时差法超声波流量计测量精度的补偿方法*

超声波时差法测量精度的提高,不仅使流量计的测量值更加准确,更能满足工业生产监控的智能化及自动化的需求。文中对时差法流量计的测量原理以及影响因素进行分析,结合超声波接收原理,设计了过零检测电路结构,并在顺逆流的时间差的测量问题上,应用互相关算法,完成对时间测量的自补偿。实验结果显示:在采取以上补偿方法后,能有效改善流量计精度,时差测量误差小于0.8%,并提高了测量实时性。     

用变分优化正交的连带Laguerre基函数计算无支撑单层MoS2中激子的能量和波函数

采用基于变分优化正交化连带Laguerre基函数的准确对角化方法计算了无支撑单层MoS2中A型激子的能量和波函数.介电屏蔽效应破坏了SO(3)对称性导致激子能量以反常的轨道角动量顺序出现.该方法利用连带Laguerre多项式构造了既满足束缚态又满足连续态的正交基函数集,并推导了哈密顿量矩阵元的解析表达式.收敛速度不仅与基函数的数量有关,而且与变分参数的大小有关.在变分优化下,收敛速度非常快,表明了该方法的可靠性.采用正交化连带Laguerre基矢可大大减小基函数的数量和计算量.我们计算的激子本征能量即使是在很少的基函数下也与文献中的结果非常吻合.变分优化二维正交归一化连带Laguerre基矢适用于二维材料中激子和原子物理的精确描述.     

平面波超声成像中的波束合成方法研究进展*

平面波成像通过单次全孔径发射-接收即可获取整幅图像,将成像帧频显著地提升至1000帧/秒以上。然而,平面波成像过程中发射的非聚焦波束将导致回波信号信噪比降低,进而使图像的分辨率和对比度变差。通过多角度相干复合成像技术可以改善平面波成像的图像质量,但是会以牺牲帧频为代价。因此研究人员们开始将新型波束合成技术引入平面波成像中,例如自适应波束合成、基于逆问题求解的波束合成及基于深度学习的波束合成方法等,以期实现图像质量和成像帧频间更好的权衡。该文综述了平面波成像中的新型波束合成方法领域的研究进展,并对该应用进行了总结和展望。     

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。      

浅海非均匀水平阵宽带声场信号无源孔径扩展

大孔径水平阵对于浅海低频水声物理实验研究和应用至关重要,然而受实际情况制约,通常使用的水平基阵孔径十分有限,通过孔径扩展处理来扩展基阵孔径是一条重要途径。传统的无源孔径扩展方法是建立在均匀线阵、匀速相对运动和相干窄带连续信号的基础上的,难以适用于非均匀阵以及非连续宽带声源的情况。针对这些问题,提出了非均匀阵宽带声场信号的无源孔径扩展方法。使用静止布设在海底的非均匀水平短阵接收运动声源重复发射的宽带声信号,先开展均匀空间插值,然后在阵元域和波束域进行宽带扩展孔径处理。仿真和实验结果表明,在水深约70 m的浅海波导环境中,纵向间隔27.5 m的2个阵元接收20~200 Hz宽带声场,其空间插值结果与真值的相关系数大于0.99,说明宽带声场插值方法的合理性。在水平非均匀、纵向孔径250 m的短阵接收声场无法分析简正波频散特征的情况下,仿真和实验数据经过宽带无源孔径扩展处理得到孔径大于1 km的均匀线阵的声场,能高分辨区分各阶简正波,证明所提方法是有效的。      

深海直达波区卷积神经网络测距方法

深海声场通常可以看作不同掠射角的多途声线在接收器处的叠加,其中经海底反射的声线携带与海底参数有关的声场特征。利用深度卷积神经网络分别学习垂直阵声压域(CNN-Field)和垂直阵波束域(CNN-CBF)特征的方法被用来估计直达波区声源距离。该方法首先对仿真直达波区声场数据做预处理,然后将声压域和波束域的声场数据分别作为训练集训练深度卷积神经网络模型,最后输入测试集数据到训练完成的模型中估计声源距离.实测环境参数的仿真实验表明CNN-Field方法在不同海底参数的测试集下测距结果差异较大,CNN-CBF方法差异较小,而且在16阵元10 m等间距垂直阵的阵元域信噪比大于0dB时估计准确率可以达到97%.海试数据处理结果表明CNN-CBF方法的直达波区内测距准确率高于CNN-Field,在距离10 km以内的平均准确率可以达到93.16%.      

圆弧形面阵自适应波束形成快速计算方法

针对圆弧形面阵估计水下目标二维波达方向的问题,提出一种降维处理的自适应波束形成方法。利用圆弧形面阵模型简化阵列内插矩阵的计算,通过垂直和水平两阶段波束加权,降低自适应波束形成维数,从而实现快速估计声源二维波达方向的目的。仿真结果表明,所提改进方法的计算量较传统二维最小方差无失真波束形成方法降低约一个数量级,且在低快拍条件下具有更明显的噪声抑制优势。湖上实验数据处理结果验证,在复杂水声环境下,所提方法具有较好的目标分辨性能。      

频率不变波束形成器抽头稀疏化设计的交替方向乘子法

针对具有空间响应变化函数约束的频率不变波束形成器设计问题,提出了采用交替方向乘子法实现抽头稀疏设计的优化算法。该算法利用交替方向乘子法能够将原始优化问题进行分裂处理的特点,通过引入替代变量和指示函数,使得表征波束形成器抽头稀疏度量的非凸L₀范数与阵列响应约束分离,进而将问题分裂到元素层级并给出近邻算子的解。对于指示函数的近邻算子求解,在分裂到元素层级后则退化为简单的双边约束问题,因而降低了优化求解的计算复杂度。仿真分析表明,提出的方法比现有的L₁范数方法在宽频带条件下的抽头稀疏度能够提升6%~13%,通带最大波动误差减小了约2 dB,并且优化消耗时间更短。实验结果进一步验证了所提方法在实现高抽头稀疏度波束形成的同时,对声信号造成的失真更小。因此,所提出的方法在降低传声器阵列波束形成器的实现复杂度以及保持阵列响应的频率不变性能方面更具有优势。      

让课堂成为引发质疑与促发高阶思维的真实场域——品评区级研究课“再看v-t公式和x-t公式”

文章通过对一节区级研究课的品评,旨在促进中学物理课堂教学的常态化改进,关注学生自主学习习惯的养成和高阶思维能力的提升,关注一线教师在新一轮课改背景下课堂教学设计水平的进一步提升,力求学科核心素养在课堂主阵地得到有效落实.