利用宽带引导声源重构拷贝声场的目标声源定位

为了避开传统的匹配场目标定位技术对环境先验知识的依赖性,提出了在均匀浅海环境中只知道少量环境参数的情况下,利用垂直接收阵和不同距离上的两枚宽带引导声源重构声场对目标声源进行定位的一种方法。这种方法主要基于简正波估计和声场重构两种关键技术,同时省去了匹配场定位技术中大量的拷贝声场计算。数值仿真主要采用线性Bartlett匹配处理器分析了目标定位效果,在信噪比高于10 d B的情况下,定位效果良好。     

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。      

浅海中运动声源径向速度与距离的无源估计

针对浅海波导中声源距离的无源估计问题,提出了一种环境参数和声场模型无关的、不依赖于引导声源的运动声源径向速度以及距离估计方法。该方法首先通过双水听器低频声场强度距离波数谱变换(R-K)的相位差获得干涉简正波水平波数,对水平波数轴定标来估计运动声源的径向速度。进一步地,对接收信号自相关函数进行WARPING变换得到运动声源距离的无源估计。对于反射类简正波为主的声场,在某一假定距离下根据某两时刻接收信号WARPING变换后干涉简正波谱峰频率与假定距离的关系估计距离;对于反射类或折射类简正波为主的声场,根据两个时刻接收信号的β-WARPING变换后干涉简正波的脉冲时延估计距离的值。数值仿真分析了等声速、负梯度以及温跃层3种水文环境下的噪声以及环境宽容性,结果表明径向速度与距离的估计不依赖于环境参数。利用2005年北黄海实验数据验证了方法的可行性,径向速度与距离的估计值与实际值符合良好。      

高斯射线束方法在深海匹配场定位中的应用

匹配场定位作为一种水声被动定位方法,其拷贝场计算方法的精度和速度对定位效果和定位效率有着直接的影响。尤其在深海,目前浅海中常用的拷贝场计算方法如简正波法、抛物方程近似等在深海中往往存在计算效率不够、内存需求大、难以满足实际应用的需求。高斯射线束方法具有计算速度快,物理意义清晰,易于并行化处理等优点,非常适合于深海近程声场计算。通过数值仿真算例和海上实验数据的处理验证了高斯射线束方法用于拷贝场计算的有效性。仿真和实验数据处理结果表明,采用高斯射线束方法计算拷贝场在深海匹配场定位中有很好的定位效果.      

非完整阵列接收下的虚拟接收目标定位技术

在浅海近似绝热环境中,利用虚拟接收方法对声源测距的目标定位方法相比于传统的匹配场定位方法可以避免对环境参数和声场模型的依赖,同时省去生成拷贝场时的大量计算·利用虚拟接收方法对声源测距主要是通过估计虚拟声场干涉条纹的斜率进行定位,而非完整阵列接收相当于引入了干扰项,破坏了虚拟声场干涉结构。引入了一种基于图像Hessian矩阵特征值分析的多尺度线性滤波器,通过数值模拟和实验数据处理,结果表明,该滤波器可以有效地增强干涉结构、检测和提取干涉图案中的条纹信息,提高非完整阵列接收条件下的虚拟接收目标定位技术的测距性能。      

一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在模态匹配和匹配场处理定位方法的基础上,提出了一种适用于具有液态半无限空间海底的浅海波导中声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以对脉冲声源接收信号的各阶简正波实现有效分离,由此得到各阶简正波的频域信号.海底相移参数是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,而各阶简正波的水平波数可以通过含有海底相移参数的表达式来表达.此外,由于声速剖面对简正波的各阶水平波数具有相近的影响,因此通过对任意两阶简正波进行联合处理,可以近似消除声速剖面对简正波水平波数差的影响.任意两阶简正波的水平波数差只近似用于海底相移参数、海深以及波导中平均声速三个参数有关,可以简单、快速地计算相应拷贝场,然后通过建立代价函数并对简正波模态进行匹配,可以实现对水下脉冲声源的被动测距.与传统的模态匹配定位方法相比,本文提出的方法既不需要使用水听器阵,又可以简单、快速地计算出拷贝场.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

