水下双层加肋圆柱壳全空间收发分置散射声场快速预报方法

针对水下双层加肋圆柱壳的全空间收发分置散射声场求解,提出了一种快速预报方法。该方法将散射声场表示为声散射传递函数与声源密度函数的乘积,以目标表面网格信息、少量的仿真或测试多基地散射声压数据作为已知信息,借助数值积分、矩阵理论、最小二乘法对其他收发分置散射声场进行预报。分别以有限元仿真和试验测试的散射声压数据作为输入,对水下双层加肋圆柱壳的多基地散射声场进行了计算,并与完全采用有限元方法的计算结果进行了对比。结果表明:该方法在目标表面结构和部分散射声场数据已知条件下能对目标的全空间收发分置散射声场进行预报;已知散射声压数据量越多,计算频率越低,预报精度越高。     

边界积分方程法求解目标的声散射T矩阵

提出了计算任意表面形状刚性边界目标散射的基于边界积分方程的T矩阵方法(TMM-BIE).利用Helmholtz积分方程法(HIEM)计算目标表面声场,替代扩展边界法(EBCM)计算中对目标表面声场的近似处理,解决了扩展边界法不能计算任意形状目标的散射T矩阵问题.文中计算了刚性边界的球目标、有限长圆柱目标以及非对称的三维散射体-猫眼(cat's-eye)模型的散射指向性和T矩阵.通过与解析解和HIEM结果比较,证明该方法的有效性.     

修正一阶Born近似改进水中弱散射目标的散射声场预报

在推导Fourier衍射定理中运用一阶Born近似时忽略了弱散射体内外的波数差异,使散射声场方向特性的预报产生较大误差,针对这一问题,对一阶Born近似进行修正。考虑散射体内外波数差异引起的幅度和相位误差,通过调整频域采样圆弧半径并移动圆心位置得到了修正的一阶Born近似解。由于更准确地反映了目标与周围水介质的声学性质,有效提高了散射声场的预报精度。根据修正的Born近似计算了弱散射条件下无限长圆柱目标的散射远场指向性,结果与严格解相吻合,对其它形状截面的柱状目标也得到了合理的计算结果。      

双层周期加肋有限长圆柱壳声散射精细特征研究

研究了双层周期性加肋有限长圆柱壳在水中的声散射特性. 壳体振动用薄壳理论的Donnell 方程描述,环肋振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述,忽略弦间流体对环肋轴向力的作用. 数值计算给出远场收发合置情况下的周向目标强度和角度-频率谱图,并据此进行机理分析. 计算结果表明远场散射声场中除壳体弹性贡献外,弦间流体以及环肋与内外壳的相互作用对散射声场的贡献也是很重要的,并且在角度-频率谱中出现了舷间流体引起的流体附加波以及周期环肋引起的Bragg散射等回波精细特征,其中流体附加波是双层加肋圆柱壳声散射最重要的散射精细特征,是以往单层圆柱壳声散射所不具有的现象. 最后通过实验对理论推导进行了验证,实验与理论基本符合. 关键词： 声散射 圆柱壳 环肋 流体附加波     

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

积分方程法与求解谐振频率的声散射

表面Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ积分公式可以有效地求解物体的辐射声场和散射声场，但并不是在任何频率下都能得到满意的结果。当波数等于或接近目标内部问题的特征值时，将产生非唯一解，严重影响求解的准确性。本文根据混合Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ积分公式，用最小平方正交法有效地求解谐振频率的声散射。文中以圆柱和椭圆柱的声散射为例进行了计算，并讨论了目标内附加计算点的选取问题。     

三维随机粗糙面与目标复合电磁散射的FDTD方法

用时域有限差分方法(FDTD)研究三维周期性延拓的随机粗糙面与上方目标复合电磁散射.用周期性延拓消除数值计算中截取有限大小粗糙面产生的边缘效应,讨论一个周期单元粗糙面的边长与其相关长度之间的关系.给出在FDTD方法中向粗糙面加载入射波的方法,建立了粗糙面上单个三维目标的复合散射FDTD计算模型.数值结果给出粗糙面与目标散射的近场分布,应用近远场变换得到全方位散射角的双站散射系数.比较了三维与二维散射模型的区别.结果显示当粗糙面上放置目标时,其后向散射显著增强.     

水下环形凹槽圆柱体散射声场空间指向性调控

本文提出一种具有深度梯度的环形凹槽结构,可用于调控水中有限长刚性圆柱体散射声场空间指向性.基于声学相位阵列理论分析了环形凹槽圆柱声散射空间指向性改变的机理,研究表明:凹槽深度方向相位延迟和凹槽间Bragg散射的相互作用使得平面声波垂直于圆柱方向入射其正横方向散射声波发生偏转.采用有限元方法讨论了凹槽结构参数如占空比、梯度等对圆柱散射声场空间分布特征的影响规律.多个不同深度梯度环形凹槽单元组合圆柱体散射声场数值计算和实验结果显示:具有环形凹槽结构圆柱体正横方向散射声波均匀偏转到预定的空间范围内,使得圆柱体声散射场空间指向性均衡化,改变了圆柱整体的散射特征,这为水下目标声隐身设计和声波定向传播提供了新的方法.     

