和MST雷达的水平风速还可以计算理查德森数，通过理查德森数可以很清晰的判断大气的稳定性，进而可以量化大气很多动力学特征以及解释大气中的很多波动现象. 因此，B-V频率的获得是MST雷达对大气动力学研究的又一贡献，它可以准确地反演大气的温度剖面，同时获取大气动力学稳定性参数.
2014, 63 (9): 094401.
doi:10.7498/aps.63.094401
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针对高超声速飞行器前缘疏导式防热结构的特点，设计前缘内嵌高导热率材料结构和一体化层板热管结构两类对比实验，用于验证前缘疏导式防热结构的可行性. 利用球形短弧氙灯作为辐射热源模拟气动加热，分别对钢质前缘、内嵌铜材料的钢质前缘和一体化层板式热管前缘进行加热，测量前缘驻点区域和尾部翼面区域的温度变化. 实验结果表明：内嵌高导热率材料的前缘疏导结构能够降低头部驻点区的温度，提高尾部低温区的温度，实现对前缘结构的热防护；以蒸馏水作为工质一体化层板式热管前缘结构，在较低热流条件下也能够实现对前缘驻点区的疏导式热防护，但在较高热流条件下，由于水蒸气压力过大使得层板式前缘结构发生破坏，体现出热管内部工作介质对结构防热效果和应用范围都起到的关键作用.
2014, 63 (9): 094501.
doi:10.7498/aps.63.094501
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本文设计了一个双出口房间内人群疏散的实验方案，通过不同条件下疏散过程的实况录像及视频检测，得到不同人数疏散时间的许多定量结果. 提出了双出口房间吸引区间的概念，证明了较小出口吸引区间的边界总是一段圆弧，可以解释行人流出口处的圆形成拱现象. 通过类比地铁候车厅内人群疏散过程，建立了双出口房间内疏散时间的二次函数模型，成功拟合不同条件下的实测数据. 疏散人数较少时，疏散时间随着人数增加而线性增长；人数较多，在出口附近出现待行区域时，疏散时间则呈二次函数增长. 与一些已知疏散时间数学模型相比，本文模型对出口宽度变化的反应更敏感.
2014, 63 (9): 094502.
doi:10.7498/aps.63.094502
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在已有交通流道路瓶颈、交织区和混合交通流研究的基础上，建立一个中小学门口道路区段上学期间的元胞自动机模型，对上学期间的道路交通流特性进行了模拟，对驾私家车送学生上学比例、乘校车上学比例和交警现场指挥对道路交通流的影响进行实验分析. 模拟结果表明减少驾车送学生上学比例、增加乘校车学生比例、辅助以交警现场指挥，可保证交通安全，从而达到抑制交通拥堵、减少车辆总通行时间提高道路实际通行能力的目的.
2014, 63 (9): 094701.
doi:10.7498/aps.63.094701
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短峰波和海流广泛分布于海洋之中，但二者的相互作用直到近些年才逐渐受到关注，根据速度势函数理论，推导二维均匀流与重力短峰波的相互作用，区别于之前的研究，推导时不考虑波面的毛细影响，避免了将位置变量（x）与时间变量（t）绑定的假设，使得二阶速度势函数包含了的时间（t）一阶项，从而给出了完整的二维流与短峰波交互作用的二阶解析解，对比结果说明上述考虑对于波流共同作用结果有影响，尤其是在波高较大时，影响更加明显，所得结果，可用于高波浪条件下海洋波浪与流相互作用的计算.
2014, 63 (9): 094702.
doi:10.7498/aps.63.094702
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采用耦合的水平集-体积分数法（CLSVOF）对双液滴连续撞击恒定壁温壁面上的热液膜的流动和换热特性进行了数值模拟及分析，得到了双液滴撞击热液膜后形态演变的过程. 分析了液滴垂直间距、撞击速度、液膜厚度以及液滴直径对双液滴撞击液膜后的流动与传热特性的影响，结果显示，壁面平均热流密度随液滴撞击速度的增大而增大，液滴垂直间距、液膜厚度和液滴直径对平均热流密度的影响较小，但会对热流密度在撞击区域和交界区的分布产生重要影响.
