前视声呐圆弧接收阵列结构优化设计

针对前视声呐线阵波束形成各向同性较差及半圆阵有效孔径受限的问题,提出了一种优化的圆弧接收阵列结构设计方法。根据不同的成像开角,设计圆弧接收阵圆心角使全部阵元参与所有来波方向的波束形成。建立圆弧接收阵的远近场聚焦模型,并推导圆弧接收阵的指向性函数,根据边界波束栅瓣阈值条件计算具有最佳波束性能的圆弧接收阵半径。对圆弧阵、线阵及半圆阵在不同扇区开角下的波束性能及扫查开角120°、纵深100 m的仿真图像对比表明,在成像开角为90°到130°时,圆弧接收阵主瓣性能提升了8%,边界波束栅瓣级优化了4%,交叉向分辨深度相对线阵与半圆阵分别增加了20 m和45 m,同时参数存储量仅为线阵的2.7%。该阵列兼具有效孔径大、波束各向同性的优点,能有效提高前视声呐系统探测性能,并降低算法实现难度。      

稀疏矢量阵信号栅瓣及对称伪峰干扰抑制

稀疏矢量阵进行宽带信号处理时,强目标的栅瓣及对称伪峰会干扰弱目标的检测,提出了一种基于理论干扰预测的加权抑制方法。方法利用矢量阵波束形成先获得强目标的波达方向(Direction Of Arrival,DOA)信息以及目标所在方位各频率的幅度谱信息,再利用理论计算公式获得强目标的栅瓣和对称伪峰角度上对应的各频率点的幅度谱强度信息,通过在方位、频率维度加权的方式对强目标的栅瓣和伪峰干扰进行抑制,来改善在强干扰下的弱目标检测能力。方法也适用于多目标情况,对各个目标依次使用,减少多目标时栅瓣和对称伪峰对方位历程的影响,净化了时间方位历程图。对所提方法给出了理论推导过程并进行了仿真和实验验证,实验结果验证可行。结果表明,新方法可以有效地抑制强目标的栅瓣和对称伪峰干扰,提高弱目标的检测能力,此外,净化后的时间方位历程图更利于弱目标检测和目标数量的估计。      

微纳相控线阵超声换能器参数的理论分析*

微纳相控线阵超声换能器参数(阵元数目、阵元宽度及阵元间距)直接影响其横向声场分布,而其横向声场分布是能否实现高成像分辨率、大探测深度的决定性因素,也是制备换能器的主要依据。该文利用数值模拟研究微纳相控线阵超声换能器阵元参数对其横向声场中主瓣强度、-3 dB主瓣宽度、第一级旁瓣及栅瓣的影响。结果表明,主瓣强度随着阵元数目增加而增大,随阵元间距减小而增大,随着阵元宽度的增大呈现先增大后减小的趋势;-3 dB主瓣宽度随着阵元数目和阵元间距的增大而减小,随着阵元宽度的减小而减小;此外,减小阵元数目、减小阵元间距或增大阵元宽度均可以抑制旁瓣;栅瓣在阵元间距满足一定条件时可以完全消除。通过这些研究为微纳相控线阵超声换能器的优化设计与制备提供理论参考。     

基于相控阵雷达模型的液晶光束偏转波控方法研究

针对闪耀光栅模型光束偏转角度数量分布有限的缺点,提出一种基于相控阵雷达模型的液晶光束偏转波控方法。该方法控制液晶电极间相位差,通过改变液晶电极间相位差控制出射光波束方向。使用傅里叶光学方法推导该模型最大偏转角度、光束偏转角度与电极间调制相位关系以及衍射效率和偏转角度的关系。实验证明该方法可实现任意分辨角的光波束扫描, 在0.15°光束扫描范围内实现优于20 μrad的连续光束偏转。     

消频散阵不变量距离估计方法

针对传统阵不变量方法在低信噪比和远距离测距性能差的问题,提出了消频散阵不变量测距方法。该方法首先对垂直阵接收信号进行消频散波束形成,消除频散影响,压缩脉冲宽度,提高简正波到达时间分辨率;然后,对得到的角度-时间谱采用反卷积处理提高简正波俯仰角度分辨率。通过消频散和反卷积处理,减小了简正波相对到达时间和俯仰角在角度-时间谱图中的聚焦范围,有利于准确的提取阵不变量和估计目标声源的距离。计算机仿真证明了该方法在低信噪比条件下的鲁棒性;2009年崂山湾实验数据处理结果表明:相比于传统阵不变量测距方法,该方法距离估计误差减小2.5%。      