不同频段下利用虚拟接收方法的声源测距性能分析

考虑到传统的匹配场处理定位需要复杂的匹配声场计算,并对环境参数和声场模型有很高的依赖,为了克服这种缺点,采用虚拟接收方法对声源进行测距。首先对垂直阵接收到的引导声源和目标声源的信号进行相关处理,得到虚拟接收声场并估计虚拟接收声场干涉条纹的斜率,结合波导不变特征量β对目标声源进行测距。通过数值仿真和2004年南海实验数据处理,讨论了浅海斜坡海域环境中不同频段下利用虚拟接收方法对宽带声源测距的性能。随着频率升高,需要展宽频带以获得完整的干涉条纹和良好的测距结果。在实验数据处理中,选取频段较高的信号时,由于阵列间距偏大不能保证采样的简正波模式的正交归一特性,不能获得正确的测距结果。      

不确定海洋环境中的模态子空间重构稳健定位方法

实际的海洋是一个不确定的声传播环境,常规的匹配场方法在进行目标定位时会遇到环境失配的问题,导致定位性能下降.在不确定的海洋环境中,声场传播中的一部分简正波模态受到声场不确定性的影响较小.基于此,本文提出了一种模态子空间重构的稳健定位方法.该方法使用稳定的模态来重构拷贝场向量,相比于常规匹配场定位方法中使用全阶模态来构造拷贝场向量,其定位结果更加稳健.利用计算机仿真数据和海试数据进行了定位性能分析,并给出了常规匹配场定位方法和稳健最大似然定位方法作为对比.研究结果表明:1)不确定海洋环境中,常规匹配场定位方法即使在较高的信噪比条件下其定位性能也较差.2)模态子空间重构定位方法的性能优于常规匹配场定位方法和稳健最大似然方法.     

空气中声源的水下匹配场定位

通过水下布放的垂直线列阵采集空中声源在水下激发的测量声场,采用声场波数积分模型(OASES模型)对空中声源激发的水下声场建模,计算出拷贝声场,将二者进行匹配处理从而对空中声源目标定位。首先通过数值仿真验证了匹配场处理技术对空中声源的测距能力,并通过引入宽带匹配场处理器平滑掉距离上的周期性旁瓣。最后分析南海某海域的空气声试验数据,采用常规匹配场方法对700 m以内的32组空中声源目标进行定位,测距结果与GPS计算的收发间实际距离相比,大多数情况下是一致的,在较远距离由于信噪比降低,测量结果容易出现偏差。     

基于高分辨谱估计方法的快速运动目标分析*

水下运动目标产生的声场由一系列不同模态的简正波组成,不同模态简正波具有不同的多普勒频率移动,携带了运动目标速度、频率等参数的信息。针对快速运动目标水下辐射声场的这一特点,采用高分辨谱估计Burg算法估计不同模态简正波多普勒频移,进而获得运动目标的速度、频率参数估计。数值仿真结果表明,高分辨谱估计Burg算法获得了高频率分辨率,在较短的观测时间或是阵元不足的情况下,较准确地估计了多普勒频移,获得了目标运动速度和初始频率等运动参数。     

warping变换提取单模态反演海底衰减系数

为了获得浅海海底地声模型参数,利用warping变换方法分离出单模态简正波.对于接收深度固定、定深爆炸声源情况,以简正波理论为基础定义了距离归一化的简正波传播损失,并且其随传播的距离呈线性关系,故可通过此变化规律得到声压值实部的衰减因子,进而可求得海底地声模型参数:海底衰减系数.为验证此方法的有效性,仿真了warping变换提取单模态简正波的过程,同时将warping变换提取的单模态简正波与数值计算的结果进行比较验证;并针对某次黄海试验数据进行了处理,得到在150—550 Hz频带范围内海底衰减随频率的变化规律为α=0.581f_k~(1.86)(dB/m).通过与其他学者在相同海域试验结果的对比验证,变化规律基本相同.此外不同模态间反演相同频点的衰减系数接近也较好地支撑了结果.     