气体、等离子体和放电物理
2014, 63 (9): 095201.
doi:10.7498/aps.63.095201
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以“强光一号”Z箍缩装置10174发次光谱诊断实验结果为例，描述了一种对Z箍缩等离子体X辐射光谱分离提纯、诊断的方法. 对连续辐射谱和特征辐射线谱进行分离，并从连续辐射谱和特征辐射线谱中提取了等离子体电子温度信息. 结果显示：等离子体连续谱主要由等离子体中心的高温区（Te=290.7 eV ± 1.2 eV）和温度较低的壳层区域（Te=95.3 eV ± 8.3 eV）两部分叠加而成；特征辐射线谱主要反映了等离子体中心的高温区信息，根据非局域热动平衡模型计算提取的电子温度约为299–313 eV，与连续谱诊断结果基本符合.
2014, 63 (9): 095202.
doi:10.7498/aps.63.095202
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研究高功率微波与等离子体的相互作用，对于微波放电和电磁兼容研究均具有重要意义. 基于波动方程、等离子体的流体力学方程以及波尔兹曼方程，建立高功率微波脉冲与等离子体相互作用的理论模型，并结合等离子体的特征参数，采用时域有限差分方法分析了等离子体电子密度和高功率微波传输特性的变化. 结果表明，由于高功率微波的电子加热作用，等离子体中的非线性效应明显，发生击穿使得等离子体电子密度增大，从而导致微波的反射增强，透过率降低. 所提出的模型和相关结果对于高功率微波和电磁脉冲防护具有指导意义.
2014, 63 (9): 095203.
doi:10.7498/aps.63.095203
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本文基于飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱对土壤重金属Cr元素含量进行了实验研究. 利用荧光法对等离子体丝的长度进行测量，给出了在不同焦距聚焦透镜作用下土壤中Cr425.5 nm的谱线强度空间分布，实验给出了Cr元素的定标曲线. 实验结果表明，土壤中Cr元素浓度分析测量的相对标准偏差小于5%，土壤中重金属Cr元素的检测极限为7.85 ppm. 表明飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱技术在土壤重金属Cr元素含量的定量探测方面是完全可行的.
2014, 63 (9): 095204.
doi:10.7498/aps.63.095204
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为满足惯性约束聚变对靶面光场辐照特性的要求，提出利用互补型偏振控制板改变光束内部偏振态，实现多光束消偏振叠加，进而改善聚焦光场均匀性的方案. 建立了光束通过互补型偏振控制板进行变换的物理模型，理论分析了互补型偏振控制板影响聚焦光斑偏振特性的原因，比较了互补型偏振控制板与非互补型偏振控制板对聚焦光斑偏振特性及均匀性的影响，并进一步讨论了偏振控制板单元数的选取问题. 结果表明：多光束通过互补型偏振控制板后，聚焦光场不再是单一偏振光，而是各类部分偏振光的随机混合；与其他类型双块偏振控制板相比，互补型偏振控制板能实现聚焦光斑的消偏振叠加且效果最佳，使光斑偏振度下降至0.2以下，并能有效地改善光斑的强度均匀性. 采用互补型偏振控制板时，单元数对聚焦光斑偏振特性影响不大，但对强度均匀性则存在一定程度的影响，因而在实际工作中应根据应用需求合理选取单元数.
2014, 63 (9): 095205.
doi:10.7498/aps.63.095205
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由于表面电磁波沿着介质-等离子体分界面传播，而很难通过对传统的表面波等离子体（SWP）源施加负偏压实现金属材料溅射，因此限制了SWP源的使用范围. 近期，一种基于负偏压离子鞘导波的SWP源克服了这个问题，且其加热机理是表面等离激元（SPP）的局域增强电场激励气体放电产生. 但是该SWP源放电过程的影响因素并未研究清晰，导致其最佳放电条件没有获得. 本文采用粒子（PIC）和蒙特卡罗碰撞（MCC）相结合的模拟方法，探讨了负偏压离子鞘及气体压强影响SWP电离发展过程的放电机理. 模拟结果表明，负偏压和气体压强的大小影响了离子鞘的厚度、SPP的激励和波模的时空转化，从而表现出不同的放电形貌. 进一步分析确定，在负偏压200 V左右和气体压强40 Pa附近，该SWP源的放电效果最佳.
