Physical model of acoustic forward scattering by cylindrical shell and its experimental validation

Research on the underwater target scattering can provide important theoretical support for target detection. The scattering model of cylindrical shell is established in this paper. It is found that the forward target strength is much stronger and varies with angles of incident wave less significantly than backward target strength. The received forward signal strength fluctuates with the target moving due to the interference between direct signal and scattering signal, which is most significant when target approaches the baseline. An experiment is carried out in an anechoic tank to validate the scattering model. The method of acquisiting forward scattering in the tank is proposed. The forward and the backward target strengths are achieved by using the pulse compression technology, and they are about 3dB less than the modeling results. The forward scattering phenomena of quiescent and moving target are measured, which are similar to modeling results with different target types.     

基于三维空间域移动通信统计信道的多普勒效应

针对散射体均匀分布以及三维空间域(3 dimension,3D)移动通信环境,提出了3D空间统计信道模型.对在指向性天线覆盖下的室内微小区移动通信环境,模型能够估计多径衰落信道的重要空时信道参数,如波达信号在水平面以及垂直面的信号到达角度(angle of arrival,AOA)以及多普勒效应(Doppler spectra,DS)等.移动台(mobile station,MS)的移动特性会使接收信号产生多普勒效应,根据运动的相对性理论,基站(base station,BS)也会有相对运动,因此也会有多普勒效应产生.本文引入控制变量法导出三维空间域在MS以及BS端的多普勒效应,数值仿真结果与室外3D多径衰落信道对比表明,本模型的信道参数估计结果符合理论和经验,扩展了3D空间统计信道模型的研究和应用.     

空时多普勒频移域运动小目标的抗干扰探测方法

有源声呐使用多普勒敏感信号可在多普勒频移域分离杂波、混响等干扰和运动目标,但低信干比时强干扰的时间旁瓣泄露和多普勒旁瓣泄露会淹没弱目标。针对该问题,提出了一种基于自适应最小均方(LMS)算法和宽带模糊函数(WAF)的运动小目标抗干扰探测方法。首先在空间多普勒频移域上利用基于LMS的自适应陷波器抑制干扰,然后在快时间多普勒频移域上利用WAF探测小目标。给出了理论推导和仿真分析,进行了水池试验。结果表明,该方法可有效抑制强干扰并能准确估计小目标的时延及多普勒频移,在水池试验中约有13 dB的干扰抑制能力。此外,该方法能够容忍归一化幅度起伏方差小于0.5的干扰起伏,提高了有源声呐对运动小目标的探测能力。     

多普勒频移和干涉谱联合的水声目标运动参数估计

常见水中运动目标会辐射连续谱噪声和线谱噪声,连续谱噪声在浅海波导环境中形成明暗相间的干涉条纹。根据干涉条纹可以得到目标最近距离与速度的比值,无法直接解出两个参数值。针对利用干涉条纹无法分别估计最近距离与速度问题,提出一种多普勒频移、干涉条纹结合的运动参数估计方法。根据单条线谱多普勒频移得到最近距离与速度参数耦合曲线,再将该曲线与干涉条纹得到参数比值线相交,交点即为两参数估计结果。数值仿真估计声源运动速度、最近距离,在信噪比6dB条件下,平均估计误差分别为0.71%与0.87%。将该方法应用在2021年6月大公岛海域海试数据,5组实验数据估计目标运动速度、最近距离平均误差分别为2.5%,4.4%,证明了方法的有效性。     

模拟气泡幕激光近轴前向散射照度分布

从Mie散射理论出发,利用单气泡散射理论模型研究了激光前向散射特性以及激光前向散射光轴周围激光照度分布状态。选用波长为632.8 nm的激光,在不同介质和不同压强下测量并分析了气泡幕的散射光照度。研究表明,激光前向散射光主要分布在离光轴0.588的范围内,其沿激光光轴呈轴对称分布,并且沿光轴方向截面分布为高斯分布;在考虑水体自身散射时,0.006 MPa、0.008 MPa和0.010 MPa下,各个散射角被散射掉的光大概占激光前向散射照度的35%、45%和55%,可得到无论考虑水体自身散射与否,激光前向散射光与压强皆成反比。     

Experiment of Doppler shift of diffraction beam

Optical heterodyne interfering is used to measure the Doppler shift of diffraction beam of moving plane grating. By introducing Doppler shift in reference beam and contrasting the final beat frequency, the Doppler shift is measured to be normal when incident light and diffraction light are in the same side of the normal of periodic plane grating, which shows that abnormal Doppler shift can not occur on the material with “negative refraction phenomenon” caused by periodicity. Periodic two-dimensional photonic crystal with the property of abnormal Doppler shift has equivalent negative refractive index, and the abnormal properties of left-handed materials are not only caused by periodicity.     