一种计算和分析二维光子晶体缺陷模式的方法

通过改进时域有限差分(FDTD)法,计算和分析了二维光子晶体的缺陷模式。运用一维时域有限差分算法和线性插值法在总场散射场(TF-SF)连接边界引入入射平面波,采用完全匹配层(PML)技术对外行波进行了有效吸收。计算和分析结果表明,在光子晶体非对称方向入射的平面波能激发所有的缺陷模式,选取合适的探测点位置收集电场值,经快速傅里叶变换(FFT)能得到所有的共振峰值。另外,采用该方法研究了二维正方介质柱光子晶体缺陷模的共振频率与缺陷介质柱半径和介电常量之间的关系。结果表明通过改变缺陷的半径和介电常量大小可以在光子晶体禁带中一定的范围内调节缺陷模式的共振频率大小。     

基于伽辽金级数的空间电荷场计算模型

利用局部伽辽金矩量法,建立了电子注空间电荷场的2.5维计算模型. 将空间电荷场在径向展开为各个模式的叠加,利用伽辽金级数表示,通过求解其系数方程组, 最终求得空间电荷场.利用本文的模型,计算分析了电子注空间电荷场的特性, 并研究了模型中仿真参量对空间电荷场计算结果的影响.本文的空间电荷场计算模型利用粒子模拟基本方法, 可以应用到速调管注波互作用计算模型中.     

Numerical investigation of the effect of material parameters on magnetization reversal of a magnetic nanoparticle

The dependence of the magnetization reversal field of an elliptic submicrometer magnetic particle on the parameters of the material and sample configuration has been numerically studied. A method for calculating the magnetostatic field using the Fourier transform has been described in detail. The simulation results have demonstrated, in particular, that the normalized magnetization reversal field of a particle is independent of the exchange length at its rather large values.     

基于人眼视觉非均匀特性的实时Mean Shift跟踪方法

由于在成像制导过程中需要实时处理大量的信息,为了在尽可能保留有效信息情况下降低计算量,采用了一种人眼视觉非均匀采样模型——对数极坐标模型,来压缩信息量以提高计算速度;另外,由于对数极坐标变换对目标形状具有旋转和缩放不变性,在跟踪非刚性变形目标时该模型能表现出很好的稳健性;考虑到在成像跟踪末段,质心、角点之类的跟踪方法会产生匹配点漂移,为了抑制匹配点漂移,采用基于目标强度特征的Mean Shift跟踪方法,并对采用Gauss核函数的Mean Shift方法进行了优化来加快计算速度;实验结果表明,该方法能够有效抑制匹配点漂移,是一个稳健的目标跟踪方法.     

Influences of pump wavelength and environment temperature on the dual-peaked Brillouin property of a small-core microstructure fiber

The influences of the pump wavelength and temperature on the dual-peaked Brillouin property of a piece of a small-core microstructure fiber are investigated using the heterodyne method. The experimental results indicate that the dispersion characteristics of the acoustical modes participating in the Brillouin scattering are formed by the coupling of two acoustical modes with different acoustical field distributions. The influence of the pump wavelength can contribute to the variation of the acoustical mode wave vectors. On the other hand, the influence of the environment temperature can contribute to the shift of acoustical mode dispersion map by the variation of the material mechanical parameters and thermal expansion. The model and experiment results demonstrate that the height ratio of the two Brillouin peaks can be controlled by adjusting the pump wavelength or environment temperature.     

基于分数阶傅里叶变换的模式测控一体化方法

提出了一种基于分数阶傅里叶变换的模式测控一体化方法。利用分数阶傅里叶变换光路对光纤模式耦合态进行空间调制和相位调制,以实现模式的有效分解。与双重傅里叶变换（F2）法以及空间和频谱成像（S2）法相比,采用的分数阶傅里叶变换法,通过改变分数阶参数,控制模式的空间分布以及模式间的叠加状态,更易于分解出高阶模式。基于分数阶傅里叶变换的模式测量方法可在更广泛空间,研究模式的空间和相位叠加以及模式分解,也可退化为F2法和S2法。     

光纤激光模场及表征技术进展

在光纤通信、光纤激光器和光纤传感等领域的实际应用中,需要重点关注光纤中的模式问题。模分复用是提高光通信信息容量的有效方法,模间干涉是大多数光纤传感的基本方法,高功率光纤激光的光束质量控制的关键技术之一就是模式控制,因此,对光纤模式理论、模式产生及转换、模式表征技术开展研究具有重要的研究意义和实际应用价值。论文讨论了光纤的模式及光束质量,分析了多种模式发生及转换的方法,将模式表征方法归结为非相干、相干和低相干测量法。光纤模式表征是目前的研究热点,在多种表征方法中,空间和频谱成像法（S2）和双重傅里叶变换法（F2）具有显著的优越性,可不需要提前知道光纤的几何参数,就可获得模场分布、模式功率占比、群时延等特性。研究表明F2法更适合于表征高功率光纤激光的模场特性。