旋涡声散射特性的尺度效应数值研究

以声波为主要表现形式的膨胀过程和以旋涡为主要表现形式的剪切过程之间的非线性耦合问题一直以来都是流体力学的研究热点.尤其是旋涡对声波的散射问题,具有重要的科学意义与工程应用背景.本文通过线性紧致格式直接数值求解二维欧拉方程,获得了平面声波穿过均熵Taylor涡的散射特性.与之前经典文献中的标准算例比较,结果极其吻合,直接验证了研究所采用的高精度高分辨率空间差分和时间推进格式以及远场无反射边界条件(缓冲区)的计算方法在时域同时解析动力学量和声学量(量级远远小于动力学量)的有效性.通过引入散射截面,将全区域的散射分为长波近似区、共振散射区和几何声学区.针对每个子区域,重点分析了无量纲尺度量旋涡强度和长度尺度比对散射声场的影响,给出了散射声场关于上述两个关键无量纲参数的尺度律关系,并且得到了极低马赫数极大波长时散射声场的分布函数.在此基础上给出了关于旋涡声散射物理机制的一种解释.     

逆向傅里叶衍射定理快速预报水下目标三维声散射指向分布

提出逆向运用傅里叶衍射定理预报水下弱散射目标三维声散射指向分布的快速计算方法。依据目标形状、周围介质的密度和声速构建三维声场图像模型,建立散射远场积分结果与图像频域幅值的关系式,提取频域中半径为水中波数k;的球型表面上的幅值,获得精细化的宽带、全方位散射声压指向特性。数值计算表明:将傅里叶衍射定理逆向运用于解决声学正问题,适用于分层的、不均匀的、非规则及多体弱散射目标散射声场的求解。通过插值提取频域样本获得远场声压的方法,避免了有限元法(3D-FEM)所必须的大规模的网格划分和迭代运算,可以有效地减少计算成本并拓展散射频率响应的带宽。在水池中完成两种具有不同声学参数和形状目标指向性测试实验,得到散射声压指向性幅度函数与理论预报相一致。      

水下目标弹性声散射信号分离

水下目标弹性声散射与其他声散射成分在时域和频域上均存在混叠, 现有信号处理方法受分辨力限制无法在混叠状态下识别目标弹性声散射特征. 针对这个问题, 提出了一种目标弹性声散射信号分离方法. 以目标回波亮点模型为基础, 分析了线性调频信号入射时目标声散射成分的信号特性, 提出了一种目标声散射成分向单频信号的映射方法, 并理论推导出了目标声散射结构与映射结果之间的线性对应关系, 实现了通过窄带滤波分离出目标弹性声散射成分. 仿真与消声水池实验数据处理结果表明, 该方法基本可以完全分离出目标回波信号中的弹性声散射成分, 分离出的弹性声散射具有与理论一致的信号特征, 验证了该分离方法的有效性.     

两个相邻目标对平面波、高斯波束的光散射

基于等效原理和互易性定理研究了两个靠近目标对平面波、高斯波束的光散射问题,给出了这一复合光散射模型的二阶散射结果。通常一阶散射结果容易求解,但由于耦合效应的复杂性,很难给出二阶散射结果的解析形式。为了解决这一问题,应用互易性定理给出了求解任意相邻介质目标二阶散射场的公式,同时借助等效原理将求解散射场公式中的体积分简化为面积分的形式,从而降低了求解难度。求解了两相邻球形粒子的复合散射场,并将求解结果与应用时域积分方程法求得的结果进行了比较。同时,还讨论了束腰半径、目标位置对散射截面及偏振度的影响。     

Fine-structured field emission images originating from coherently scattering of electrons within a multi-walled carbon nanotube

High resolution field emission image of a single multi-walled carbon nanotube was studied by field emission microscopy. The images contain patterns consisting of rather ordered bright fringes. We propose a model based on coherent electron scattering to explain the observed field emission image. The emitted electrons will undergo coherent scattering within the cap region of a multi-wall carbon nanotube, which may be viewed as elastic scattering by a polycrystalline structure with an infinite size. This study is helpful for understanding the physical mechanism of field emission of carbon nanotube.     

Scattering of electromagnetic waves from two-dimensional perfectly conducting random rough surfaces - study with the curvilinear coordinate method

We present a method giving the bi-static scattering coefficient of two-dimensional (2-D) perfectly conducting random rough surface illuminated by a plane wave. The theory is based on Maxwell's equations written in a nonorthogonal coordinate system. This method leads to an eigenvalue system. The scattered field is expanded as a linear combination of eigensolutions satisfying the outgoing wave condition. The boundary conditions allow the scattering amplitudes to be determined. The Monte Carlo technique is applied and the bi-static scattering coefficient is estimated by averaging the scattering amplitudes over several realizations. The random surface is represented by a Gaussian stochastic process. Results are compared to published numerical and experimental data. Comparisons are conclusive.     

