迈克尔逊干涉型光纤水听器研究与实现

设计了对偏振衰落不敏感的迈克尔逊干涉型光纤水听器,系统通过使用直接调制光源的相位载波零差检测方式实现了光纤水听器相位载波(PGC)解调,并给出了实验测试结果。由2个水听器组成水听器阵进行了水池实验,结果显示:该干涉型光纤水听器有明显的指向性,具有一定的潜在实际应用前景。     

矢量阵一种简单的相位误差校正方法

分析了矢量水听器阵的阵列流型和误差模型,针对矢量水听器阵列声压和振速通道存在相位误差问题,应用常规波束形成方法和MUSIC方法进行方位估计误差大。并对通道存在估计性能下降的问题,提出了一种简单的相位误差校正方法。利用阵列流型向量在信号子空间的投影,得出存在相位误差的阵列流型向量就是信号子空间的特征值为＂一＂的特征向量,通过与精确的阵列流型向量比较求出矢量阵的相位误差。最后,修正矢量阵的相位误差,得到准确的方位估计能力。通过计算机仿真,验证了算法的可行性和准确性。     

基于近场测试的自参考算法

对于集成度高的天线,必须采用一定的算法才能实现对各个通道的幅度和相位信息准确有效的检测,而现有常见的算法(包括近场校准、FFT算法等)都需要获得相位信息,因此需要天线对测试提供参考通道。这与天线高集成度相悖,也对天线的设计,特别是共形天线的设计提出了更高要求。为解决传统算法依赖参考通道提供参考相位的问题,并针对高集成度天线常用的近场扫描测试系统,设计了自参考算法的解决方案并进行验证。试验表明,采用自参考测试算法进行近场测试的测试结果与传统带独立参考通道的近场测量系统测试结果高度吻合。此外,采用自参考测试算法,不需要单独的参考通道,适用于高集成一体化天线的近场测试,对于已装机的天线现场测试排故具有重要意义。     

基于GA的矢量水听器阵相位误差校正方法

针对矢量水听器阵的阵列流型和误差模型,研究当矢量水听器各通道存在相位误差时,应用music算法进行方位估计和应用遗传算法进行相位误差校正的问题。为校正误差,针对传统遗传算法在对方位和相位误差进行联合估计时可能存在早熟等缺点,提出了一种将自适应和小生境技术混合的遗传算法,用动态的自适应函数值分配传统遗传算法中固定的交叉、变异概率,得到最优解,用小生境技术可以得到全局最优解。最后通过计算机仿真,验证了算法的可行性和准确性。     

组装式石英谐振传感器工作寿命探讨

声管中利用双水听器的方法测量不同材料和结构的声反射系数,在此过程中将产生特殊的非辐射振动干扰,该干扰会影响测量精度。之所以会出现这种现象是因为声源与管壁之间是机械连接,在计算的基础上,估算薄空气层的干扰级和声反射系数。确定每一个频率上的声反射系数实际上是不可能的,这里我们采用两种方法降低干扰：方法一,合理的选取声管的结构单元;方法二,在信号处理的基础上,在声管中设置振动传感器和标准水听器。     

声管中双水听器法估算反射系数产生的几个误差及降低方法

声管中利用双水听器的方法测量不同材料和结构的声反射系数,在此过程中将产生特殊的非辐射振动干扰,该干扰会影响测量精度.之所以会出现这种现象是因为声源与管壁之间是机械连接.在计算的基础上,估算薄空气层的干扰级和声反射系数.确定每一个频率上的声反射系数实际上是不可能的,这里我们采用两种方法降低干扰:方法一,合理的选取声管的结构单元;方法二.在信号处理的基础上,在声管中设置振动传感器和标准水听器.     

新型三维MEMS矢量水听器的设计

根据国内对高灵敏度、低频小体积三维矢量水听器的需求,提出了一种仿鱼侧线纤毛的MEMS三维矢量水听器。该水听器采用多纤毛结构分别用来接收X、Y与Z方向的声信息,采用ANSYS进行仿真,静力分析得出了布放压阻的合理位置,谐响应分析得出该结构的固有频率在1.5 kHz左右;驻波桶校准测试结果表明:该水听器的灵敏度范围在-200 dB到-180 dB左右;在25 Hz～2 000 Hz频段内具有良好的频响特性;指向性分辨率大于等于30 dB,具有良好的"8"字形指向性。     

流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响

由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器具有低频、灵敏度高等性能特点,但是由于流体的影响,水听器微结构在空气中的共振频率与液体中不同,为此研究了流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响。首先,理论上分析了流体对共振频率的影响。然后,采用ANSYS对空气中和液体中MEMS矢量水听器的共振频率进行仿真。最后分别采用振动台和矢量水听器校准系统进行了测试。结果表明MEMS矢量水听器在水中的共振频率较空气中下降了约31.2%。     

