声强测量技术在水下结构辐射噪声近场测量中的应用

本文介绍了强测量技术在水下结构辐射近场测量中的实际测量系统，特别是水下声系统的扫描平面的实现方法及定位误差控制方法，最后讨论和分析了实际测量结果，从而说明该系统用水下声强测量是可行的。     

水下目标噪声测量中的同步钟测距

本测距系统采用两只型号相同的ＷＺＧ－５ＭＨｚ石英晶体振荡器，在同一个时基标准下进行同步测距，５ＭＨｚ石英晶体振荡器具有准确度高，稳定性好的特点，从而成功的解决了在舰船辐射噪声测量中，目标船与测量水听器间测距误差大的问题。本文较详细的介绍了同步钟测距原理，并对在舰船辐射噪声测量中噪声级与距离关系，目标船相对测量水听器的位置，测距误差等进行了描述。     

基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统

燃料组件变形状态是堆芯运行过程中的重要监测指标,基于水下双目视觉的变形检测系统不仅能获得燃料组件关键参数的三维尺寸,还可以测量组件的整体轮廓。根据水下大型燃料组件的高热、高辐射特点,研制了一种基于16台摄像单元的水下双目检测系统,并给出各组成模块的详细设计;通过联合Harris特征点和区域灰度互相关方法,实现辐射噪声干扰下的双目摄像模块的组内快速图像配准。经模拟水池和核电现场实验,验证系统局部参数测量精度优于0.2 mm,全局参数测量精度满足0.5 mm,为高热、高辐射的水下乏燃料组件的局部变形和整体弯曲等参数测量提供有力工具。     

水下声辐射激励水表面声波的特征参数测量

采用激光干涉方法对水下声辐射激励水表面声波的特征参数频率和振幅进行了测量研究。从理论上对水表面声波激光相干测量信号的频谱构成进行了分析,在此基础上提出了水表面声波两个重要声学参数频率和振幅的解算方法,并通过数值仿真进行了验证。搭建了一套简单的激光干涉测量实验系统,对不同频率和声压激励的水表面声波进行了测量实验,验证了水表面声波频率和振幅解调方法的准确性。对水表面声波横向传播的振幅衰减现象进行了初步的实验研究,结果表明水表面声波的频率越高,振幅的横向衰减越快。研究表明激光相干检测方法能够准确地实现水表面声波振幅和频率的测量。      

线阵声强缩放方法在水下声源辐射功率估算中的应用

为了解决水下声源辐射声功率难以计算的问题,利用线阵声强缩放方法在波束形成声源识别的基础上,根据波束输出结果与声源辐射声功率之间的换算关系来获得相应的声功率。为了提高线阵声强缩放方法的水下声功率估算精度,给出了一定动态范围限制的主瓣区域积分方法,并通过仿真验证了该方法的有效性。在消声水池中开展了水下声功率估算的实验研究。在不同的测试距离下,对双声源条件下的单频以及宽带声源在阵列侧的辐射声功率进行了估算,以混响法的测量结果为参考值,研究了估算误差随声源频率、测试距离等影响因素的变化规律。实验结果表明,无论是单频还是宽带声源,声功率的最大估算误差不超过2.6 dB,在高频时不超过1.6 dB。验证了线阵声强缩放方法应用于水下声源辐射声功率估算的正确性与可行性。      

不同能量水下激光诱导等离子体的轴向辐射分布特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为一项新兴的水下原位探测技术,备受海洋探测技术领域的关注。将这项技术推向实用化的关键之一是改善LIBS的远程探测能力,因此需要采用超击穿阈值的高能量探测激光。为观察超击穿阈值情况下的等离子体辐射和动态击穿特性,采用图像与光谱相结合的方法,以KCl溶液为样品进行了系列实验研究。通过对1～20 mJ不同能量激发下的等离子体图像分析,获得了不同激发条件下总辐射的轴向跨度和最亮点位置信息。随激光脉冲能量增大,等离子体长度增加,从1 mJ时的0.49 mm增加到20 mJ时的1.83 mm,同时辐射最亮点位置向激光入射方向移动了0.79 mm。结合光谱探测分析,得出等离子体特征辐射的轴向空间分布也对激光能量有明显的依赖性。虽然不同能量下谱线强度呈相似的轴向空间分布,但钾原子辐射最强处的位置和相应强度均随能量变化,在5 mJ激发下获得最佳辐射强度。实验结果表明,为满足远程LIBS应用需求,提高激光能量时应考虑其对原子辐射的影响。还对不同能量下的谱线的半高宽和信背比进行了观测分析。     