Reversal of waves in forward-scattering location

Potentialities of the pulsed acoustic forward-scattering location with the use of time separation of the intense direct and weak scattered signals propagating at a small angle to one another are considered. Two types of interference are taken into account: nonstationary observation conditions under the effect of currents, which affect the arrival times of the direct and scattered signals, and nonstationary reverberation. It is shown that, in the presence of these interferences, the application of the correlation transformation equivalent to the time reversal of waves has an advantage over the conventional location technique based on the determination of the signal travel times.     

Plane Wave and Gaussian Beam Scattering by Long Dielectric Cylinders: 2.5D Simulations versus Measurements

For the development of millimeter wave imaging systems, it is important to be able to simulate some representative scattering configurations. Typically, Gaussian beams are used in active imaging systems. Since these beams only illuminate a spatially limited region, many objects can be treated as infinitely long 2D (in)homogenous cylinders. However, the incident Gaussian beams have a 3D character. Therefore, a dedicated 2.5D scattering simulator was developed. In this paper, simulation results obtained with this simulator are compared to measurements obtained from a bi-static microwave set-up and from a W-band millimeter wave set-up. Comparison of simulations and measurements proves that the 2.5D algorithm is a good simulation tool to study scattering of long inhomogeneous cylinders, illuminated by 3D plane waves or 3D Gaussian beams under different elevation angles.     

浅海波导中目标回声计算的射线声学方法

建立一种基于虚源法和物理声学方法计算浅海波导中目标回声的射线声学方法。入射声线经过两个界面的多次反射有无限多条,每条入射声线由目标反射后又会产生无限多条到达接收点的声线。将各种组合的散射声场求和得到总的回波声场。用射线声学方法计算了Pekeris波导中半径10 m的绝对软球的回声随距离的变化。与已有文献中波动声学方法的计算结果对比,两者在平均值和下降趋势上符合。计算表明,波导中球和一些圆形目标的等效目标强度(ETS)与自由空间中目标强度(TS)差别很小。而像圆锥形这类目标的等效目标强度与自由空间中目标强度差别较大,导致传统的声呐方程误差较大。与波动声学方法相比,射线声学方法不但具有明确的物理意义,而且可以对浅海信道中复杂形状目标回声进行计算。      

粒子模拟中激励源的一种等效设置方法

 基于计算电磁学中对强迫激励源消除虚假反射的算法分析，提出了用等效电流和等效磁流在FDTD公式中引入电场激励源和磁场激励源的方法。从粒子模拟方法的基本方程和迭代公式出发，分析了激励源的引入过程，推导出激励源所等效的电流项和磁流项表达式，实现了新的激励源设置方法，并进行了数值验证和结果讨论。研究表明：这类等效模型与标准FDTD公式能紧密结合，引入非常方便；不必专门设置一个附加的散射场区来处理散射场的计算，大大节省了计算时间和计算内存，比常规总场/散射场体系方法的效率高20%以上，对粒子模拟这类耗时的计算较为适用。通过对2维柱坐标系下相对论速调管放大器(RKA)的模拟，证明了此类激励源设置方法的实用性。     

纳米颗粒近场空间光谱散射建模与显微成像分析

用非直观偏振参数显微成像,即采用在传统显微光路中插入模式化装置,通过拟合过滤后对所得数据反演成像,通过对金属纳米颗粒在近场空间散射光谱分析,来解决空间散射现象。用非直观偏振参数显微成像与传统直观成像做对比,并通过时域有限差分法建模仿真,来描述近场直观与非直观散射光谱的差异,对比结果发现,非直观偏振参数显微反演成像的分辨率比直观成像更高,不但能够清晰的探测到纳米颗粒的形状和电场分布,而且比直观成像获得更广泛的空间散射光谱。     

Scattering of electromagnetic waves from two-dimensional perfectly conducting random rough surfaces – study with the curvilinear coordinate method

We present a method giving the bi-static scattering coefficient of two-dimensional (2-D) perfectly conducting random rough surface illuminated by a plane wave. The theory is based on Maxwell's equations written in a nonorthogonal coordinate system. This method leads to an eigenvalue system. The scattered field is expanded as a linear combination of eigensolutions satisfying the outgoing wave condition. The boundary conditions allow the scattering amplitudes to be determined. The Monte Carlo technique is applied and the bi-static scattering coefficient is estimated by averaging the scattering amplitudes over several realizations. The random surface is represented by a Gaussian stochastic process. Results are compared to published numerical and experimental data. Comparisons are conclusive.