基于时延冗余测量的阵形校准

海底柔性水平阵的阵形校准,可以利用两个校准声源测量阵元间的声传播时延差来求解得到。传统算法只利用了相邻阵元信号测量的时延差,但误差会随噪声增大而出现累积。在信噪比降低时,所提方法通过冗余时延测量有效地减少了误差累积,从而提高了阵形校准的精度与稳定性。数值仿真与实验结果都验证了该方法的有效性。     

基于平面传声器阵列的声源定位系统

对阵列的特性进行了研究,并提出了一种优化的64阵元平面螺旋阵列。这种64阵元平面螺旋阵列的阵元分布在以阵列中心为轴心的8条螺旋上,并且具有较窄的主瓣宽度和较低的旁瓣级。基于这种优化的阵型,研制了一种声源定位系统。研究分析了该阵列的探测性能,并通过实验数据对该声源定位系统的性能指标作了验证和评估。利用波束形成算法进行声源定位,通过仿真和实验分析,证明了这种阵型优化的阵列在声源定位应用中的有效性。     

柱面波分解测量反射系数的一些分析

论述了对于用声全息反演法测量水声材料任意入射角的反射系数,用柱面波分解比平面波分解优越的理由,平面波分解计算采用快速傅立叶变换受到波数域的分辨率及声波波长的限制,不能测量到任意入射角的反射系数;而柱面波分解理论则无上述限制,能测量任意入射角的反射系数,柱面波分解法利用了声源及测试材料声反射面的轴对称性,只需测量半径方向上的复声压数据,极大地减少了工作量。随后以水中8毫米厚的铝板为例,通过数值模拟,分析了测量过程中各种因素对测量精度的影响,这些因素包括测量半径、阵元及阵位置误差、阵元间隔、测量面高度的定位误差等,指出了实际测量过程中对这些因素均有很高的要求,低频条件下声源若不满足指向性很高的要求,测量大入射角的反射系数仍然存在困难。     

三元次声阵定位火箭发射的方法

近些年来,基于广义互相关时延估计、单阵定向多阵定位的次声定位技术得到了广泛研究,针对时间差的获取提出了大量改进方法,这些定位方法主要是针对远程次声源的定位。然而,对于持续时间长达3～4 min且处于运动状态的次声事件的定位研究较少。提出了一种基于短时能量突变的方法进行时延估计,并结合实际站台的分布情况采用三站定位方法对火箭发射事件进行定位。结果表明：单个三元次声阵定向误差在2°以内,距离误差约为3.17%（实际的距离为52.74 km,定位误差为1.67 km）,定位精度较高,说明提出的时延估计定位方法是可行的。     

四元十字麦克风阵声源定位算法研究

为对声源进行精确定位,该文设计一种基于广义互相关法时延估计的四元十字麦克风阵的声源定位算法。推导目标声源的方位角、俯仰角以及距离的计算公式,搭建实验和仿真平台,将该算法运用于平面声源定位中进行验证。采用LabVIEW软件进行算法的三维空间仿真实验,通过对各麦克风采集信号进行相关分析和处理,实现声源的定位,测试该系统在实际应用中的性能。二维平面定位实验结果声源距离的误差范围在0.01～0.02 m之间,距离偏差百分比误差范围在5.5%之内,仿真结果坐标与实际声源坐标的结果误差范围在10%～15%,该系统的坐标偏差误差在7%之内,距离偏差百分比误差范围在4%之内。搭建实验平台进行三维空间定位测试,实验结论表明,距离偏差百分比低于9%,表明该系统对声源定位速度较快,误差在合理范围内,精度理想,能够比较准确地对声源进行定位。     

星形立体传声器阵列设计与应用

研究了星形立体传声器阵列。利用粒子群优化算法对每条直线上的阵元进行优化排布,获得了具有较好指向性和较低旁瓣级的阵列阵型。基于优化得到的阵列阵型进行了星形立体传声器阵列的机械结构设计,设计的阵列主体能实现自如地折叠,便于包装和运输。研制了基于这种阵列阵型的声成像定位系统,通过数据仿真分析体现出优化设计阵型的优越性,同时通过实验验证了研制的声成像系统在声源定位中的有效性。     