2014, 63 (9): 095206.
doi:10.7498/aps.63.095206
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建立了棒-板电极下氩气直流放电的流体模型，利用有限元法对几何位形相似的两个气隙放电过程进行了数值求解. 两放电气隙外加电压相同，气隙线性尺寸的比值为10：1，气压分别为1 Torr 和10 Torr. 仿真得到了两相似气隙的放电的伏安特性曲线以及放电物理量（如电位、电场、电子密度、离子密度、电子温度等）的空间分布. 根据气体放电相似性的基本结论，检验了气隙对应物理量之间的数值关系. 结果表明：两相似气隙的放电类型为正常辉光放电，对应放电物理量之间存在相似性理论指出的比例关系，且在相同幅值的直流电压作用下，气隙放电的工作点相同. 这将为利用气体放电相似性来外推相似气隙的放电特性提供一定的理论依据.
2014, 63 (9): 095207.
doi:10.7498/aps.63.095207
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克尔效应（Kerr Effect）作为一种电光效应，主要表现为：克尔介质在外加电场作用下，会使得入射到其中的探测光带有外加电场的信息. 基于上述原理，设计并搭建了由快脉冲高电压源、YAG激光器、同步控制子系统、被测绝缘子及克尔效应单元、相位差检测子系统构成的真空绝缘子表面电场在线测量实验平台. 通过对比性测量，观察到了真空绝缘子沿面带电导致的表面电场畸变现象. 并进一步对绝缘子表面电场的畸变进行了时间分辨测量.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (9): 097201.
doi:10.7498/aps.63.097201
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为了研究卟啉类敏化剂的光致激发态能量转移和电子转移问题，本文基于紫外可见光谱仪和电子顺磁共振波谱仪，构建了以锌卟啉为研究对象的“锌卟啉-稳态自由基-二甲苯”实验体系. 锌卟啉的紫外可见光谱显示，在可见光谱的B带和Q带出现明显的特征峰，是锌卟啉分子中电子由基态能级跃迁至激发态能级产生的. 低温条件下受紫外可见光辐照的实验体系的电子顺磁共振波谱，检测到了稳态自由基四甲基哌啶氧化物的增强吸收电子顺磁共振波谱. 根据分子激发态相关理论、光化学物理反应理论和化学诱导电子自旋极化理论对实验结果进行了分析，结果表明，四甲基哌啶氧化物稳态自由基电子顺磁共振波谱的增强吸收对应于锌卟啉光致激发态的能量转移和电子转移；四甲基哌啶氧化物在低温（143 K）下的电子顺磁共振波谱表现出的各向异性特征现象来源于氮氧自由基电子与氮核的各向异性超精细相互作用.
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2014, 63 (9): 097301.
doi:10.7498/aps.63.097301
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金属纳米粒子的表面等离激元增强效应是纳米科学领域的一个研究热点. 针对染料分子与金属纳米粒子的耦合系统，应用偶极-偶极近似计算分子与金属纳米粒子的库仑相互作用，并应用密度矩阵理论描述在不同极化方向的电场作用下的电荷输运过程，分析了分子与金属纳米粒子在不同相对位置下分子激发态的动力学过程，发现表面等离激元的增强效应与分子和金属钠米粒子的相对位置以及等离激元的耗散系数有密切关系，详细讨论了分子与金属纳米粒子间的耦合强度、外场的极化方向、等离激元的寿命及共振激发条件对分子激发态及表面等离激元增强的影响，分析了分子-金属纳米粒子耦合系统中表面等离激元增强效应的物理本质.