矢量水听器阵波束域MUSIC算法研究

矢量水听器可同时拾取声压和振速信息,成阵后水听器间的相移信息量增大。基于矢量水听器阵的波束形成性能明显由于同条件下的声压水听器阵,但其空间分辨力依然受阵列物理空间的限制。已经有人研究了矢量水听器阵的高分辨谱估计方法（MUSIC算法）,但属于对阵元域信号进行的直接处理,运算量较大。提出一种基于矢量水听器阵的波束域MUSIC算法（BMUSIC）。该算法首先将矢量水听器阵元的空间数据转换到波束空间,然后对转换后的数据再运用MUSIC算法。不但实现了降维处理,减小了运算量,而且可进一步抑制扫描扇面外的噪声。对BMUSIC算法进行了仿真并与常规MUSIC算法进行了比较。结果表明,该方法可得到与阵元域MUSIC算法相当的方位分辨力。     

声传感器阵列的实验研究

海洋中对目标的判决主要依靠于水听器阵列对水声信号的检测。为了对比声压阵与矢量阵对信号的检测能力,首先计算机仿真了声压阵和矢量阵的增益及其对目标方位的估计,而后加以实验验证。实验结果表明,矢量阵的增益高于声压阵,且其克服了声压阵左、右舷模糊的问题,能精确的对目标方位进行估计并完成对水下运动目标的航迹跟踪,从而验证了矢量阵的优越性。     

用刚性表面球形传声器阵列重构入射波声场与识别定位声源

刚性表面球形传声器阵列是测量三维声场常用的前端,由于刚性球面对入射波声场有散射影响,直接测量值不是原入射波声场的声压值,因而不能使用在自由声场条件下建立的声场模型和近场声全息方法来重构入射波声场.通过刚性球体表面声波散射的数学模型,建立起入射波声压与发生散射后总声压之间的关系,进而通过刚性表面球形传声器阵列测量声压,计算入射波声场分布,并进行声源识别定位.通过仿真与实验,检验了球面入射波遇到刚性表面球体发生散射后,球体表面处声压分布的变化.由球面近场声全息方法,重构球形阵列表面及外部空间的入射波声场,检验了波数、重构距离参数变化对声场重构精度的影响.结果表明:采用刚性表面球形传声器阵列测得的声场总声压,运用根据声波散射模型建立的球面近场声全息方法,可以以一定的精度重构出入射波声场的三维空间分布.     

基于新型传感器阵列的声全息测试分析方法研究

针对声全息技术在实际工程应用中的扫描相位误差和有限测量孔径的问题,通过改进测试阵列和算法优化两种途径对其进行分析和解决.使用基于数字麦克风的面阵进行快照法测量,代替了传统的扫描测量,规避了扫描引入的相位误差;从理论上分析了有限孔径下近场声全息重构误差产生机理,并提出了"有限孔径空间扩展+波数域迭代滤波"的声全息算法,选用简谐激励作用下四周为无限大障板的简支钢板为对象,与传统声全息算法结果对比,验证了算法的有效性,并分析了全息面数据空间补零长度和迭代循环次数对声场重构的影响;使用转子台作为被测设备,模拟已知故障,通过单参考源下传感器阵列扫描测量结果验证了算法可以准确地定位模拟故障的空间位置.     

超声波液体密度测量的一种声反射系数测定方法

用超声波测液体密度时,测量声反射系数是重点.提出一种将半波层反射模型简化后,利用相对稳态幅度测量声压反射系数的方法.将一个较薄固体作为半波层置于被测液体中,两侧对称地放置超声波换能器,换能器一个工作在脉冲回波模式,另一个工作在接收模式.调整信号频率使半波层和被测液体交界面的多重反射波达到最大程度干涉,此时被测液体与半波层之间的声反射系数只与两个换能器在稳态下的回波信号幅度比值有关.因此测得换能器的稳态回波信号幅度比,即可得到声反射系数.此方法简化了原来的半波层反射模型,采取对称布局,利用相对稳态幅度法,简化了理论推导过程,降低了测量上的精度要求.最后文章通过实验验证了方法的正确性.     

可识别声源深度的三维声聚焦波束形成方法

当前平面传声器阵列结合波束形成方法进行声源识别定位时,存在不能确定声源相对全息测量阵列距离的问题,提出了可识别声源深度的三维声聚焦波束形成方法。基于球面波声场模型和波束形成方法,在不同深度的平面上进行声聚焦,首先根据聚焦面上波束形成功率的最大点位置沿聚焦深度方向（即z方向）的轨迹变化判断声源在z方向的位置,再进一步确定声源在x和y方向的位置。为验证方法的有效性,在点声源构成的声场中进行了仿真验证,并且在全消声室内进行了单声源及多声源识别定位的实验验证。仿真结果和实验结果一致表明：该方法能够实现基于平面阵列的三维空间中声源的识别定位。     