宇宙背景辐射的短波畸变

1987年2月23日,日本名古屋大学和美国加利福尼亚大学伯克利分校组成的合作小组.利用当天从日本发射的试探火箭,对宇宙背景辐射进行了高精确度测量.结果发现宇宙背景辐射在亚毫米波段大大偏离了黑体辐射.这与1981年Herbert Gush和 Mark Halpern报道的结果很相似. 根据大爆炸理论模型,宇宙背景辐射的光子产生于高红移时期.红移公式为1 Z=λ0/λe,其中λ0和λe分别是观测到的和发射的波长.在宇宙的早期,辐射与物质处于热平衡,产生的光子具有黑体辐射谱.到Z<10 6时,各种产生光子以维持热平衡的过程的产生率将变得不足以维持辐射的黑体谱.但是…     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示：温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100 nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究（英文）

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示:温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

微波-光波变电长度缩比条件下目标雷达散射截面相似性研究

利用光源体积较小且容易实现的特点,提出了将微波大尺度缩比到可见光波段,采用光源辐射产生的光波缩比测量目标在微波频段雷达散射截面的思想,讨论了由此带来的原型系统中目标几何尺寸不能缩得很小而导致的必须变电长度缩比问题,深入研究了在这种非等比的非精确相似条件下目标雷达散射截面的相似性关系,以及符合这种相似性关系的微波-光波变电尺度缩比仿真雷达散射截面的约束条件和补偿方法.研究成果为在实验室等较小场地实现大型电磁系统缩比仿真测量实验提供了新思路.     

水下光场的蒙特卡罗法求解

水下光场分布对水下光电成像质量具有决定性的影响,通过水下光场分布可以得到水下图像的传输退化模型。在给定水体光学参数的前提下,建立光子水下传输概率模型,利用Monte Carlo法模拟光子在水下的运动,可以获得水下光子散射点体积密度分布,求解出水下光场;在水体体散射函数为球形对称的条件下,利用Monte Carlo法得到的水下光场分布与理论公式的计算结果具有很好的一致性,验证了该方法的有效性;最后给出了水下理想点光源形成的水下光场分布。基于此结论,可以将Monte Carlo法求解水下光场的应用范围推广至水体体散射函数为一般表达式的情形。     

水下声学滑翔机用于东印度洋声传播特性分析及声源估计

常规实验方法无法同步获取深海大尺度声学和水文数据,水下滑翔机可作为同步观测平台解决该问题.首先利用在东印度洋北部海域水下滑翔机同步获取的声传播和水文实验数据,分析了水下滑翔机的自噪声谱级和实验海区声传播特性,然后推算并修正了滑翔机水下运动轨迹,利用第一影区水下滑翔机接收声传播信号的脉冲多途到达时间差对声源进行测距与定深。潜标接收噪声与滑翔机自噪声谱级对比表明,水下滑翔机在海洋中无动力运动时的系统自噪声接近于潜标观测的海洋环境噪声。滑翔机实测的声传播损失与模型计算结果吻合较好,第一影区水下声源测距定深结果与实际位置较为一致,测距与定深的相对误差均小于5%。利用加载水听器的水下滑翔机可以实现水文环境数据与声学信号的同步观测,对深海声传播特性测量及定位算法研究具有重要意义。      

水声信号处理领域若干专题研究进展

本简述了近年来水声信号处理领域中若干专题的研究进展。包括水声通信,合成孔径声纳,水声数据融合,声层析以及水下GPS系统等。     

Adaptive Two-Step Bearing-Only Underwater Uncooperative Target Tracking with Uncertain Underwater Disturbances

The bearing-only tracking of an underwater uncooperative target can protect maritime territories and allows for the utilization of sea resources. Considering the influences of an unknown underwater environment, this work aimed to estimate 2-D locations and velocities of an underwater target with uncertain underwater disturbances. In this paper, an adaptive two-step bearing-only underwater uncooperative target tracking filter (ATSF) for uncertain underwater disturbances is proposed. Considering the nonlinearities of the target’s kinematics and the bearing-only measurements, in addition to the uncertain noise caused by an unknown underwater environment, the proposed ATSF consists of two major components, namely, an online noise estimator and a robust extended two-step filter. First, using a modified Sage-Husa online noise estimator, the uncertain process and measurement noise are estimated at each tracking step. Then, by adopting an extended state and by using a robust negative matrix-correcting method in conjunction with a regularized Newton-Gauss iteration scheme, the current state of the underwater uncooperative target is estimated. Finally, the proposed ATSF was tested via simulations of a 2-D underwater uncooperative target tracking scenario. The Monte Carlo simulation results demonstrated the reliability and accuracy of the proposed ATSF in bearing-only underwater uncooperative tracking missions.     