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2014, 63 (9): 097302.
doi:10.7498/aps.63.097302
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无热处理制备了红光CdSe/ZnS量子点掺杂PVK的ITO/PVK：QDs/Alq3/Al结构电致发光器件. 测试器件的发光光谱和电学特性等，研究了掺杂浓度（质量分数）对体系发光特性的影响，将非掺杂与掺杂体系做了比较，提出了优化掺杂体系的一些可行方案. 量子点掺杂浓度较低时，主要为Alq3的发光；掺杂浓度为20%时，Alq3的发光得到抑制，红光发射最佳；继续增大掺杂浓度，QDs发光峰发生微弱红移，器件性能变差. 与非掺杂体系相比，掺杂浓度合适的PVK：QDs体系大大提高了器件的稳定性.
2014, 63 (9): 097401.
doi:10.7498/aps.63.097401
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采用基于第一性原理的平面波赝势方法，计算了铁基氟化物及其钴掺杂超导体SrFe1-xCoxAsF（x=0，0.125）在四方非磁态与正交条纹反铁磁态下的声子谱（声子色散曲线、声子态密度）及电-声子耦合常数. 计算发现：条纹反铁磁相互作用下的自旋-声子耦合效应强于电-声子耦合作用使声子谱的宽度减小；自旋效应使声子的有效质量增加导致条纹反铁磁态下Fe原子与As原子的耦合振动频率减小. 另外，掺杂和自旋效应是提高电-声子耦合常数的两个有效方法，但计算所得超导转变温度远小于实验测量值，表明铁基超导电性非简单的电-声子耦合配对机理.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (9): 098101.
doi:10.7498/aps.63.098101
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Al-Cu-Ge合金是典型的三元共晶体系，在工业上有重要的应用价值，对其进行研究有助于了解该合金的热物理性质和提高该合金的结构性能. 本文选择了Al55Cu10Ge35，Al70Cu10Ge20和Al80Cu10Ge10三种成分合金作为研究对象，对合金的固态比热和热膨胀系数进行了测量，并对比分析了合金在近平衡凝固和落管快速凝固条件下的组织特征和凝固路径. 研究发现，合金比热随Al含量的增大和Ge含量的减少而增大. 这三种成分合金的软化温度均为666 K，物理热膨胀系数α在370–650 K温度范围内基本一致，约为1.5×10-5 K-1. 近平衡凝固条件下合金凝固过程中最后一步反应生成的均为（Al）+（Ge）二相共晶而不是三元共晶，这表明（Al）、（Ge）和CuAl2相在这三种成分的Al-Cu-Ge合金中难以同时形核并协同生长. 然而，在快速凝固条件下，初生相的形核和生成受到抑制，合金中更易于形成二相共晶和三元共晶组织.
2014, 63 (9): 098102.
doi:10.7498/aps.63.098102
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本文针对Sm3Co粗晶和纳米晶合金材料的制备和基础性能进行了研究. 采用磁悬浮熔炼技术多次精炼制备出Sm3Co粗晶合金. 以此为母材，利用高能球磨非晶化和放电等离子烧结致密化并同步晶化的技术路线，制备出平均晶粒尺寸为8 nm的超细纳米晶Sm3Co合金块体材料. 构建了Sm3Co纳米晶合金的晶体结构模型，并结合其显微组织的表征，分析了Sm3Co纳米晶合金的磁性能和力学性能，并与粗晶合金进行了比较. 粗晶Sm3Co合金不具有硬磁特性，而同种成分的纳米晶合金则表现出一定的硬磁特性. 纳米晶Sm3Co合金的显微硬度和弹性模量分别达到4.87 GPa和63.7 GPa，比粗晶合金增大约8.7%和13.3%. 本文研究结果为Sm-Co体系合金的基础性能及其纳米尺度效应提供了系统的参考依据.
2014, 63 (9): 098103.
doi:10.7498/aps.63.098103
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利用射频磁控溅射法制备了铝掺杂氧化锌（AZO）透明导电薄膜，在传统的磁控溅射系统中引入外加磁场，研究了外加磁场对AZO薄膜沉积速率、形貌结构及光电特性的影响. 研究结果表明，外加磁场后薄膜的沉积速率从不加磁场的13.04 nm/min提高到了19.93 nm/min；外加磁场后薄膜表面平整致密、颗粒大小均匀，结晶质量较高，而不加磁场薄膜表面形貌呈蠕虫状，薄膜质量较差. 溅射时间为90 min时，外加磁场前后AZO薄膜方阻分别为30.74 Ω /□ 和12.88 Ω /□. 外加磁场对薄膜可见光透过率影响不大，但使薄膜的吸收边蓝移现象更明显. 运用ansys软件对磁控溅射二维磁场分布模拟后发现，外加磁场提高了靶上方横向磁场强度，改善了磁场分布的均匀性，加强了磁场对电子的磁控作用，提高了靶电流，是AZO薄膜的溅射速率、光电性能和形貌结构得到提高和优化的原因.
