反射声波成像测井的有限元模拟

应用有限元法对新兴的反射声波成像测井进行了数值模拟研究，计算了井旁附近存在不同倾角声阻抗不连续界面对声波的反射，使用的井内激励源为幅度加权相控线阵声波辐射器。从计算出的声全波波形上可以清楚地看到沿井壁传播的折射波和来自井旁界面的反射纵波。应用偏移叠加等数据处理技术对数值模拟波形进行了处理，从偏移剖面上反演出的反射界面的尺寸、位置和倾角等几何特性与数值模拟输入参数基本一致。     

Mie散射激光雷达回波信号小波去噪方法

针对强背景光下,Mie散射激光雷达回波信号所含噪声的特点,提出小波滤波消噪方法.该方法通过小波变换分离出背景光的直流部分,并利用小波软阈值消除来自背景光的白噪声和探测系统的电噪声.为了验证该方法的有效性,提取并反演了Mie散射激光雷达系统实际探测得到的大气回波信号.反演结果显示有效探测距离从2.5km提高到5km,表明该方法能够在白天背景下有效降低Mie散射激光雷达回波信号中的电噪声和背景光的噪声污染.     

基于递归T矩阵的离散随机散射体散射特性研究

本文根据电磁场矢量球波函数多极点展开原理及矢量叠加定理提出了递归T矩阵算法的矢量形式,并且基于矢量递归T矩阵算法建立了多散射球模拟离散随机散射体散射的三维电磁散射模型.通过计算不同尺寸、随机分布散射球的散射以及分析散射球间的高阶散射效应,结果表明:矢量递归T矩阵算法具有很高的计算精度,算法中包含多散射体间的高阶散射效应,因此能够精确计算多散射体总的散射效应.本文所建模型可应用于土壤湿度探测工程中评估地表下掩埋离散随机散射体散射对雷达回波信号产生的影响.     

水中微小波纹圆柱体声散射低频共振调控

塑料类高分子材料甲基丙烯酸甲酯-亚克力(PMMA)圆柱中亚音速Rayleigh波低频隧穿共振可引起反向散射增强,在低频标准散射体设计等领域具有重要应用价值.提出一种微弱形变的规则波纹表面结构,可实现水中PMMA圆柱反向散射低频共振频率的无源调控.利用微扰法推导了水中微弱形变规则波纹圆柱反向散射低频共振频率偏移的近似解,讨论了波纹微扰系数、周期对规则波纹圆柱共振频率偏移的影响规律.基于Rayleigh波相位匹配方法分析了低频共振频率偏移的机理.研究表明:微弱形变规则波纹圆柱中亚音速Rayleigh波沿微弱形变波纹表面传播,与光滑圆柱体相比,传播路径的改变引起Rayleigh波传播相位变化,导致了Rayleigh波低频共振频率发生偏移.最后开展了微弱形变规则波纹圆柱体声散射特性水池实验,获取了其反向散射共振频率,明显观察到了规则波纹圆柱共振频率偏移现象,与理论预报结果吻合较好.     

基于周期结构负反射的远场增强成像研究

远场高分辨率成像是近几年来声学和光学领域的研究焦点之一, 倏逝波无法在介质中传播成为将高分辨率成像带入远场的最大困难.本文提出了一种均匀排列的散射钢柱构成的超构散射体成像方式, 利用周期结构负反射现象将倏逝波信息转化为可传播波来增强成像.有限元数值模拟被用来研究和验证该方案的可行性, 结果显示波长3.4 mm的声波可以在20 cm外的远场获得大约0.6个波长的成像分辨能力. 通过减小散射体的晶格常数有希望达到更高分辨率成像.     

基于半空间FDTD的近远场外推方法: TE情形

研究基于半空间时域有限差分(FDTD)计算中TE情形的远区散射场计算方法.先将半空间Green函数代入势函数,推导远区纵向磁场的计算公式,对各空间内电磁流和对应的相位进行详细分析.再计算两个半空间模型的远区散射场,结果表明:该方法是正确和有效的.针对日本96式装甲车的计算发现,单站雷达探测系统位于战车正上方时具有最好的探测效果.     

