时间反转法在水下通信中的应用

将时间反转法应用于水下扩频编码通信,在分析水下波导中时间反转自适应聚焦特性的基础上,研究了时间反转法克服多径效应对编码信号造成的波形畸变,采用BPSK (Binary Phase Shift Keying)编码方式,选取7位巴克码(Barker code)作为扩频编码信号的码型,在实验水槽内进行了时间反转法用于水下通信的实验研究并进行了相应的理论分析。理论和实验证明了时间反转法能获得聚焦增益并提高编码信号相关解码时的主副瓣比,因此时间反转法应用于水下编码通信时,可望降低误码率和提高水下通信距离。     

时间反转聚焦在组织中形成损伤的数值建模

为考察基于时间反转方法的高强度聚焦超声治疗在预设目标点处的组织损伤情况,使用三维有限差分算法求解Westervelt方程,建立非线性声波传播数值模型,采用97阵元相控阵结合虚拟源的时间反转方法进行超声聚焦,分析其形成的声场和热场,并考察目标点偏离轴线时的组织损伤形成规律。结果表明随着目标点偏轴距离的增大,声压旁瓣开始增多。旁瓣的温升较低,不足以形成组织损伤。时间反转方法可用于多点聚焦,在一定的范围内,形成多点目标损伤而不产生额外的周围组织损伤。同时多点聚焦可以形成一个较大的损伤区域,减少超声治疗时间。     

固体中时间反转法的声束自聚焦

时间反转是一种很有用的自适应聚焦技术。本文中我们进行了声束在固体中运用时间反转方法的自适应聚焦研究。理论分析和实验结果表明时间反转可补偿固体中各声线的程差,从而同时实现纵波和横波的自聚焦。聚焦增益的理论值和实验结果较好地符合。     

分数评估法实现光通过散射介质聚焦

为了解决强噪声环境下的相干光通过散射介质聚焦与成像问题,本文提出分数评估法,利用该方法对入射光的相位分布进行迭代优化。分数评估法的基本思想是在优化迭代过程中,通过参考目标光强值赋分的方式对相位值进行评估和考量。通过二元相位优化的方式提升迭代程序运行的速度,缩短聚焦时间,以便将该方法运用于动态散射介质。将该方法与蚁群算法对比,结果发现,分数评估法在强噪声环境下仍然能够实现散射聚焦,而蚁群算法在强噪声环境下失效。实验测得分数评估法的焦点光强是优化前散斑平均光强的71.4倍。因此,对于今后在生物成像、光电检测等应用领域,应当优先考虑使用分数评估法优化入射光的波面以提升成像或聚焦的分辨率和清晰度。     

快照的时间反转和逆时偏移法对含有固体分层介质中目标的超声检测

快照的时间反转和逆时偏移方法已实现了液-液分层介质中目标的超声检测和定位,现进一步推广到含有固体分层介质情形。由于在含有固体分层介质中,都存在多种的反射波和散射波,因此提出一种筛选方法,首先从中筛选出散射波以及所属波型,再利用快照的时间反转和逆时偏移方法进行处理。实验分别研究了固-液、液-固和固-固分层介质3种情况。利用快照的时间反转和逆时偏移法进行处理,在空间就形成了一个峰状的分布,其峰顶的位置与实际目标的位置比较吻合,误差在一个波长左右。因而,实现了含有固体分层介质中目标的超声检测和定位。     

快照的时间反转和逆时偏移法对含有固体分层介质中目标的超声检测

快照的时间反转和逆时偏移方法已实现了液-液分层介质中目标的超声检测和定位,现进一步推广到含有固体分层介质情形。由于在含有固体分层介质中,都存在多种的反射波和散射波,因此提出一种筛选方法,首先从中筛选出散射波以及所属波型,再利用快照的时间反转和逆时偏移方法进行处理。实验分别研究了固-液、液-固和固-固分层介质3种情况。利用快照的时间反转和逆时偏移法进行处理,在空间就形成了一个峰状的分布,其峰顶的位置与实际目标的位置比较吻合,误差在一个波长左右。因而,实现了含有固体分层介质中目标的超声检测和定位。     