基于四元十字阵的低频换能器指向性检测方法

针对大型低频换能器指向性难以测量的问题,提出了一种基于四元十字阵的测量方法以获取大型低频换能器的指向性。利用到达四元十字阵阵元的时延差信息,结合双曲面交汇法对换能器进行定位,并根据四元十字阵阵元测得的声信号实现大型低频换能器指向性的测量;对定位算法进行理论仿真,设计并进行了湖上试验以测量模拟声源的指向性;对湖上试验测量数据进行计算分析,并与模拟声源在消声水池中的测量结果进行比较,两者-3 dB波束开角的测量结果相差在10%以内。此方法可以用于低频换能器指向性的测量。     

基于小波包分解的多尺度互相关管道定位方法

针对直接互相关时延估计法定位管道故障点存在定位精度差的问题,提出了基于小波包分解的多尺度互相关时延估计方法用于管道故障点定位.首先对2路光电检测器采集到的管道沿线振动信号进行小波包分解和重构得到不同尺度数据,然后对2路信号的同一尺度数据做互相关运算,利用互相关时差定位和加权平均原理计算故障点位置,抑制了噪声引起的时延估计误差.现场实验数据表明,本文方法平均定位误差小于150 m,相对误差小于0.4%,最大定位误差不超过±400 m,定位均方差小于0.05,相对于传统直接互相关时延估计法,此方法可进一步降低时延估计的平均误差和均方差,显著提高定位精度和一致性.     

被动声定位算法及误差分析

本文主要以任意四元非平面阵为基础建立了六几阵的被动定位阵型,研究和分析了六兀阵的空间定向性能,并详细分析了由六元阵的阵形误差所引起的定位误差,针对这种阵列的误差进行分析与仿真,最后,从仿真结果来分析该模型的定位性能。     

基于端点检测的精确时延提取方法及其定位精度分析

针对脉冲声源定位中时延误差大的问题,提出了一种基于端点检测的精确时延提取方法。该方法首先对信号进行滤波处理和端点检测,截取有效信号段运用广义互相关法估计时延,然后利用端点检测得到的信息提取出精确的时延值,最后用单纯形替换法求解声源位置。根据精确时延提取方法,设计了声源定位方案。实验证明,该方法能有效减弱非高斯白噪声和室内混响的影响,定位精度可达到分米甚至厘米级,并且具有较好的鲁棒性。     

基于时延估计的海底线阵阵形估计方法研究

阵形估计是水听器阵列应用中的关键问题,基于时延估计的阵形估计方法比基于传感器测量和基于匹配场处理的方法具有更强的适应性和较高的精度。针对浅海水听器阵列中水平长线阵存在的纵向相关振荡现象引起的不能简单以某一阵元为基准求相对时延的问题,充分利用了阵元信号的高相关性,提出了基于子阵时延的阵形估计方法,针对子阵间时延估计误差向阵端累积的问题,该方法以时延估计的克拉美罗界为依据提出了合理的子阵方式,在一定程度上减小了误差传递。对已有海试数据阵形估计处理的结果表明,相对于单源固定间距方法和未分子阵的双源时延估计方法,基于子阵时延的阵形估计方法满足阵元间距的约束,有较好的空间谱特性,减小了阵形估计误差,对长水听器阵列的应用及阵形估计具有较大应用价值。     

次声监测系统设计和次声传感器相位校准技术研究

研究建立了次声监测节点和不同孔径的次声监测阵列,设计了消除风噪的花瓣式空间滤波器并实验验证了其降噪效果,建立了基于互联网数据库管理的次声实时监测系统,提出了基于改进STA/LTA算法的前兆次声信号提取方法和基于能量曲线与皮尔逊相关系数的前兆次声事件确认方法,使用改进的加权时延最小方差法对监测到的次声信号进行了声源定位,验证了定位的准确性;研究了次声传感器的相位校准技术,建立了试验样机,比较了试验结果和理论结果偏差,验证了次声相位校准的可行性。     

基于梅花阵列的复合材料全方位冲击定位方法

针对一维线性传感器阵列的盲区问题,研究了基于梅花阵列的二维多重信号分类(2D-MUSIC)冲击定位方法。梅花阵列的布置方式是在圆心处布置1个PZT传感器,另外在半径为 R 的圆周上均匀布置 M 个PZT传感器,首先联合冲击信号传播到参考阵元PZT0和第1个接收阵元PZT1的时间信息估计冲击信号的Lamb波传播波速;然后利用近场2D-MUSIC算法实现冲击源的距离和角度的同时定位;最后,在玻璃纤维复合材料层合板中进行了冲击定位方法的验证。实验结果表明: 基于梅花阵列的方法能够对0°~360°的冲击源进行精确地定位,定位结果精度较高,其中最大距离误差为2.2 cm,最大角度误差为5°。     