Quark-antiquark scattering phase shift and meson spectral function in pion superfluid

We study the quark-antiquark scattering phase shift and meson spectral function in the pion superfluid described by the Nambu-Jona-Lasinio model. Meson mixing in the pion superfluid dramatically changes the full scattering phase shift and significantly broadens the spectral function of some collective modes.     

利用双光栅的多普勒频移测速度

衍射光的多普勒频移是与光栅运动速度有关的量.激光束依次通过动光栅、静光栅衍射,然后使1对光频不同、彼此平行又能部分重叠的衍射光束通过硅光电池进行光电转换,得到的信号电流的频率等于多普勒频移.信号电流经I/V转换、f/V转换和A/D转换后,由单片机测出电压,由此就可以确定动光栅的运动速度.最后对利用双光栅的多普勒频移测气垫导轨上滑块的速度进行分析和讨论.     

相位调制激光多普勒频移测量方法的改进

本文对现有相位调制激光多普勒频移测量方法进行了改进,通过定义新的鉴频参量来同时利用相位调制信号直流和交流分量中的有用信息进行多普勒频移测量.由于相位调制信号直流分量中包含着调制信号光的Fabry-Perot干涉仪光强透过率,所以这一改进本质上是将基于Fabry-Perot干涉仪的边缘技术激光多普勒频移测量方法的优势引入到相位调制测量方法中,以提高其自身的性能.理论上证明改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法无需对信号光的光强进行测量,所以可以进一步简化探测系统的结构和较少噪声混入的通道.另外,通过对改进前后鉴频和测量灵敏度曲线进行对比,还证明了其具有更高的测量灵敏度和动态范围.实验上对硬目标反射的频移可控信号光进行测量,不但证明了理论的正确性,而且证明了改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法,测量动态范围提高约1倍,测量标准偏差降低约35%.     

Distributed analysis of forward stimulated Brillouin scattering for acoustic impedance sensing by extraction of a 2nd-order local spectrum

Distributed fiber sensors based on forward stimulated Brillouin scattering (F-SBS) have attracted special attention because of their capability to detect the acoustic impedance of liquid material outside fiber. However, the reported results were based on the extraction of a 1st-order local spectrum, causing the sensing distance to be restricted by pump depletion. Here, a novel post-processing technique was proposed for distributed acoustic impedance sensing by extracting the 2nd-order local spectrum, which is beneficial for improving the sensing signal-to-noise ratio (SNR) significantly, since its pulse energy penetrates into the fiber more deeply. As a proof-of-concept, distributed acoustic impedance sensing along ～1630 m fiber under moderate spatial resolution of ～20 m was demonstrated.     

浅海小目标前向散射的非互易时反检测方法

将无源非互易时反(NRTR)用于浅海小目标前向散射探测海上实验研究,提出了一种基于频域加权松弛的信道估计算法(WRELAX)和时反方法相结合的小目标探测算法(WRELAX-NRTR)。该算法采用高精度的信道响应估计实现信道的空-时匹配,利用目标引起的时反声场结构的畸变检测前向散射信号对声场的扰动实现目标探测,并通过阈值法实现目标判决。在15~30 kHz的信号频率范围内进行海上实验,数据的处理结果表明,提出的WRELAX-NRTR探测算法与传统的NRTR算法相比,环境背景的扰动幅度从10 dB减小到4 dB,从而降低了虚警率,另外该算法对海洋环境噪声、目标聚焦深度、目标穿越距离和信道动态变化等均具有良好的鲁棒性。     

基于相位调制器与Fabry-Perot干涉仪的激光多普勒频移测量方法

提出了一种激光多普勒频移测量方法, 此方法利用正弦相位调制使信号光在原频率成分基础上产生正负一阶边带, 再由Fabry-Perot干涉仪对调制光振幅和相位进行调整, 使其产生固定频率的拍频信号, 利用此拍频信号的振幅随频率变化而变化的性质来进行多普勒频移测量. 通过理论分析证明该方法具有很高的测量精度, 加工装调难度不大, 兼顾了普通相干与非相干探测方法的优势. 另外通过实验证明该方法的正确性与可行性, 并通过与普通非相干方式比较发现该方法在测量精度上可以提高 约1个数量级. 关键词： 多普勒频移 相位调制 Fabry-Perot干涉仪 拍频     

超声光栅实验及其多普勒频移的一种简单研究方法

采用光子学方法,对超声光栅衍射实验和实验中出现的多普勒频移现象进行了研究,所得结论与采用光的波动性观点的惠更斯-菲涅耳原理及傅里叶变换等常规方法相同.该方法进一步加深了对衍射的本质和光的粒子性的理解并对光子的信息传递能力有初步的认识.     

