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。     

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。     

声波在固体板中的多径传播及其时间反转声场

采用无穷长条形阵元在固体板自由表面激发,研究了固体板中声波(纵波和横波)传播的多径效应,在射线近似下深入分析了柱面纵波和横波在固体板中的多次反射及波型转换特性,给出了简明解析表达式;将时间反转法应用于固体板中声波的传播,在理论和实验上分析了时间反转声场规律,证明了从不同阵元发出的沿不同路径传播的声波时间反转后同时同相到达原接收点,表明时间反转法能自动补偿固体板中由于多径效应造成的波形畸变;还通过聚焦增益和主副瓣比定量地分析了时间反转声场的自适应聚焦过程,考查了焦点位置和换能器阵列孔径对聚焦效果的影响,得到了理论和实验相符的结果。     

时间反转处理用于掩埋目标检测

研究了有PS(Probe Source)源发-收时间反转在强混响背景下对掩埋目标的检验问题.所提出的发-收互动时反处理是:在目标处放一个PS声源产生引导信号, SRA(Source Receiver Array)接收引导信号,并对接收稿:的信号做物理时反(即多路径补偿反波束形成),将声能聚焦在目标位置处,对SRA接收稿:的目标散射回波做与发射聚焦互动的接收聚焦(即多路径补偿波束形成),得到聚焦后的目标回波,实现发-收互动的聚焦.并对常规BS(Broadside)发射检测(没有时间反转)和时间反转检测两种方法各自的性能进行了比较.实验室波导掩埋目标实验数据处理验证了理论分析的结论,并证明时间反转检测比常规BS发射检测可得到更大的信混比,从而提高了掩埋目标的检测概率.     

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。     

有平界面存在时时间反转法的自聚焦性能

时间反转法是一种具有独特优点的自适应聚焦方法,对超声成像中图象畸变的消除有重要价值。本文就声场中存在介质分平面时,对时间反转法实现自聚焦的声场给出了解析式;并运用所建立起来的时间反转成像实验系统进行了有平界面存在时的自聚焦实验,实验所得自聚焦增益与理论计算结果相符。     

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     

利用多途时延的被动目标定位方法

本文研究了在海洋波导环境中利用多途时延信息进行水下目标被动定位的方法。理论分析了在等声速理想海洋波导环境中,多途时延信息随时间变化的规律及其与目标运动状态之间的联系。分析结果表明,不需要已知声线类型而仅利用多途时延信息即可实现浅海波导环境中水下目标的被动定位。利用多途时延信息,当有两条声线到达时可以估计运动目标的归一化径向速度;当有三条声线到达时,可实现水下运动目标距离、径向速度的估计。最后利用仿真和实验数据对上述结论进行了验证。     

负梯度深海中的反转点会聚区

文献[1]给出的水下声道中反转点会聚区的理论较好地解释了深海声道的实验结果,并指出表面声道中亦存在反转点会聚区,后者已为模拟实验所证实。根据反转点会聚区理论,我 们预计在负梯度情况下从海底反射的声波也可能形 成反转点会聚区;为此我们在深海条件下进行了实 验,实验结果证实了理论预计。     

基于LabVIEW的时间反转超声检测系统的开发

时间反转技术在超声无损检测中的应用非常广泛,它可以忽略介质的非均匀性及初始信号源的位置,能够在时间和空间上聚焦超声波,实现对介质缺陷的聚焦检测。基于LabVIEW图形化编程软件,结合计算机、信号发生器、示波器、超声换能器、GPIB等的使用,对超声检测系统实验平台进行了构建,实现了超声信号的发射、接收以及时间反转一系列的信号处理过程。系统工作过程中,采用了三种不同的时间反转技术：经典时间反转技术(Time Reversal：TR)、反向滤波技术(Inverse Filter：IF)及1位处理技术(1Bit Processing),来实现信号的聚焦。实验验证该系统可以有效的实现时间反转超声检测过程中对信号的激励、接收、处理和存储等功能,有良好的精确性和适用性。     

南海深海声道中反转点会聚区的实验研究

本文介绍了1983年10月在南海深海声道中进行的一次综合性爆炸声传播实验的结果,目的在于研究水下声道中反转点会聚区的特性。用反转点会聚区的渐近理论以及P-E法对声场进行了计算,实验得到的会聚区位置及会聚增益与计算结果很好符合。     

