三维网络拓扑结构的水声传感器网络MAC协议

水声传感器网络Underwater Acoustic Sensor Network(UWASN)由于其广阔的应用前景,近年来逐渐被人们关注。然而由于水下环境的限制性,水声传感器网络具有其一些独特性。例如,与二维的陆地传感器网络不同,水声传感器网络是三维的。如今,现有的介质访问控制Medium Access Control(MAC)协议大多是针对二维无线传感网络,很少有基于三维水声传感器网络的 MAC 协议。针对水下三维网络,提出了基于三维网络拓扑结构的水声传感器网络 MAC 协议。该协议将网络中的节点生成树结构,并利用子节点与父节点之间的关系,通过动态节点算法实现三维动态的水声传感器网络。此外,详细分析了节点间的碰撞并有效解决各种碰撞,从而大大提高了信道利用率。通过仿真软件对比不同协议在同一网络拓扑中的实验结果,证实文中协议能够有效节约大量能源。     

新型体声波传感器读出电路的实验验证

为了实验验证此前通过仿真验证的基于六端口反射计的新型BAW传感器读出电路的方案的可行性,本文制作了新型BAW传感器读出电路并对其进行了测试.以串联谐振频率约为1.5 GHz的薄膜体声波谐振器(FBAR)为待测器件(DUT),设计、制作了一种能够满足该FBAR谐振频率测量带宽(1.3 GHz~1.7 GHz)要求的PCB上微带六端口网络和检波器,配合射频信号发生器和示波器,获得了模拟DUT(50ΩSMA匹配负载)的反射系数-频率(Γ-f)曲线测量结果.与矢量网络分析仪(VNA)的测量结果进行了对比,两者吻合较好,实验验证了"基于六端口反射计的BAW传感器读出电路"可用于FBAR谐振频率的测量.本文工作对实用化BAW传感器的研制和片上矢量网络分析仪(VNA-on-Chip)的设计都有借鉴意义.     

全相位与Geiger算法的岩石声发射源定位方法

Geiger定位算法在岩石定位分析中得到广泛应用,但是对初始值要求非常严格,若初始值选择不当,则很难进入收敛范围。为了提高定位精度,减少迭代次数,针对这些问题,提出全相位与Geiger算法的岩石声发射源定位方法。首先进行花岗岩（50 mm×100 mm×50 mm）断铅实验,接着充分利用全相位FFT相位不变性的优势分析断铅信号,通过相位差法求出时延同时反演声发射源求出Geiger迭代初始值,最后综合最小二乘法与Geiger算法,迭代求出最优解。实验仿真结果显示此算法的平均误差相比美国PCI-2型声发射仪器定位结果降低了约5 mm,有效解决了Geiger初始值选取的问题,能够迅速进入收敛范围,提高了收敛速度和定位精度。     

人机交互中的声源定位与增强方法

基于人机交互的实际应用场景,提出了一种交互目标声源三维定位与语音增强算法。该算法首先在广义相关法的基础上提出一种声达时延差的估计方法,通过由6个麦克风构成的平行均匀线阵接收模型,实现对目标声源的三维定位;然后在交互目标声源定位的基础上,通过调整时延波束叠加的权值,实现对目标语音的增强。仿真实验结果表明,文中提出的算法能够准确定位目标声源并对目标语音进行有效增强。在信噪比大于1.5 dB 的环境中,该算法可使目标声源达到98%以上定位精度,5 dB 以上信噪比改善,同时算法运算量小且易于硬件实现。     

超声声辐射力弹性成像中基于拉东变换的剪切波速度估计方法的改进研究

能够无创定量测量人体组织弹性模量的声辐射力脉冲超声弹性成像方法,已经逐渐成为进行肝硬化分期和乳腺癌良恶性判别等临床诊断的重要工具。但是,在临床实践中也发现,弹性模量测量的稳定性会受到测量深度和组织各向异性等多种因素的影响。因此,如何通过算法的改进提高声辐射力脉冲超声弹性成像测量结果的可靠性,一直是该领域所关注的重要课题之一。文章对现有的基于拉东变换的剪切波速度估计算法进行了多种方式的改进,并利用自主研发的声辐射力定量超声弹性成像系统所采集的超声射频数据,对几种方法得出的剪切波速度测量结果进行了比较。这些改进算法可以被分为两类：(I)在以“时间-侧向位置”为坐标的位移矩阵上进行拉东变换;(II)在以“时间-深度”为坐标的位移矩阵上进拉东变换。第一类算法试图找到在某一个特定深度上剪切波侧向传播的最佳拟合轨迹,而第二类算法则试图直接找到在整个测量深度范围内,剪切波波前通过每个侧向位置的准确时间点。文章在标准弹性仿体和离体猪肉组织样本上进行了测量实验,比较了在不同深度位置上重复测量结果的可靠性,以及这些算法的耗时情况。实验结果将有助于我们找到一种兼顾测量稳定性和计算速度的新型剪切波速度估计算法,并将其应用到声辐射力脉冲超声弹性成像中,提高其测量结果的可靠性和在临床应用中的价值。     