时间反转方法用于高强度聚焦超声的焦点偏移补偿

传统的高强度聚焦超声(HIFU)治疗中实际焦点和预设焦点容易出现偏移,为考察时间反转方法对HIFU治疗中焦点偏移的补偿效果,采用时域有限差分方法求解Westervelt方程,建立高强度聚焦声场数值模型。数值计算得到在人体软组织中进行HIFU治疗时,采用时间反转方法后焦点偏移距离最大仅为1.6 mm。脂肪层厚度及声源强度改变对时间反转聚焦精度影响不大,F数(焦点距离同换能器孔径的比值)降低时,焦点偏移减小。研究表明在人体软组织吸收系数和非线性系数范围内,时间反转方法可有效补偿焦点偏移,达到更好的聚焦效果。     

基于时间反转理论的聚焦Lamb波结构损伤成像

从理论和实验上研究了时间反转法在频散和多模式的Lamb波结构健康检测方面的应用.当Lamb波在包含有损伤的板类结构中传播时,损伤的存在表现为一个被动波源.采用分布式传感器网络,基于传递函数的观点,通过推导由损伤这个被动波源产生的时间反转波场幅值的表达式,证实了当观察点位于损伤位置时,时间反转波场的幅值最大.为验证时间反转方法的聚焦效应,提出了一种适合于分布的激励/接收传感器网络的成像方法,该方法可以对损伤定位并近似确定损伤尺寸.结合有限元的实验结果显示了Lamb波检测信号的能量可在损伤处聚焦,表明时间反转     

转移矩阵法在负折射率介质材料平板波导中的应用研究

利用严格电磁理论,推导出了适用于负折射率介质材料光波导的转移矩阵,分析讨论了转移矩阵的性质和应用.利用转移矩阵方法,推导出导波层为负折射率介质材料、覆盖层和衬底为右手材料的三层对称介质光波导的本征色散方程.用图解法研究了负折射率介质波导中TE波的异常色散特性.在负折射材料介质波导中没有零阶模,最低阶为1阶模,并且有截止频率,只有波导参量满足一定条件的时候才会存在,导模的横向波数可以为实数和纯虚数,而正折射率介质波导导模的横向波数只能为实数.     

基于时间反转法的相控换能器声场的仿真研究

相控换能器具有焦距可调的优势。本文以82阵元相控换能器建立的3D数值仿真模型为例,基于时间反转法提取阵元的激励信号,利用时域有限差分(FDTD)法对Westervelt声波非线性传播方程进行声场数值仿真,研究不同阵元分布、偏离声轴的距离、设定焦距大小对形成声场的影响,可调控范围及其消除旁瓣方法。研究结果表明,随机分布相控阵可明显降低声场中的旁瓣;随着偏离声轴距离的增加,主瓣声压幅值逐渐减小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r逐渐增大,且沿声轴的可调控范围逐渐减小;随声轴方向上设定焦距的增加,主瓣声压幅值先增大后减小,r值先减小后增大;基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上扩大相控阵声场的可调控范围。     

Focusing of acoustic fields in a randomly inhomogeneous waveguide by using the time reversal method

We perform theoretical analysis of the method of field focusing in a randomly inhomogeneous waveguide using reradiation of the received signal with time reversal. The simplest case where point sources and receivers are used for emission and reception is considered. As an example, the waveguide is chosen which simulates an underwater sound channel with refractive-index fluctuations caused by random internal waves. In underwater acoustics, the considered method of field focusing is usually applied at relatively short distances that are shorter than or about 10 km. This work deals with much longer paths, along which sound waves propagate under conditions of well-developed ray and wave chaos. Main attention is given to studying the width of the focal spot and the field amplitude at its center. It is shown that the amplitude distribution in the vertical section of the focal spot and the peak amplitude value at its center can be estimated analytically using the stochastic ray theory.     

基于时间反转扩频的隐蔽水声通信方法

针对低信噪比条件下水下小尺度平台与通信浮标间进行隐蔽水声通信时,强多径干扰导致通信困难的问题,提出了一种基于时间反转技术的直接序列扩频隐蔽通信方法。该方法利用多通道主/被动时间反转的空时聚焦效应,提高了低信噪比条件下直接序列扩频通信的抗多径干扰能力,并且具有良好的低检测概率通信能力。仿真和水池实验结果表明:该方法满足水下小尺度平台处理结构简单、低功耗的要求,实现了水下单阵元平台与通信浮标之间的双向隐蔽通信。     

Theory of self-focusing in a hollow waveguide

We present a theoretical investigation of self-focusing in a hollow waveguide filled with noble gas. Our analysis was performed for a laser pulse that was predominantly in the fundamental mode and revealed the physical processes involved in self-focusing in a hollow waveguide. A critical power for self-focusing was obtained that was found to be substantially higher than the critical power for self-focusing in a bulk medium. Useful design criteria for pulse-compression systems are presented. We identify the parameter range for which the transverse variation of the pulse phase introduced by the Kerr nonlinearity is small.     