北京地区山背波监测与特征分析

利用北京西北地区布置的小孔径大气次声传感器网络,利用有效来波判断方法搜寻有效来波,并使用最小方差空间搜索方法定位波源,分析经常发生并对正常观测造成干扰的一种次声波—山背波信号的特征规律:幅度、频谱、波源位置、波速、来波方向及发生时间统计规律。对2013年4~5月的次声波记录数据进行分析,结果显示:低于0.02 Hz频段,各传感器经常性接收到来自于西北山区方位的次声波,幅度一般在10~20 Pa,中心频率处于0.002~0.005 Hz,最小方差法定位结果显示信号源大多自北京西山的面向阵列的一侧,方位角统计结果显示大多数在260°~360°、0°~40°,且传播速度为10~50 m/s,该波的发生与当地的风速风向具有相关性。     

层状弹性场地基岩斜入射地震动二维反演

提出了层状弹性场地基岩斜入射地震动二维反演的一个方法,方法利用土层和半空间的精确动力刚度矩阵,根据地表某一点的水平和竖向两个地震加速度记录,进行基岩地震加速度时程和入射角的反演,并以SV波二维斜入射为例对方法进行了验证。研究表明,根据水平和竖向两个地震加速度记录可以进行基岩地震加速度时程和入射角的准确反演。同时,对文献中仅根据地表水平加速度记录进行基岩面水平地震动的一维反演方法进行了误差分析,研究表明,一维反演因忽略了波型转换,在模型上存在一定的误差,且误差随着实际地震动斜入射角的增大而显著增大。     

基于多重信号分类算法的复合材料冲击定位

为了提高复合材料结构冲击定位的精度和实时性, 将阵列信号处理技术引入到结构健康监测领域, 提出了利用小波变换和多重信号分类算法实现复合材料结构冲击定位的新方法: 通过小波变换提取冲击响应信号某一窄带频率成分, 运用多重信号分类(MUSIC) 算法实现冲击源到达方向的估计; 根据Lamb 波传播特性, 用小波变换求出某一中心频率下的对称模式和反对称模式的Lamb 波到达同一传感器的时间差, 结合对称模式和反对称模式Lamb 的速度差就可以估计出冲击源到达传感器的距离, 实现冲击定位。对玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板和碳纤维/双马树脂基复合材料层合板2 种试件的实验均表明该方法能快速、精确地识别出冲击源位置。      

Effects of Broadband Laser Generated Ultrasound on Array Gain

Array gain is a common parameter used in laser phased array research. This paper will present a new parameter called the frequency modulation of laser phased array (FMLPA). The array gain model for laser phased arrays was derived using an assumption that ultrasound from each array member interferes with each other. This would be always true if laser generated ultrasound is narrow band. However, laser generation of ultrasound is broad band. Broad band ultrasound signals have short duration in the time domain. If the time delay between generated wave fronts from each array member is longer than the duration of the broad band ultrasound signal from each array member, the ultrasound signals from each array member will not interfere with each other. The time delay between generated wave fronts from each array member is 0 s at a laser phased array’s beam steering angle and increases away from the beam steering angle. Therefore, ultrasound from each array member always interfere at angles close to the beam steering angle. However, ultrasound from each array member may not interfere at angles away from the beam steering angle depending on the time delay between generated wave fronts and duration of the broad band ultrasound signal. A theoretical model of the FMLPA was developed and experimentally verified for use when ultrasound from each array member does not interfere with each other. It was experimentally verified that current array gain equations still apply when ultrasound from array members interfere with each other. The FMLPA can be used to create new techniques for measuring weld penetration depth, crack location, and dimensions of objects.     

Geometrical-optics approximation of forward scattering by gradient-index spheres

By means of geometrical optics we present an approximation method for acceleration of the computation of the scattering intensity distribution within a forward angular range (0-60 degrees ) for gradient-index spheres illuminated by a plane wave. The incident angle of reflected light is determined by the scattering angle, thus improving the approximation accuracy. The scattering angle and the optical path length are numerically integrated by a general-purpose integrator. With some special index models, the scattering angle and the optical path length can be expressed by a unique function and the calculation is faster. This method is proved effective for transparent particles with size parameters greater than 50. It fails to give good approximation results at scattering angles whose refractive rays are in the backward direction. For different index models, the geometrical-optics approximation is effective only for forward angles, typically those less than 60 degrees or when the refractive-index difference of a particle is less than a certain value.