基于联合迭代重建技术的超声CT重建算法

在研究超声CT成像原理的基础上,对阵列检测方法进行了探讨。通过对探头布置方式的改进,增加了成像所需的数据量。基于最小二乘方准则,利用联合迭代重建算法,采用四边扫描算法求解相关系数矩阵,通过不断修正误差逼近真实值,进而实现速度矩阵的求取。数值仿真表明：采用上述方法能够明显减小重建误差,改善层析成像效果。     

四元阵型MEMS矢量水听器微结构设计

针对当前的MEMS矢量水听器存在左右舷模糊问题,提出了一种四元阵型MEMS矢量水听器微结构。首先,从理论上分析了当前的MEMS矢量水听器左右舷模糊问题,从而提出了可消除左右舷模糊的四元阵型MEMS矢量水听器微结构。其次,对四元阵型MEMS矢量水听器微结构进行有限元仿真,声源方向可以通过分析各阵元应力分布情况而唯一确定。最后,通过驻波声场试验验证其可行性,结果表明,该微结构可实现左右舷分辨,有效消除左右舷模糊。     

Phase‐spacing optimization of linear microstrip antenna arrays using simulation‐based surrogate superposition models

A technique for simulation‐driven optimization of the phase excitation tapers and spacings for linear arrays of microstrip patch antennas is presented. Our technique exploits two models of the array under optimization: an analytical model which is based on the array factor, as well as an electromagnetic (EM) simulation‐based surrogate model of the entire array. The former is used to provide initial designs which meet the design requirements imposed on the radiation response. The latter is used for tuning of the array radiation response while controlling the array reflection response as well as for validation of the final design. Furthermore, the simulation‐based surrogate model allows for subsequent evaluation of the array responses in the beam scanning operation at negligible computational costs. The simulation‐based surrogate model is constructed with a superposition of simulated radiation and reflection responses of the array under design with only one radiator active at a time. Low computational cost of the surrogate model is ensured by the EM‐simulation data computed with coarse meshes. Reliability of the model is achieved by means of suitable correction carried out with respect to the high‐fidelity array model. The correction is performed iteratively in the optimization process. Performance, numerical efficiency, and accuracy of the technique is demonstrated with radiation pattern synthesis of linear arrays comprising 32 microstrip patch antennas by phase‐spacing optimization. Properties of the optimal designs in the beam scanning operation are then studied using the superposition models and compared to suitably selected reference designs. The proposed technique is versatile as it also can be applied for simulation‐based optimization of antenna arrays comprising other types of individually fed elements. © 2015 Wiley Periodicals, Inc. Int J RF and Microwave CAE 25:536–547, 2015.     

AgileDARN雷达内定标的方法与实现

AgileDARN雷达系统是一种基于全数字相控阵技术的灵敏型地基相干高频雷达系统,实现对中高纬度电离层的探测。雷达系统的幅度和相位不一致将会导致雷达发射波束和接收波束的波束指向偏移,副瓣电平抬高和天线增益下降,最终影响雷达的探测精度。针对AgileDARN雷达系统幅度和相位不一致性展开研究,提出了一种基于FPGA和C++软硬件相结合的内定标方法。在发射探测信号之前,分别发送接收定标信号和发射定标信号,通过雷达系统的各个接收和发射通道后,计算各个通道之间的幅度和相位差异,用补偿因子来实现对雷达多通道幅度和相位不一致性的校正。实测数据表明:校正后各通道间幅度误差小于0.2 dB,相位误差小于1°。在满足系统一致性要求的前提下,既保证了实时性,又节省了雷达系统成本。     

AgileDARN雷达内定标的方法与实现

AgileDARN雷达系统是一种基于全数字相控阵技术的灵敏型地基相干高频雷达系统，实现对中高纬度电离层的探测。雷达系统的幅度和相位不一致将会导致雷达发射波束和接收波束的波束指向偏移，副瓣电平抬高和天线增益下降，最终影响雷达的探测精度。针对AgileDARN雷达系统幅度和相位不一致性展开研究，提出了一种基于FPGA和C++软硬件相结合的内定标方法。在发射探测信号之前，分别发送接收定标信号和发射定标信号，通过雷达系统的各个接收和发射通道后，计算各个通道之间的幅度和相位差异，用补偿因子来实现对雷达多通道幅度和相位不一致性的校正。实测数据表明:校正后各通道间幅度误差小于0.2 dB，相位误差小于1°。在满足系统一致性要求的前提下，既保证了实时性，又节省了雷达系统成本。     

一种新的复波恢复方法——FastICA

在进行数字全息重构过程中,常用的方法如衍射和滤波方法都会受到零级项和共轭项的影响,造成对复波的振幅和相位信息的损失,无法有效地恢复复波。提出一种基于快速独立分量分析（Fast Independent Component Analysis,FastICA）的方法来进行复波恢复,通过CCD获取同一物体的3幅干涉全息图来构成观测信号,然后用FastICA从被观测信号中分离出只包含复波振幅和相位的信息,从而有效抑制了零级项。实验结果表明,这种方法可以较好地恢复原复波的振幅和相位,在频谱混叠的情况下,能有效恢复原来复波信号。