声学参量阵转换效率提高方法

针对参量阵转换效率低的问题,提出了一种通过调节声源表面声阻抗率从而提高转换效率的方法。该方法依据描述声波非线性的Kuznetsov方程,首先通过分析方程中拉格朗日密度对参量阵差频波的影响,获得了拉格朗日密度与声源表面声阻抗率之间的关系式,得出了通过调整声阻抗率可以提高参量阵转换效率的结论。随后提出了利用穿孔板改变声阻抗率的方法,并通过数值仿真验证了该方法的有效性。结果表明,通过在声源周围布置声穿孔板可以改变声阻抗率从而提高参量阵的转换效率。     

双频双波束加热电离层激发甚低频/极低频辐射理论分析

基于高电离层质动力非线性加热理论,引入差频双波束概念,建立双频双波束加热电离层激发甚低频/极低频(VLF/ELF)辐射理论仿真模型,通过对已有实验参数进行仿真计算,验证了模型的正确性.据此模型,全面分析了不同纬度、有效辐射功率、加热频率、极化模式、频率差、实验时段等对激发VLF/ELF辐射强度的影响,并对比分析了中低纬度地区双频双波束和幅度调制两种方法激发VLF/ELF信号的差异.分析结果表明:VLF/ELF辐射效果随着地磁倾角的增加而增强,随着系统有效辐射功率的增大而增强;X波模式优于O波模式;实验时段冬季最好,夜晚优于白天;加热频率和频率差存在最优值选取问题.对于背景自然电流较弱的中低纬度地区,相对现有幅度调制方法,利用双频双波束方法激发VLF/ELF辐射更加有效,两者相差10 d B以上.     

稀疏圆柱基阵波束垂直扫描

本文分析了三维圆柱形基阵波束垂直栅瓣形成机理,导出波束垂直扫描极限波长和基阵其他参数的关系,指出指向性函数通常是复数,并用子阵相移法来调节复合子阵的相位特性,在圆环阵指向性图适当位置插入零点,以消除垂直栅瓣、扩大基阵波束扫描范围。对不同基阵,找出相移参数β的最佳值,一般取kβ≈0.5为宜。以两个弧面阵为例作了数值计算,证明对全圆阵导出的极限波长也适用于弧面阵;和相同条件下未相移基阵相比,可将波束垂直扫描范围扩大到间距d为五个波长左右,或将基元数减少2—4倍;当未相移基阵指向性图出现栅瓣时,并可将指向性指数提高1.7到5.5dB。     

利用水平阵模态域波束形成判别声源深度*

针对近水面声源和水下声源的深度判别问题,根据近水面声源难以激发低阶模态的物理现象,研究利用声源波数谱结构和波数位置的不同来分辨近水面声源和水下声源。通过采用MVDR的谱估计方法进行模态域波束形成,补偿水平阵各阵元之间各号简正波的相位差,获得主瓣窄、旁瓣低的声源信号波数谱。波数谱的波数位置与频率呈近似线性关系,水中声速剖面、海底参数、海深都会影响波数谱的具体结构和位置。此外,声源信号的到达角估计误差同样也会影响波数谱主瓣的位置估计。数值仿真结果表明,在浅海负跃层声速剖面条件下,可利用水平阵模态域波束形成判别声源深度,区分近水面声源和水下声源。     

基于宽带分裂阵列的水下远程被动多目标检测与定向

为获取更高的水下远程多目标检测和定向性能,基于工程中广泛应用的最小方差无畸变响应(MVDR)波束形成算法,设计了大间隔分裂线列阵,通过扩大阵列有效孔径改善了空间谱峰锐度。同时提出非相干宽带预处理方法,利用MVDR在多频子带下波束宽度和间隔的非一致性来抵消由于稀布阵元造成的栅瓣效应。最终实现大间隔分裂阵和宽带非相干波束形成的互补。仿真和湖上试验结果表明,与采用宽带MVDR的均匀线列阵和采用互相关法的大间隔分裂阵相比较,所提方法能显著提高对水下远程目标的检测和分辨性能。      

电离层与卫星通信

利用电子流体动力学方程和麦克斯韦方程组推导了等离子体的特征频率、折射率，并讨论了电磁波在等离子体中传播的基本条件，从而得出了卫星通信的基本电磁学条件．     

Development of an extremely wide-band planar frequency doubler from Q-band to W-band

A very broadband Q- to W-band MIC frequency doubler with a 28-GHZ band-width, employing a unique planar balanced circuit configuration, has been developed with good performance. Using two beamlead Schottky barrier diodes as varistors, the doubler exhibits an output power of 7±1 dbm and conversion loss of 13±1 db over the 66 to 94 GHZ output frequency range. The development demonstrates a unique concept in realizing wideband planar millimeter wave solid-state sources.     