无源时间反转镜在水声通信中的应用

提出单阵元无源时间反转镜(PTRM),在对声信道没有任何先验知识的情况下可与信道自动匹配,实现自适应聚焦。并将其应用于Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,构成无源时间反转镜Pattern时延差编码水声通信系统(PTRM- PDS)。通过计算机仿真研究及湖试,验证了PTRM-PDS系统能够抑制声信道多途扩展产生的码间干扰,可在时变、空变的声信道中实现低误码率通信,具有很好的鲁棒性。     

虚拟时反镜在水声被动测距中的应用

水声信道多途干涉使被动测距产生偏差．接收信号的自相关输出波形含有信道冲激响应结构的信息，本文提出通过简化模型可估计出信道冲激响应，并将其时间反转构造一前置预处理器，可实现虚拟时间反转镜（VTRM）．虚拟时反镜可获得时间、空间上的自适应聚焦效果，克服多途干涉对被动测距的影响，并且实现简单，可实时对目标进行测距．通过计算机仿真研究，验证VTRM技术可匹配声信道，提高被动测距的精度．     

一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法

在水平变化波导中,匹配场被动定位的计算量非常大,严重阻碍了其工程应用.本文提出了一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法,其抛物方程模型计算网格总数远小于匹配场处理,从而大大减小计算代价.与匹配场处理不同,虚拟时反实现方法是一个利用介质互易性和叠加性的后向传输过程.通过在各水听器位置放置虚拟声源,并在搜索区域产生相应的模糊平面,对各个模糊平面进行相应加权求和,获得的定位模糊平面.利用地中海浅海实验数据验证了虚拟时反实现方法的快速性能.     

基于时反算子分解的时反高分辨率定位技术研究

基于时反算子分解技术,提出了主动时间反转选择性定位方法。为提高此定位方法的分辨率,根据时反算子和协方差矩阵的相似性,提出了时反MUSIC和对角线加载时反MVDR定位技术。传统的获取时反算子的方法是通过单个阵元依次发射,该方法的缺点是每次只有单个元发射,导致输入信噪比较小,本文提出通过多个波束正交发射获取时反算子,能得到较大的输入信噪比,从而改善三种定位方法的定位性能。波导实验分别对三种定位方法和正交发射技术进行了验证,结果显示三种定位算法中,子空间基于的时反MUSIC方法具有较好的定位精度,时反MVDR技术具有较高的分辨率。     

Coherent underwater communication using passive time reversal over multipath channels

Passive time reversal exploits underwater acoustic channels’ spatial and temporal diversity. It can refocus multipath propagated signal at the receiver and can be realized simply by the passive phase conjugation (PPC) method. By the temporal focusing, time delay spread caused by multipath propagation is mitigated for spectral efficient coherent communications. However, the PPC method is unable to eliminate multipath and is limited by channel variations. An adaptive equalizer is therefore needed to compensate residual multipath after refocusing and to track channel temporal variations. Spatial diversity is obtained by using a vertical receiving array. In this paper we used 4-hydrophone array and demonstrated that the adaptive decision feedback equalization in conjunction with PPC significantly decreased the bit error rate.     

Measurement of the echo reduction for underwater acoustic passive materials by using the time reversal technique

A measuring method of the echo reduction of passive materials by using the time reversal(TR) technique is presented. To measure the echo reduction of a sample with this approach, the received signals are firstly focused according to the TR theory. Then, the sample is removed and the TR processing is again employed to realize the focus of the received signal.Finally, the echo reduction of the sample is evaluated with these focusing signals. Besides, to calibrate the measured echo reduction via the TR technique, a standard sample is employed to measure a constant coefficient that only depends on the measurement environment. An aluminum plate sample and a steel plate sample with the same size of 1.1 mxl.O m x0.005 m axe tested in a wave guide tank. The experimental results show that the calibrated values are well consistent with theoretical results under the free field at the measured frequency range of0.5-20 kHz. The relative errors of all the measured values are less than 10% and the values of the expanded uncertainty are less than 1.5 dB. The TR processing focuses the energy in spatial domain and temporal domain, so it can be used to measure the echo reduction of passive materials in the environments with reflections induced by boundaries and low frequency sources.