水下声信号空间位置探测研究

为了对水下声信号进行精确定位,基于液体表面的声光衍射原理,使激光束斜射到液面,促使水下声信号在液体形成表面波。通过建立精准的水下定位装置,改变声源在水下水平方向与深度方向上的位置,获得声源水下空间位置信息。实验发现,通过声源不同空间位置,得到不同光强度的衍射图样。分析衍射图样光强,可推导出水下声信号空间位置与衍射图样光强度的变化关系。研究表明,衍射图样光强随着水下声信号空间位置改变而变化,进而推导出衍射光斑强度与水下声信号空间位置的初步关系,为进一步实现声源空间位置探测提供依据。     

基于时间反转聚焦的声发射源定位算法

声发射检测可以判断损伤的活性和严重性而被广泛应用,但对损伤位置仍没有更准确的定位方法。提出一种基于时间反转理论的声发射源准确定位的方法。根据声发射被动监测的特点,研究采用时间反转聚焦方法使声发射信号能量叠加放大,提高信号的信噪比,并分析推导了具体损伤声源信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转对声发射源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示出损伤声源位置和区域;最后通过数值仿真对该方法进行验证,仿真结果表明能有效提高损伤声源信号的能量,能够对检测区域的信号重建,并通过显示准确给出损伤声源位置,定位精度较常规时差定位法有较大提高。     

基于过零点双耳时间差的运动声源定位

人耳听觉定位的一个主要因素是ITD。在传统的计算声场景分析方法中,对ITD的估计采用对双耳神经发放率做互相关求得。但该方法具有计算量大和抗噪声能力弱两大缺陷,给实现运动声源实时定位带来了巨大瓶颈。对较新的过零时间差（ZCTD）方法进行了改进,采用Teager能量算子（TEO）提取语音包络截取可靠语音段估计ITD,避免了ZCTD方法中用信噪比的估值提取可靠ITD的繁琐步骤,能够更快速、准确地估计ITD,具有较强的抗噪声能力。将该方法运用到运动声源定位上,提出了基于过零点双耳时间差的运动声源定位模型,通过仿真实验验证了其实现运动声源实时定位的可行性。     

三维空间宽带音质可听化仿真

该文研究了三维空间中任意点处音质效果的计算机仿真方法。论文给出了宽频带条件下声信号滤波函数的求解方法，提出用最小相位原理对该函数进行处理并利用它对输入信号滤波，由此预测声源在接收点处产生的信号，文中通过仿真实例验证了方法的可行性。     

一种声源定位系统设计

对一定区域内的声源目标定位是声学技术的研究方向之一。借鉴TDOA算法被动定位思想,并针对声信号特点,可设计基于TDOA协同被动定位算法的声场监测系统,用于在空旷场地进行声源监测定位。该系统通过在空旷场地布放3个或多个高灵敏度麦克风监测声目标源,通过计算各麦克风收到信号的时间差,采用Chan和Taylor联合算法,可实现对一定区域内的声目标定位。经过在空旷地实测数据仿真表明,该系统可成功对声目标进行定位,且性能稳定。     

拾取回波信号时脉冲声控制方案的设计

在空气声中采用脉冲声进行吸声与隔声测量时,由于声源与传声器是分置工作的,脉冲声生成过程中,传声器与声源是同步工作方式.但在水声管中测量时,换能器往往采用“收发合置”的工作方式,脉冲声生成的方式是不同的.因此,提出了在拾取回波信号时脉冲声的时序控制方案.以MSP430F149单片机为硬件核心,设计了满足其时序要求的控制电路,利用MSP430F149单片机串行口通信,开发了基于LabWindows/CVI虚拟仪器技术的上位机测试平台,辅以信号发生器、数字示波器、功率放大器、信号调理器等测试仪器,通过对响应及驱动信号进行截短处理,在消声室中成功产生了可控脉冲声信号,为“收发合置”方式在水下环境中产生可控脉冲声奠定了基础.     