次声波在非均匀运动大气中非线性传播特性的研究

基于有限时域差分方法将大气中近似到二阶的非线性波动方程进行离散化,得到了数值模拟所采用的差分方程. 在此基础上,对线阵列辐射的脉冲声波在非均匀运动大气中的垂直和斜向传播进行了二维数值模拟,模拟了武汉地区(114:20°E, 30:37°N)在夏季和冬季UT=29000 s时开始传播的脉冲声波在不同时刻的声压分布. 模拟时通过采用Msise00和HWM93 两个大气模型,考虑了由于大气温度和密度变化以及大气风场存在所引起的大气不均匀性和运动性. 通过研究上述两季有风与无风条件下的声压差值p_r,可以发现:风场对次声波在传播中声压分布的影响较大;由于不同季节和不同传播距离上"有效声速"的不同,导致了两季p_r分布波形存在差异;风场对声波非线性传播的影响要远大于其对线性传播的影响. 关键词： 次声波传播 非均匀运动大气 有效声速     

旋涡声散射的空间尺度特性数值研究

旋涡对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在声源定位、声目标识别及探测、远场噪声预测等方面具有重要的学术研究价值和工程应用价值,如飞行器的尾涡识别、探测及测距,湍流剪切流中声目标预测,声学风洞试验中声学测量和声源定位等.声波穿过旋涡时会产生非线性散射现象,其物理机理主要与声波波长和旋涡半径的长度尺度比相关.本文采用高阶精度高分辨率线性紧致格式,通过求解二维非定常Euler方程,数值模拟了平面声波穿过静止等熵涡的物理问题.通过引入声散射截面法,分析了不同声波波长与旋涡半径的长度尺度比对声波脉动压强、声散射有效声压以及声散射能量的影响规律.研究表明:随着声波波长与旋涡半径的长度尺度比逐渐增加,旋涡流场对声场的影响逐渐减弱,声散射有效声压影响区域先逐渐增大随后逐渐减小,声散射能量最大值呈现4种不同的变化阶段.     

中低纬度电离层偶发E层电波传播建模

基于电离层偶发E层(sporadic-E,Es)对电波传播的多条链路实测数据,认为电离层Es对入射电波的作用是反射和散射两种机制,且反射/散射的比例常数随着电离层Es临界频率的变化而变化,进而建立了包含反射、散射以及反射与散射共同作用的三段式电离层Es电波传播模型,并与国际电联(International Telecommunications Union,ITU)给出的Es层传播的电波场强预测模型进行了对比,验证了本文所建模型的正确性.该模型尤其适用于中低纬地区甚高频信号经Es层的传播研究.     

水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究

水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义.针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法,探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性.首先,基于运动介质的波动方程,通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项,并对流声耦合项进行频域分析处理,揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理;其次,采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟,分析了低马赫数条件下,不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律,并结合理论分析模型对其特性进行了解释.研究表明:低马赫数下,振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场,且随着入射声波频率、涡核尺度的增大,散射调制声场强度增强,总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣,且主瓣方位角趋近于入射波传播方向;在频率比远大于1条件下,涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.     

Acoustic sounding of wind velocity profiles in a stratified moving atmosphere.

The paper deals with analytical and numerical studies of the effects of atmospheric stratification on acoustic remote sensing of wind velocity profiles by sodars. Both bistatic and monostatic schemes are considered. Formulas for the Doppler shift of an acoustic echo signal scattered by atmospheric turbulence advected with the mean wind in a stratified moving atmosphere are derived. Numerical studies of these formulas show that errors in retrieving wind velocity can be of the order of 1 m/s if atmospheric stratification is ignored. Formulas for the height at which wind velocity is retrieved are also derived. Approaches are proposed which allow one to take into account the effects of atmospheric stratification when restoring the wind velocity profile from measured values of the Doppler shift and the time interval of acoustic impulse propagation from a sodar to the scattering volume and back to the ground.     

低频声波油井液面检测方法研究

为克服冲击声波法油井液面检测设备寿命短的缺陷,研究了一种低频声波测量油井内液面深度的方法,采用电磁式扬声器产生伪随机码调制的低频声波作为探测信号。通过对回波信号的解码和相关检测处理可以抑制背景噪声的干扰。完成了油井液面检测仪的硬件和软件系统的初样设计,并对不同信噪比下的回波信号作了仿真分析,仿真分析结果表明,该方法在低信噪比情况下,仍具有良好的辨识效果。     

起伏海面环境下水声信道特性及估计方法*

为了研究随机起伏海面的散射对水声信道特性的影响,以及不同信道估计算法在该信道条件下的性能问题,该文从利用Monte Carlo方法模拟的基于PM海浪谱的二维随机起伏海面出发,提取了与风向不同夹角的一维随机起伏海面,并利用Kirchhoff近似法计算了其散射强度。将得到的声散射特性和海面环境信息融入到信道模型中,建立了基于PM海浪谱的随机信道模型。通过仿真分析了不同风速、传播距离条件下,声波的传播损失和信道冲激响应变化,并利用l_0-最小均方误差法、匹配追踪算法和正交匹配追踪算法进行了信道估计。给出了不同环境条件下,三种算法估计性能的综合比较结果,验证了算法针对该信道模型的有效性。     