2014, 63 (9): 098104.
doi:10.7498/aps.63.098104
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以自组装聚苯乙烯小球（PS）单层膜为掩膜，利用Au对Si表面的催化氧化作用以及KOH溶液对单晶Si的各向异性腐蚀特性，在Si（100）面上制备了一系列尺寸小于100 nm有序可控的Si纳米孔阵列. 扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等的测试结果显示：当PS小球溶液与甲醇溶液的体积比为9：11时，可形成大面积无缺陷的单层膜；但当体积比过大时，会导致类似双层膜结构的形成；而当体积比过小时，会诱导形成点缺陷和线缺陷. 对PS小球及溅射Au处理过的Si晶片进行KOH溶液腐蚀，随着腐蚀时间变长，纳米孔的横向尺寸和深度增大，其形貌由圆形逐渐变为倒金字塔型，当腐蚀时间超过10 min，纳米孔阵列的有序性遭到破坏. 采用离子束溅射技术在倒金字塔型纳米孔衬底上获得了有序Ge/Si纳米岛，而在圆形纳米孔衬底上获得了有序Ge/Si纳米环. 进一步对有序Ge/Si纳米岛及纳米环的形成机理进行了解释.
2014, 63 (9): 098105.
doi:10.7498/aps.63.098105
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研究极端条件下固相分子晶体含能材料的相变机理，对于人们认识固相含能材料的爆轰反应有着重要的意义. 采用基于校正密度泛函理论的第一性原理方法研究固相硝基甲烷在静水压下的行为. 分析晶格参数a，b和c 轴随压强的变化，发现在1 GPa到12 GPa时晶格参数出现不连续的变化，表明体系发生相变. 在相变时最大的二面角从155.3°增加到177.5°，二面角的增加限制CH3官能团自由旋转，使得C–N和C–H键的键长发生变化. 在相变之前，体系主要存在由C–H…O组成的分子间的氢键，而在相变之后存在分子内的H…O和分子间C–H…O组成的氢键. 此外通过对硝基甲烷体系的电子结构进行计算，发现相变会影响带隙随压强的变化，而且还会影响费米能级附近的态密度结构.
2014, 63 (9): 098106.
doi:10.7498/aps.63.098106
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本文采用双模晶体相场模型，计算了双模二维相图；模拟了形变诱导六角相向正方相转变过程的多级微结构演化，详细分析了位相差、形变方向对位错、晶界、晶体结构、新相形貌的影响规律. 模拟结果表明：形变方向影响正方相晶核的形核位置和生长方向，拉伸时正方相优先在变形带上形核，垂直于形变方向长大，而压缩时正方相直接在位错和晶界的能量较高处形核，平行于形变方向长大；位相差对形变诱发晶界甄没过程有显著影响，体现在能量峰上为，小位相差晶界位错的攀滑移和甄没形成一个能量峰，大位相差晶界位错攀滑移和甄没因分阶段完成而不出现明显的能量峰；形变诱导相变过程中各种因素相互作用复杂，是相变与动态再结晶的复合转变.
2014, 63 (9): 098201.
doi:10.7498/aps.63.098201
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研究发现，颗粒物质被匀速推移挤压过程中，所需推移力先以线性规律增加，在某一确定点后，则会以指数规律增加. 而颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质，其宏观上反映的是离散颗粒的个体性质和凝聚态物质的集体效应. 颗粒与颗粒之间以及颗粒与边界之间的细观尺度接触力链的构成以及演变规律将会直接影响各种宏观受力情况，其摩擦力与挤压力便是力链的主要构成形式. 围绕着定量描述细观力链特征，从而揭示力的变化规律这一目标，采用计算机模拟的方法，依照球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论，对重力作用下不同数目的三维等径球体颗粒的推移情况进行了离散元仿真模拟，量化分析了推移力变化规律、各摩擦力变化规律以及力链分布规律，发现摩擦力与挤压力在颗粒堆积的不同阶段对力链的构成起到了不同的主次作用，使得力链发生强弱演变，从而，发现了推移颗粒物质时推移力的变化规律及原因. 这些结果有利于从力链角度揭示颗粒内部和颗粒与各边界之间的受力情况.