基于水平投影的ROV水下GPS精确定位算法

精确的水下定位是提高水下机器人(ROV)作业性能的关键。本文基于斯涅尔声射线理论,采用水下GPS水平投影和有限迭代计算的方法,推导了水下作业机器人精确定位的计算方法,并采用Argo浮标提供的水声数据和MATLAB软件进行了计算仿真。结果表明,相同声信号传播时间,水平投影距离随分层数量的增加而减小并收敛;相同分层数量,水平投影距离误差随初始入射角减小而减小。该计算方法能够实现水下机器人的精确定位。     

一种水下未知声源定位方法的研究

随无线传感器网络技术快速发展,基于传感器网络的水下定位系统被广泛提出;然而,降低节点成本、降低节点功耗成为该技术走向实用化发展的关键所在;通过将传感器网络技术和声波传播衰减原理相融合,进一步建立新的基于传感器网络的水下未知声源定位方法数学模型,并通过实测水下声源与计算机仿真相结合,分析了该模型受反射波、环境噪声和噪声源距离变化影响程度,验证其可行性,提出系统误差修正方法。     

基于自动搜峰和shannon熵的车辆轴承多普勒畸变故障声信号校正研究

针对传声器采集的运动声源信号存在多普勒畸变问题,提出一种基于自动搜峰和shannon熵的滚动轴承多普勒畸变故障声信号校正方法。首先对所采集的声音信号进行短时傅里叶(STFT)时频分析;然后利用自动搜峰方法进行瞬时频率估计,设置shannon熵来提高瞬时频率估计精度,并得到拟合的瞬时频率曲线,进而得到信号重采样时间点;最后对原信号进行时域重采样,从而使畸变信号得以矫正。通过仿真和动态滚动轴承内外圈故障声信号的实验验证了此种方法的可行性。     

水下机器人粘性类水动力数值计算方法研究

通过对通用流体动力学仿真软件CFX的研究，提出了一套水下机器人粘性类水动力的数值计算方法．该方法采用标准k-ε湍流模型计算位置力系数，采用标准k-ω湍流模型计算旋转力系数及其它耦合水动力系数．对“CR-02”6000 m自治水下机器人的计算表明，通过这种方法获得的水动力系数具有较高的精度，可以满足水下机器人方案设计阶段的操纵性设计、运动预报和仿真等需求．     

宽频鱼雷自导目标回波模拟仿真

目标模拟器是鱼雷自导系统设计的重要仪器。该文的目的是给出宽频水下目标回波信号模拟的软件仿真流程，为实际应用中目标模拟器的硬件实现提供一个较完整的软件基础。文章以宽带信号处理的理论为基础，对自导系统中常用到的各种信号和目标回波的模拟（包括目标距离、方位和速度的模拟）方法做了细致的讨论，给出了多普勒频移、时延、环境噪声和海洋混响的模拟方法和Matlab仿真结果。其中，在模拟海洋混响时采用了性能较好的椭圆滤波器。文章最后还给出了对多目标和动目标的Matlab仿真结果。结果表明实际中用硬件来模拟宽带水下鱼雷自导目标回波信号是可行的。     

浅水动边界问题的位移法模拟

为精确模拟浅水波非线性演化过程中的动边界,提出一种基于位移的Hamilton变分原理,并进而导出一种基于位移的浅水方程（Shallow Water Equation based on Displacement,SWE D）.SWE D以位移为基本未知量,可以精确满足动边界处的零水深要求并精确捕捉动态边界位置,且解具有协调性.在Hamilton变分原理的框架下,分别采用有限元和保辛积分算法对该浅水方程进行空间离散和时间积分,可有效地处理不平水底情况,保证对非线性演化进行长时间仿真的精度.数值算例表明该方法适用于浅水动边界问题的数值模拟.     

大时间步长下体积守恒的实时水体模拟

摘 要：基于物理的流体仿真可以真实地捕捉水的运动,一种常用的实时模拟方法是基于 二维浅水方程进行水体仿真。首先介绍了二维浅水方程,并提出一种新的求解方法,通过一种 体积守恒的隐式半拉格朗日方法进行计算,在保持稳定的同时允许较大的时间步长,然后额外 增加修正步以保证计算过程中体积守恒。此外提出了一种基于动量守恒的流固耦合方法,可以 实时地模拟出较为真实的水体,并且保证了水体体积始终守恒,效果良好。     

水下多目标信号源的研制

针对水下多目标定位及跟踪技术的要求，设计并研制了一种用于水池试验、能够同时模拟输出多个水下目标反射回波或目标多亮点回波的多目标信号源；解决了信号源多通道独立、联合信号输出问题，实现了长数据的不间断输出和并通道输出波形、通道参数的实时可控；试验表明该信号源可同步模拟4个动态目标的方位、速度、距离等回波信息或目标亮点。实时性好，使用方便，且具有一定的通用性。     

基于DSP的水下制导武器检测平台设计

根据水下制导武器工作原理和水声学原理研制了一种水下制导武器检测平台,它模拟制导武器基阵接收信号,用以检测制导武器对目标的检测和估计性能;该系统使用ADSP21160构成阵列处理器系统,采用全数字方式产生噪声、目标回波和混响,既可以在主控机控制下工作,也可在制导武器控制下工作;实验证明,该平台方案可行,设计正确,并且使用灵活,方便,可作为一种通用的水下制导武器检测设备.     