基于数字全息术的水中气泡场获取方法的研究

水中气泡场是海洋和大气热交换的重要媒介,随着对海洋研究的深入,水中气泡场的研究越来越受到人们的重视。数字全息术由于具有可获取三维空间信息、可进行实时实地测量、不干扰被测对象等优点,所以可成为获取水中气泡场的有效手段。研究了数字全息技术在水中气泡场探测中的应用,并进行了数字全息拍摄的实验和再现,探讨了获取水中环境对获取气泡场的影响,讨论了实验中出现的问题,并对所得到的再现图像数据进行了分析和讨论。     

水下无线光OOK信道误码率分析

现有的矢量辐射输运（VRT）理论无法分析有限孔径条件下水下无线光通信信道特征,因此VRT误码率计算结果并不能很好地与实际系统相符。在分析水下光OOK信号激光传输模型的基础上,根据水下有限孔径光信道的特征,对三类海水中可见光水下通信系统的误码率进行了仿真和评估。仿真结果表明,水下光OOK系统可靠视频传输距离上限分别为远洋108m,近海65m和海湾11m,该结果为水下实时高码率激光通信系统设计提供了参考。     

Underwater acoustic localization by principal components analyses based probabilistic approach

In this paper, the underwater localization is given from wireless acoustic communication signals by probabilistic pattern recognition in eigenspace of PCA (principal components analyses). It should be emphasized that our underwater localization is from existing wireless acoustic communication signals, but not from additional localization systems. Our underwater localization scheme is based on fingerprinting and contains two stages, i.e., the off-line (i.e., training) and on-line (i.e., predicting) stages. In general, the received acoustic signals fluctuate seriously in underwater environments. To reduce the complexity and noise effects, all received signals are projected onto the eigenspace of PCA. Each projected feature is assumed to have Gaussian probabilistic distributions. Therefore, the location information can be easily obtained by probabilistic pattern recognition of projected features in PCA space. Note that our underwater localization scheme is not affected by reflected signals. To illustrate such a benefit, experiments were conducted in a bounded water pool where reflected signals exist near the walls. Experimental results show that the proposed underwater localization scheme is efficient and accurate. The proposed localization scheme is useful for underwater acoustic communication networks, and then in underwater technologies.     

基于Camera Link高速相机的控制与视频流长线传输技术研究

在水下光电成像系统中,要对水下相机与地面设备进行视频数据与控制命令的远距离通信,而电缆的传输距离有限不能达到远距离通信的要求。针对此问题,设计了一个基于Camera Link高速相机的水下光电成像传输系统,采用光纤传输技术实现了水下视频信号到地面设备的长线传输,以及地面设备对水下Camera Link高速相机的远距离控制,传输距离可达20km,传输稳定可靠,现已成功应用到某水下成像系统中。     

经典局域共振型水声超材料的吸隔声性能研究*

基于水声超材料吸声机理和多层平行介质平面波理论,建立局域共振型水声超材料结构,通过COMSOL进行建模计算,研究该结构的吸声性能机理,此外为了验证钢背衬的隔声性能,在该水声超材料结构基础上添加一层0.005m厚的钢背衬进行仿真对比。研究结果表明,在频段为200Hz-4000Hz时,水声超材料声学性能较好,吸声性能整体较优,且添加钢背衬的水声超材料隔声性能较优,甚至在某频率点达到15dB的隔声差值;此外通过位移场图进一步揭示水声超材料的吸声机理,发现水声超材料结构的位移场和钢背衬都对吸声性能会产生影响,钢背衬通过影响共振吸收来影响吸声性能,而位移场则通过位移幅度大小影响吸声性能。     

浅水时变多途信道特性分析与模型实验研究

时变多途水声信道是影响水声通信性能的一个重要因素,深入了解水声信道挣性并对水声信道进行建模具有重要的研究意义。本文在分析传统时变信道模型基础上,从时域角度出发,提出采用AR(ρ)模型对已有的浅水时变多途信道模型中的小尺度衰落分量进行修正。然后基于莲花湖实测信道数据,分析了时变信道各个路径的幅度、时延、时间相干系数、系统传递函数等特性,并对修正模型进行了验证正。从仿真结果来看,修正模型与试验结果拟合的很好。本文从多个方面对水声信道特性进行了分析,有助于对水声信道的深入了解,同时为水声通信系统性能评估提供了一种仿真信道模型。