2014, 63 (9): 098401.
doi:10.7498/aps.63.098401
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脉冲序列控制是针对工作于电感电流断续导电模式的开关变换器提出的一种非线性、离散控制技术. 当开关变换器工作在电感电流连续导电模式时，脉冲序列控制开关变换器存在低频振荡现象，严重影响了脉冲序列控制开关变换器的稳态及瞬态性能. 针对这一问题，本文提出一种谷值电流型脉冲序列控制方法，将脉冲序列控制的应用范围从电感电流断续导电模式扩展到电感电流连续导电模式. 建立了谷值电流型脉冲序列控制开关变换器的能量迭代模型，并与传统脉冲序列控制开关变换器的能量模型进行对比. 结果表明谷值电流型脉冲序列控制电感电流连续导电模式开关变换器具有与传统脉冲序列控制电感电流断续导电模式开关变换器相同的能量传递模式，从而在根本上消除了传统脉冲序列控制电感电流连续导电模式变换器存在的低频振荡现象.
2014, 63 (9): 098402.
doi:10.7498/aps.63.098402
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相同测试条件下，纳米钛氧化物忆阻器的导电过程存在不稳定性，制约了对器件瞬态阻抗的精确读取与控制，并影响了器件应用于电路设计的可靠性与稳定性. 杂质漂移与隧道势垒的共存是导致上述不稳定性的可能因素，且杂质漂移特性与环境温度密切相关. 然而，目前尚无通过控制温度提高忆阻器导电稳定性的具体研究. 基于杂质漂移与隧道势垒共存，本文分析了温度与忆阻器导电特性的关联，研究了器件活跃区域厚度及初始掺杂层厚度的改变对临界温度的影响，利用SPICE软件进行了仿真验证并给出结果，得出提高忆阻器导电稳定性的方法有：增大活跃区域厚度、降低初始杂质浓度及保持环境温度稳定且低于临界温度，从而为制备性能稳定的忆阻器及推动器件在实际电路中的应用提供依据.
2014, 63 (9): 098403.
doi:10.7498/aps.63.098403
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本文研究了基于暂态信号中衰减振荡信号的电路参数计算理论和方法. 在电力系统线路发生故障时，通过计算暂态信号流通路径电路参数可确定故障位置、推断故障原因，而衰减振荡信号作为暂态信号主要成分，因此分析基于衰减振荡信号的电路参数计算在电力系统故障定位中有重要理论价值和实际工程意义. 结合R-L电路和R-C电路，首先推导了时域衰减振荡电压、电流信号特征参数与各元件参数以及电路参数间定量关系；并分析了电路在衰减振荡信号下阻抗特性，结合稳态正弦分量阻抗概念，将电路流经衰减振荡信号时的阻抗特性定义为伪阻抗，并确定了伪阻抗与电路参数和信号特征参数间的关系；同时分析了串并联条件下伪阻抗与元件参数关系. 以此为基础分别提出了基于信号特征参数和基于伪阻抗的电路参数计算理论，结合现有衰减振荡信号特征提取方法，提出具体计算方法，为基于衰减振荡信号的电路参数计算理论发展以及实际工程应用奠定了重要基础. 通过MATLAB模拟产生故障信号对所提理论和方法进行验证，结果证明了所提理论和方法的正确性和准确性，并以实际电网故障信息为基础，基于PSCAD/EMTDC建立实际配网模型并对实际单相接地故障进行重现，对配网单相接地故障进行定位分析，结果证明了方法的可行性.