激光空泡在近自由液面运动特性的实验研究

采用激光技术聚焦击穿液体产生空泡,利用高速摄像系统开展激光空泡与自由液面的相互作用的实验研究。实验研究发现,空泡与自由液面之间的无量纲距离对水下空泡的脉动特性和自由液面的水冢现象存在影响。通过大量实验总结了无量纲距离与空泡半径、空泡脉动周期、自由液面水柱的最大高度和产生水冢时间的相互关系。实验表明无量纲距离越小,空泡脉动周期越短,自由面的水冢现象越明显。同时统计出了在不同无量纲距离范围内所出现的5种不同水冢现象的规律。研究内容为空泡与自由液面相互作用的理论提供了实验依据。     

基于虚拟源时间反转的经颅超声精确聚焦*

针对经颅超声难以精确聚焦的问题,本文研究了基于虚拟源的时间反转方法,建立颅骨二维数字模型,在聚焦目标处设置虚拟声源,利用时域有限差分法模拟超声时间反转过程,并考察基于虚拟源时间反转方法的聚焦效果。数值仿真结果表明,基于虚拟源的时间反转方法可以实现经颅超声的精确聚焦,聚焦强度和精度好于传统的相控聚焦;换能器中心频率和数量对聚焦效果的影响规律与相控聚焦时类似;该方法可以同时向多个焦点聚焦,并自适应调节各焦点处声压幅度。     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

准位相匹配铌酸锂波导倍频特性分析与优化设计

用标量有限元方法计算了周期性极化的铌酸锂光波导中模折射率和模场分布,并在计算中引入铌酸锂晶体折射率与温度变化的关系,分析了准位相匹配铌酸锂波导倍频效率与极化反转光栅周期、基频光波长、波导器件温度等关系.理论分析与实验结果符合得很好.在此基础上,分析了波导制作参数与倍频效率、光栅周期与晶体温度,以及温度带宽与光栅通光方向长度等关系,进而对铌酸锂波导倍频器件进行优化设计. 关键词： 铌酸锂 光波导 准位相匹配 有限元     

水下爆炸强冲击波与平板结构相互作用的理论分析方法

针对水下爆炸一维强冲击波与平板结构的瞬态流固问题开展研究,综合考虑流体和结构材料的可压缩性,引入状态方程建立强冲击波在板表面反射后的波阵面参数关系,得到板表面的反射系数。然后依据动量守恒定律建立平板的运动方程,求解得到板表面的壁压及板的速度时程,形成了水下爆炸强冲击波与平板结构相互作用的理论分析方法。在此基础上给出了强冲击波与平板相互作用的冲量传递比近似估算公式。最后开展平板结构的近距及接触水下爆炸实验,并结合数值计算对理论方法进行验证。结果表明,建立的理论方法与实验及数值模拟结果吻合良好,为水下近距爆炸强冲击波与结构的相互作用分析提供了理论基础。     

非均匀波导中的声聚焦

理论研究了声波在非均匀波导中的空间聚焦问题,利用多模态导纳法构建波导内任意位置处声压与入射声压在模态域的映射关系,计算使声波聚焦于空间某位置时的最佳入射波,并画出了相应的聚焦声场.研究了三种非均匀情况:水平变截面波导、含散射体波导以及声速垂直变化波导.结果表明,当输入最佳入射波时,在非均匀波导中可以产生良好的单点或多点声聚焦效果,声波的聚焦过程充分地利用了波导结构及介质非均匀性对声波的散射作用.     

水声无源材料插入损失测量时反聚焦方法

提出了利用时间反转(时反)聚焦技术的水声无源材料插入损失测量方法。通过无试样及有试样情况下实现接收信号的时反聚焦,并对聚焦信号进行透射系数计算,获得试样的插入损失。由于时反原理可实现接收信号的空时聚焦,从而提高测量信混比,因此本方法适用于非自由场环境下材料声学参数的测量,尤其适用于低频条件下的声学参数测量。波导水池试验开展了对两块试样的测量,试样尺寸为1.1m×1.0m×5mm,测量频率范围为1—20kHz,通过测量值与理论值的对比验证了该方法的有效性。      

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。      

Si_3N_4波导上的费涅尔透镜

本文提出一种新型的费涅尔波导透镜.它不仅具有衍射受限的聚焦特性,而且有与理想费涅尔波导透镜几乎一样的效率,并使工艺简化.在氮化硅波导上进行的工艺实验表明,实验结果与理论分析具有较好的一致性.