初探声波裂杯实验

利用中学实验室现有的器材和自制装置演示了声波裂杯实验。     

基于小波分解的岩石破坏次声信息特征研究

次声探测是近年来在自然灾害临灾预警领域兴起的一种新方法,具有广阔的前景。为了研究岩石破坏次声信息特性,在室内试验的基础上采集了砂岩试件破坏前的次声信号,借助小波分析方法对信号的能量特征进行了分析。结果表明:岩石变形破坏次声信号能量主要集中在4～8 Hz的中频带和8～16 Hz的高频带两个频率范围内,中频带能量大于高频带能量,同时在低频带0～4 Hz内也存在一定的能量分布。随着岩石变形破坏程度的增加,次声信号的中低频带能量在相对减少,在岩石临近破坏前,次声信号的中低频带能量与高频带能量的比值接近1。上述特征的发现,为岩石破坏次声信号识别以及破坏前兆预警提供了重要依据。     

Observation of Frequency Down-Shift in a Submillimeter Wave Gyrotron

Frequency down-shift in the initial stage of CW or long pulse operation of a submillimeter wave gyrotron, Gyrotron FU IV, is observed. The shift occurs in a few minutes after turning on the operation and the amount of the shift attains even 0.1 GHz. The observation results are analyzed on the basis of a simple model for heat conduction in the region of a resonant cavity. The frequency shift is explained consistently by expansion of the cavity.     

Solitary Wave Solutions of a Generalized Derivative Nonlinear Schrödinger Equation

With the aid of a class of nonlinear ordinary differential equation (ODE) and its various positive solutions, four types of exact solutions of the generalized derivative nonlinear Schrödinger equation (GDNLSE) have been found out, which are the bell-type solitary wave solution, the algebraic solitary wave solution, the kink-type solitary wave solution and the sinusoidal traveling wave solution, provided that the coefficients of GDNLSE satisfy certain constraint conditions. For more general GDNLSE, the similar results are also given.     

On the new exact traveling wave solutions of the time-space fractional strain wave equation in microstructured solids via the variational method

In this paper, we mainly study the time-space fractional strain wave equation in microstructured solids. He’s variational method, combined with the two-scale transform are implemented to seek the solitary and periodic wave solutions of the time-space strain wave equation. The main advantage of the variational method is that it can reduce the order of the differential equation, thus simplifying the equation, making the solving process more intuitive and avoiding the tedious solving process.Finally, the numerical results are shown in the form of 3D and 2D graphs to prove the applicability and effectiveness of the method. The obtained results in this work are expected to shed a bright light on the study of fractional nonlinear partial differential equations in physics.     

Interaction of Wave Trains with Defects

The evolution and transition of planar wave trains propagating through defects(obstacles) in an excitable medium are studied. When the frequency of the planar wave trains is increased, three different dynamical regimes,namely fusion, "V" waves, and spiral waves, are observed in turn and the underlying mechanism is discussed. The dynamics is concerned with the shapes of the defects. Circle, triangle, and rectangle defects with different sizes are considered. The increase of pacing frequency broadens the fan-shaped broken region in the behind of a rectangle defect.The increase of width of a triangle defect leads to breakup of wave trains easier while the change of height shows opposite effect, which is presented in a phase diagram. Dynamical comparison on defects with different shapes indicates that the decrease of the defect width along the propagation of wave trains makes the fan-shaped region and the minimal frequency for breakup of spiral both increased.     

双光栅测量微弱振动位移量的实验研究

对于利用双光栅测量微弱振动仪寻找谐振频率、改变配重物体的质量分布对谐振点的影响,驱动电流对谐振点的影响以及一些实验中的技术问题,利用观察法、控制变量法等方法作图,由于谐振点附近拍频波个数变化较大,提高精度可以绘出较准确的谐振曲线并找到较精确的谐振点;通过对比小棒和橡皮泥,得出橡皮泥改变配重物体的质量分布实验效果更明显,排除了小棒颤动的影响;且得出了谐振频率与驱动电流呈正相关的结论。提出对实验中遇到问题的解决方法提高了该实验的准确性,降低实验误差。     

多普勒效应公式的简便推导

基于把多普勒效应理解为波频率的坐标变换,由洛伦兹变换推导出适用于任何波的多普勒效应公式。