2014, 63 (9): 098501.
doi:10.7498/aps.63.098501
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本文根据惠普忆阻器模型提出了一个新的接地忆阻器模拟等效电路. 并以此为基础，采用常规的电子元件构建了一个通用的记忆器件模拟器. 该模拟器能在电路拓扑结构不变的情况下，通过改变接入元件的性质能将接地忆阻器分别转化为浮地忆阻器、浮地忆感器和浮地忆容器. 由于该模拟器是浮地的，因而可以方便的与其他电子器件实现灵活的连接形式. Pspice仿真实验验证了模拟器的真确性和有效性.
2014, 63 (9): 098502.
doi:10.7498/aps.63.098502
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本文制备了基于ZnO纳米线阵列和ZnO薄膜的Ag-ZnO-Ag电导型X射线探测器件，研究了它们对X射线的响应特性. 薄膜器件在100 V偏置时的响应度达到0.12 μupC/Gy，纳米线阵列器件在50 V偏压下的响应度达到0.17 μC/Gy. 器件工作机理研究表明，器件的响应过程与表面氧吸附与解吸附效应有关，氧气吸附与解吸附过程使得X射线辐照下的载流子寿命大幅度增加，从而使得器件对X射线具有较高的响应度. 本文研究结果表明ZnO薄膜和纳米线阵列器件在X射线剂量测量领域具有应用前景.
2014, 63 (9): 098503.
doi:10.7498/aps.63.098503
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本文针对底栅结构非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性开展实验与理论研究. 由实验结果可知：受铟锌氧化物与二氧化硅界面处缺陷态俘获与释放载流子效应的影响，器件沟道电流噪声功率谱密度随频率的变化遵循1/fγ（γ ≈ 0.75）的变化规律；此外，器件沟道电流归一化噪声功率谱密度随沟道长度与沟道宽度的增加而减小，证明器件低频噪声来源于沟道的闪烁噪声，可忽略源漏结接触及寄生电阻对器件低频噪声的影响. 最后，基于载流子数涨落及迁移率涨落模型，提取γ 因子与平均Hooge因子，为评价材料及器件特性奠定基础.
2014, 63 (9): 098701.
doi:10.7498/aps.63.098701
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去除基线漂移是心电信号预处理过程中的重要一步，常见方法具有计算量大、结果不佳等缺陷. 本文运用形态学理论，结合心电信号特征，提出了基于形态学的心电信号基线漂移去除方法. 该方法采用不同形状及尺寸的结构元素设计了两级形态学滤波器，分别对信号进行开闭、闭开级联组合运算. 经验证，提出的方法能很好保持心电信号的特征形态，提高了信噪比，减小了均方差，有效去除了基线漂移噪声.
2014, 63 (9): 098801.
doi:10.7498/aps.63.098801
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针对电力系统控制器设计中，控制器阶数过高且影响控制品质的问题，提出一种基于射影定理的降阶控制器设计新方法，并对射影定理做出改进，实现抑制低频振荡的高压直流附加阻尼控制. 通过总体最小二乘-旋转不变技术分析系统振荡特性并辨识出相关模型，再基于极点配置得到状态反馈矩阵，最后利用改进的射影控制理论设计输出反馈降阶控制器，同时将控制器与传统的带观测器的极点配置控制方法进行比较. 仿真验证表明，基于射影控制理论的控制器效果较好，控制器阶数较低，鲁棒性强，便于工程实现.
2014, 63 (9): 098901.
doi:10.7498/aps.63.098901
摘要 +
本文提出了一个描述金融投资项目演化的量子力学状态方程，该方程的参数比较好地模拟了金融市场的基本要素，包括投资（输入）、资产损耗（缩水）、资产增益、和收益（输出）等，方程中的量子力学算符也能够反映该项目的动力学过程与特征，所以能代表一类金融投资项目（其状态用Dirac符号表示）在市场中的演化模式. 通过引入纠缠态表象得出了该方程的量子解（算符之和形式），该量子解给出了初态与终态的联系，也就给出了投资项目的动态过程. 作为例子，求出单一投资项目在金融市场中的演化，不但得出了符合市场演化趋势的解，而且提出了二项-负二项纠缠态. 在推导过程中，充分利用了Dirac符号和有序算符内的积分技术（IWOP）.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (9): 099101.