A fixed-grid model for simulation of a moving body in free surface flows

A two-dimensional computer model is developed to simulate free surface flow interaction with a moving body. The model is based on the cut-cell technique in a fixed-grid system. In this model, a body is approximated by the partial cell treatment (PCT), in which an irregular body is represented by the volumetric fraction of solid in Cartesian cells. The body motion is tracked by Lagrangian method whereas the fluid motion around the body is solved by Eulerian method. The concept of “locally relative stationary (LRS)” is introduced in this study. In the LRS method, a source term is added locally to the conventional continuity equation on body surfaces to take account of body motions, which subsequently affects the computational results of fluid pressure and flow velocity around the body. The LRS method is incorporated into an earlier Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations model developed by Lin and Liu [A numerical study of breaking waves in the surf zone. J Fluid Mech 1998;359:239-64]. The new model is capable of simulating generic turbulent free surface flows and their interaction with a moving body or multiple moving bodies. A series of numerical experiments have been conducted to verify the accuracy of the model for simulation of moving body interaction with a free surface flow. These tests include the generation of a solitary wave with the prescribed wave paddle movements, water exit and water impact and entry of a horizontal circular cylinder, fluid sloshing in a horizontally excited tank, and the acceleration/deceleration of an elliptical cylinder near a water surface. Excellent agreements are obtained when numerical results are compared to available analytical, experimental, and other numerical results. The model is a simple-to-implement computational tool for simulating a moving body in turbulent free surface flows.     

一种基于多普勒效应的水下无线传感器网络时间同步机制

时间同步是无线传感器网络的基础问题。电磁波在水下环境的传输衰损极大,为此水下无线传感器网络通常采用超声波实现信息传输。由于超声波较低的传输速率和传感器节点在水中的运动,必将导致严重的信号传输延迟。构建了一种基于多普勒效应的水下无线传感器网络时间同步机制,通过检测接收到的超声波频率变化来实现时间同步校正。基于MATLAB实现了该同步算法的仿真。实验结果显示,传感器的采样时间间隔越短,移动速度越快,在水中所处的深度越小,整个系统的同步性越高。     

声诱饵回波模拟器仿真研究

随着水声技术的发展，水下武器对抗也日趋复杂。能够模拟目标回波的主动式声诱饵的出现，为对抗主动自导鱼雷及主动声纳提供了非常重要的帮助。着重对声诱饵的回波模拟器的作用机理进行了分析，然后给出了脉冲宽度、多普勒频移、时延与展宽、目标强度：最大回波强度等回波特征参数的估计方法，并对可以同时对抗声自导鱼雷和主动声纳的某声诱饵回波模拟器进行了仿真研究，并给出了仿真结果，对水声对抗技术研究有着重要的参考价值。     

Adaptive quadtree simulation of shallow flows with wet-dry fronts over complex topography

Many natural terrains have complicated surface topography. The simulation of steep-fronted flows that occur after heavy rainfall flash floods or as inundation from dyke breaches is usually based on the non-linear shallow water equations in hyperbolic conservation form. Particular challenges to numerical modellers are posed by the need to balance correctly the flux gradient and source terms in Godunov-type finite volume shock-capturing schemes and by the moving wet-dry boundary as the flood rises or falls. This paper presents a Godunov-type shallow flow solver on adaptive quadtree grids aimed at simulating flood flows as they travel over natural terrain. By choosing the stage and discharge as dependent variables in the hyperbolic non-linear shallow water equations, a new deviatoric formulation is derived that mathematically balances the flux gradient and source terms in cases where there are wet-dry fronts. The new formulation is more general in application than previous a priori approaches. Three benchmark tests are used to validate the solver, and include steady flow over a submerged hump, flow disturbances propagating over an elliptical-shaped hump, and free surface sloshing motions in a vessel with a parabolic bed. The model is also used to simulate the propagation of a flood due to a dam break over an initially dry floodplain containing three humps.     

机载激光水下目标探测中GPS的应用

在机载激光对水下目标探测技术中,如何快速有效的搜索目标并得到目标的精确位置信息是其中的重要内容,为此,研究提出了将全球卫星定位系统（GPS）应用于机载激光水下目标探测的方法,将GPS信号作为探测信号的一个参数,与探测信号同时进行实时的传输与存储。基于此方法可以实现多机协同的高效搜索,并可对每个探测信号实现精确定位,使探测信息在脱线分析中也能得到充分利用。针对上述方法进行了仿真试验,证明了其可行性。