Modulation effects of rotating radiofrequency field in forward nuclear scattering of synchrotron radiation

The quantization of a nuclear angular momentum in the rotating hyperfine (HF) field of any frequency is theoretically studied in resonant forward scattering of synchrotron radiation (SR). The adiabatically slow rotation of the quantization axis does not perturb the multilevel structure of nuclear states created by the static hyperfine interaction. It follows directly from the pattern of quantum beats of a resonant response (RR) to an SR pulse. When the rotation frequency is of the order of the Larmor frequencies, determining the stationary HF sublevels, the pattern of quantum beats of an RR is formed by the nuclear resonant transitions between quasienergy levels. At the rotation frequency much larger than the Larmor frequencies the multilevel structure of nuclear states results from the quadrupole interaction only. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

海面微波散射场多普勒谱特性研究

基于粗糙面电磁散射双尺度模型推导给出了海面微波散射场多普勒谱频移和谱宽的理论公式, 在该理论公式的推导过程中同时考虑了大尺度海浪的倾斜调制、遮蔽效应和曲率修正效应等因素的影响. 文中将理论公式计算结果与精确数值结果进行了比较, 并讨论了倾斜调制、遮蔽效应及曲率修正效应等因素对多普勒频移和谱宽的影响, 发现倾斜调制使水平极化散射回波多普勒频移显著增大, 从而导致水平极化回波多普勒频移比垂直极化回波多普勒频移大; 在中等入射角度区域, 遮蔽效应和曲率修正效应对多普勒谱并无显著影响, 而在掠射条件下, 遮蔽效应使得多普勒频移增大、谱宽变窄. 本研究对深入理解动态海面散射场频谱特性具有一定参考意义.     

二维粗糙海面散射回波多普勒谱频移及展宽特征

基于二维线性海面模型及粗糙面电磁散射的一阶小斜率近似公式,研究了海面回波各阶多普勒谱的频移特性,得到了多普勒谱频移所对应的理论公式,与经典多普勒频移公式相比考虑到了风速、大尺度波浪轨道运动等因素对多普勒谱频移的影响;同时根据粗糙面的双尺度模型,基于多普勒谱频移的物理机理,给出了求解散射场多普勒谱展宽的理论公式.最后将理论公式计算所得结果与模拟结果及实测数据进行了比较,讨论了风速、入射波频率及入射角等因素对多普勒频移及多普勒谱展宽的影响.通过比较可以发现,给出的理论公式可以对多普勒谱频移和展宽进行一定程度的预测. 关键词： 粗糙海面 电磁散射 多普勒谱     

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在HL-2A中性束试验平台上,利用多普勒频移光谱方法测量了离子源引出离子流的各组成成分及其随弧流的变化情况。在数据分析中提出了遗传算法(GA)和L-M优化算法相结合进行光谱拟合的方法。结果表明,当束能量为30keV、弧流为340A时,离子流中各组分之比 JH+:JH2+:JH3+=0.57: 0.36: 0.07。当弧流从90A增加到350A时,H+百分比从45%增加到57%,而H3+则从17%降到7%。     

等声速环境中目标前向声散射简正波耦合的垂直阵空域响应特征

水下目标的前向声散射会引起声波传播过程中的简正波耦合效应,使得接收声场结构发生变化,研究目标前向散射引起的垂直阵列上空域响应变化特征,可实现对直达波强干扰背景下的前向散射检测。通过将垂直阵波束形成技术分别用于信道中目标散射场理论模型计算数据和湖上实验验证数据,分析了等声速环境中目标前向声散射简正波耦合的垂直阵空域响应特征。结果表明,目标靠近接收端时前向散射引起的声波垂直达到结构与无目标时相比差异显著,高阶简正波向低阶简正波转化导致信号到达时延宽度展宽,采用指向水平方向的窄波束可显著提取目标前向散射引起的接收声波变化特征。     

自适应直达波抑制方法在前向散射宽带信号中的应用

介绍了前向声散射目标探测的基本原理,并提出了基于自适应滤波的直达波抑制(DBS-AF)方法。将DBS-AF方法扩展到线性调频(LFM)信号中,把信号的包络视为一种广义\     

扰动声线声压敏感核用于浅水前向散射小目标定位

针对收发合置声呐在浅水信道中对小目标的定位能力受强混响制约的问题,开展了利用目标前向散射的声屏障实验研究,通过计算扰动声线的声压敏感核实现了在自然环境中、非等声速条件下的小目标定位。扰动声线的声压敏感核反映的是因目标进入探测区域而扰动到的声线所包含的目标位置信息.首先,从众多本征声线中确定可以用于目标定位的扰动声线;然后,利用扰动声线的声压敏感核的空间特性实现定位。将该定位算法用于湖试数据,实现了利用20~28 kHz的线性调频信号对直径0.4 m目标球的定位。并且通过比较不同参数假设下的计算结果,发现该定位算法对于目标材质和尺寸的失配均具有较好的鲁棒性.