doi:10.7498/aps.63.099101
摘要 +
利用GOCE卫星观测数据确定全球静态重力场是当前大地测量学的研究热点. 本文联合2011-02-28至2012-03-05共12个月的GOCE卫星轨道和梯度数据采用直接法恢复了210阶次的重力场模型SWJTU-GO01S，利用零相位的有限脉冲带通数字滤波器对GOCE梯度数据进行滤波处理，直接在梯度仪坐标系中建立梯度观测方程，避免了坐标转换过程中高精度梯度观测分量精度的损失；采用短弧积分法处理轨道数据，并利用方差分量估计确定联合解的最优权，Kuala正则化方法用于处理数据极空白问题. 基于EGM2008模型和北美地区的GPS水准观测数据，对SWJTU-GO01S模型进行内外符合精度分析，结果表明：SWJTU-GO01S模型在210阶次的大地水准面误差和累计误差分别为2.1 cm和13.7 cm，整体上优于欧空局公布的第二代时域法和空域法模型的精度，在150阶以后优于ITG-GRACE2010S的精度；本文的研究为进一步联合多类卫星观测数据恢复重力场模型提供参考.
2014, 63 (9): 099201.
doi:10.7498/aps.63.099201
摘要 +
本文利用ERA-Interim再分析资料，结合新建的水汽再循环数值模式研究了全球降水再循环率和蒸发再循环率的空间分布及其季节变化特征，并给出了主要水汽源地对中国降水的贡献率，结果表明：全球降水再循环率的空间分布特征明显，各地区降水对外界水汽输送的依赖程度不同；陆地蒸发再循环率与降水再循环率的分布大体一致，但是在海洋上差别很大. 全球水汽再循环率的季节变化显著，而且北半球降水再循环率的季节变化整体上强于南半球；全球重要水汽源区各季节蒸发再循环率均很低，绝大部分蒸发量都输送到了其他地区. 水汽再循环率除与区域的位置、形状有关外，区域的水平尺度也会对其产生影响，随着水平尺度的增大，水汽再循环率呈曲线上升. 中国大陆地区降水再循环率为32.6%，蒸发再循环率为44.9%，西北太平洋、南海、孟加拉湾、阿拉伯海以及澳大利亚西部海域对中国降水的贡献较大. 本文基于水汽平衡方程建立的数值模式，具有坚实的数理基础，得到的结果可信度较高.
2014, 63 (9): 099202.
doi:10.7498/aps.63.099202
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本文利用19822010年国家气候中心第二代月动力延伸预测系统中大气环流模式（BCC_AGCM）的回报资料和美国国家环境预测中心和美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析资料，分析了该模式对冬季气温预测的误差特征及其与外强迫的联系. 结果表明模式能够在整体上较好地反映出欧亚区域冬季气温的变化趋势，能抓住东亚冬季风区气温年际变化的主要空间模态，对东亚冬季风区冬季气温具有一定的预报能力. 预报误差的空间分布和时间演变特征的结果表明，误差在陆地大于海洋，高纬地区大于低纬地区，同时与海拔高度也有密切关系. 预报误差的主要模态与一些关键区域的海温和海冰存在显著的相关性，表明模式对外强迫异常的响应能力存在缺陷. 这为结合模式对关键区海温和海冰异常的响应能力，有针对性地改进模式对东亚冬季风区冬季气温的预测能力提供了依据.
2014, 63 (9): 099203.
doi:10.7498/aps.63.099203
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利用无狭缝光栅摄谱仪获得了青海高原地区云对地闪电首次回击过程的光谱，运用比尔-朗伯定律，考虑传播过程中谱线强度的衰减，计算讨论了观测距离对通道温度诊断结果的影响. 结果表明，不同观测距离下得到的光谱诊断放电通道温度，其结果有一定差异；远距离观测得到的温度小于近距离观测的结果；观测距离越远，所得温度的误差越大. 因此，在远距离观测的情况下，修正更为重要. 由计算结果，得到了温度修正的半经验公式，由此，可以扣除观测距离对闪电通道温度诊断结果的影响.