基于含缺陷声子晶体孔板共振模式的可调局域声场设计

可调控的局域声场在开发新型滤波器、传感器和声操控微器件等方面具有潜在应用前景。文章数值模拟研究了一种二维正方排列含缺陷孔声子晶体孔板表面的局域声场。计算结果表明,选择不同的共振频率可以调控含缺陷声子晶体孔板表面的声场形态。这是因为缺陷孔与周期孔的 Fabry-Perot共振频率不一致,导致含缺陷声子晶体孔板表面的耦合场有多种形态。该工作所设计的缺陷态声子晶体孔板,可为声场与微粒的精细相互作用研究提供声学载台。     

再生混凝土材料声学特性参数分析

为在混凝土无损检测中采集到高信噪比的声发射信号,对再生混凝土材料的声学特性参数进行了试验研究。通过模拟加载确定了声发射检测环境的门槛值,采用断芯试验测试了再生混凝土材料的检测时间参数,包括峰值鉴别时间(PDT)、撞击鉴别时间(HDT)和撞击闭锁时间(HLT);同时确定了信号在再生混凝土材料中的传播波速,为再生混凝土材料声发射检测参数的设置提供了一定的试验依据。该声发射检测参数设置具有操作简单易行、实时动态、对原有建筑物损伤小等特点,在混凝土结构声发射检测中具有较好的适用性。     

能量平衡和延迟约束的水声网络路由协议

水声网络路由协议是水声网络研究的一个热点问题。水声网络路由协议面临着节点能量有限、带宽窄、高传播延迟等的限制。本文从能量和延迟角度出发,设计了一种能量平衡和延迟约束的路由协议。该协议通过感知周边节点能量和负载,使得节点在选择转发节点时尽量选择剩余能量高的节点,同时在网络负载较高时能有效避开网络拥塞区域,从而在能量均衡的同时降低数据包的端到端延迟。     

An underwater acoustic MAC protocol using reverse opportunistic packet appending

Underwater communication primarily utilizes propagation of acoustic waves in water. Its unique characteristics, including slow propagation speed and low data rates, pose many challenges to Media Access Control (MAC) protocol design. In most existing handshaking-based underwater MAC protocols, only an initiating sender can transmit data packets to its intended receiver after a channel reservation through a Request-to-Send (RTS)/Clear-to-Send (CTS) handshake. This conventional single-node transmission approach is particularly inefficient in underwater environments, as it does not account for long propagation delays. To improve channel utilization in high latency environments, we propose a novel approach that exploits the idle waiting time during a 2-way handshake to set up concurrent transmissions from multiple nodes. The sender can coordinate multiple first-hop neighbors (appenders) to use the current handshake opportunity to transmit (append) their data packets with partially overlapping transmission times. After the sender finishes transmitting its packets to its own receiver, it starts to receive incoming appended packets that arrive in a collision-free packet train. This not only reduces the amount of time spent on control signaling, but it also greatly improves packet exchange efficiency. Based on this idea, we propose an asynchronous, single-channel handshaking-based MAC protocol based on reverse opportunistic packet appending (ROPA). From extensive simulations (single- and multi-hop networks) and comparisons with several existing MAC protocols, including MACA-U, MACA-UPT, BiC-MAC, Slotted-FAMA, DACAP, unslotted Aloha, we show that ROPA significantly increases channel utilization and offers performance gains in throughput and delay while attaining a stable saturation throughput.     

声发射技术在地压监测中的应用

对某矿的采空区围岩试样进行了单轴压缩声发射实验,得到了岩石破坏时能率、事件率等声发射参数值,根据这些数值对声发射监测系统参数进行了设置;通过对声发射监测系统长期运行结果的统计,总结出了井下多种活动即岩石声发射、打钻、爆破、人工破碎大块矿石、放矿、敲击的波形及各类波形的参数范围;确定了以能率、事件率为特征的采空区失稳判据,为判断地压灾害提供了可靠依据。