On the acoustic diffraction by the edges of benthic shells

Recent laboratory measurements of acoustic backscattering by individual benthic shells have isolated the edge-diffracted echo from echoes due to the surface of the main body of the shell. The data indicate that the echo near broadside incidence is generally the strongest for all orientations and is due principally to the surface of the main body. At angles well away from broadside, the echo levels are lower and are due primarily to the diffraction from the edge of the shell. The decrease in echo levels from broadside incidence to well off broadside is shown to be reasonably consistent with the decrease in acoustic backscattering from normal incidence to well off normal incidence by a shell-covered seafloor. The results suggest the importance of the edge of the shell in off-normal-incidence backscattering by a shell-covered seafloor. Furthermore, when considering bistatic diffraction by edges, there are implications that the edge of the shell (lying on the seafloor) can cause significant scattering in many directions, including at subcritical angles.     

水下掩埋目标的散射声场计算与实验

水下掩埋目标声散射问题是识别和探测掩埋目标的理论基础, 是声散射研究领域的热点问题. 本文基于射线声学推导了掩埋情况下目标声散射计算的格林函数近似式, 并在此基础上进一步给出了相应的远场积分公式. 在有限元方法的基础上, 将推导得到的公式写入有限元仿真软件, 对软件功能进行拓展, 构建二维轴对称目标的声散射模型, 并计算掩埋情况下弹性实心球在不同条件下的目标强度, 获得了其散射声场随频率、掩埋深度、沙层吸收系数等参数的变化规律. 开展实心球的自由空间和浅掩埋条件下水池声散射实验, 利用共振隔离技术处理实验数据, 提取目标声散射的纯弹性共振特征进行分析, 结果表明可将其用于掩埋目标识别和探测. 最后利用总散射声场与理论计算结果进行对比, 验证了理论仿真的正确性.     

风浪因素对海洋波导雷达回波作用机理的研究

采用文氏谱模型描述近海海洋动力环境海面的粗糙特征, 并运用海浪谱理论得到风速和均方根高度偏差的关系. 进而应用修正的离散混合傅里叶变换方法和改进的雷达散射系数模型分别计算了电磁波传输损耗和雷达散射系数. 在此基础上, 通过数值计算分析了风浪因素对海洋波导环境雷达回波功率值的影响. 结果表明, 风浪因素对不同观测高度处的传输损耗的影响均不大; 风浪因素对雷达回波功率有显著影响, 并且相对于传输损耗, 雷达散射系数项受风浪因素影响较大因而导致较大的雷达回波功率的变化.     

水下任意刚性散射体对Bessel波的散射特性分析

本文利用Bessel波的谐波展开式, 采用T矩阵方法的推导思路, 建立了水下任意刚性散射体在Bessel波照射下的声散射场计算公式. 以水下刚性椭球体和两端附连半球的刚性圆柱体为例, 计算了在不同波锥角β 下的反向散射形态函数, 同时, 依据镜反射波和绕行波的干涉物理模型, 给出了预报Bessel波照射下的反向散射形态函数峰峰间隔值的计算模型. 仿真结果表明本文提出的Bessel波照射下反向散射形态函数峰峰间隔值预报方法是准确有效的, 同时也说明, 本文建立的基于T矩阵法计算水下任意刚性散射体在Bessel波束下的声散射场方法是有效的, 这拓展了T矩阵法的应用领域.     

Investigation on global positioning system signal scattering and propagation over the rough sea surface

This paper is devoted to the study of polarization properties, scattering properties and propagation properties of global positioning system (GPS) scattering signal over the rough sea surface. To investigate the polarization and the scattering properties, the scattering field and the bistatic scattering coefficient of modified Kirchhoff approximation with using the tapered incident wave is derived in detail. In modeling the propagation properties of the GPS scattering signal in the evaporation duct, the initial field of parabolic equation traditionally computed by the antenna pattern with using fast Fourier transform (FFT) is replaced by the GPS scattering field. And the propagation properties of GPS scattering signal in the evaporation duct with different evaporation duct heights and elevation angles of GPS are discussed by the improved discrete mixed Fourier transform with taking into account the sea surface roughness.