压力容器小径支管角焊缝相控阵检测埋藏缺陷回波特性研究

采用CIVA仿真软件对实际规格的压力容器小径接管角焊缝模型进行了仿真分析,研究了球孔、横通孔、未熔合、未焊透和裂纹等典型缺陷的回波响应规律及特征,结果表明,相对于端角结构信号,不同缺陷的回波强度不同,面积型缺陷与声束角度90°时回波强度最大,同一类型缺陷位于不同位置时的回波强度差距明显,最大达到了13 dB。设计加工了典型缺陷的模拟试件,对5种典型缺陷的检测结果开展了试验分析,结果表明,试件中的缺陷均可被有效检测。总结了不同缺陷的回波特性变化规律,可为现场检测中的缺陷定性提供参考和依据。

一种基于相位调制的雷达二次回波抑制方法

二次回波形成的虚假目标影响了雷达对感兴趣目标的探测。采用相位调制的方法首先对雷达发射脉冲信号的相位进行调制,再对回波信号的相位进行校正。由于二次回波调制相位与当前的校正相位存在残差,通过控制该相位残差,使二次回波的能量在多普勒维上均匀分布,从而降低了二次回波被检测概率。该方法同样适用于多次回波,具有一定的工程应用价值。

基于修正电磁散射系数的距离频域脉冲相干法SAR回波仿真

针对传统合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)回波仿真方法无法同时满足仿真精度高、速度快的缺点,设计了一种利用距离历程修正电磁散射系数的距离频域脉冲相干法(Range Frequency Domain Pulse Coherence,RFPC)目标回波仿真方案。该方案在离散方位采样点处采用物理光学法计算关于目标电磁散射特性的二维电磁散射系数,利用天线相位中心与目标间的距离历程修正电磁散射系数的相位,根据脉冲信号3 dB波束宽度修正电磁散射系数的幅度,利用RFPC在距离频域进行目标电磁散射系数与SAR发射信号的乘积处理,获取目标的二维回波信号,采用RD成像算法进行成像处理得到目标的SAR仿真图像。利用该方案分别对金属球和舰船模型进行了回波仿真试验,并与RaySAR的仿真结果进行对比,验证了该方案的精确性与高效性。

基于相位变化率的体目标与点源合成目标回波分辨

针对水下体目标与多点源合成回波信号的分辨问题,本文基于体目标与多点源合成回波信号的形成机理差异,表征分析了影响水下目标回波相位形成的关键因素及水下体目标与多点源合成回波相位形成的差异性,基于2类回波信号相位变化率的特征差异,提出并建立了基于相位变化率的体目标回波与多点源合成回波的分辨方法。通过Benchmark基准潜艇缩比模型和多点源合成目标模型的特性仿真和湖上对比测试对2类回波信号的分辨方法进行了验证,仿真和测试数据分析结果表明:通过对比同方位角度范围内的回波相位变化率,可以对体目标回波与多点源合成回波进行分辨,验证了基于相位变化率的水下体目标与多点源合成回波分辨方法的可行性。

面向艇载气象雷达的稀疏相控阵优化设计

台风是一种持续性的热带气旋,常带来狂风、暴雨等灾害天气。平均每年约有七次台风登陆我国,对我国人口密集的东南沿海和部分内陆地区带来严重影响。气象雷达具有对台风等灾害天气的探测和预警能力,但现有的气象雷达多为地基相控阵雷达,距离远且分辨率低,对台风内部结构观测不清,导致在台风强度和路径的预测上存在着较大的不确定性。为降低台风灾害带来的损失,北京航空航天大学承担的国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(简称“大仪器”项目)提出由临近空间飞艇搭载气象雷达对台风进行追踪抵近探测,提供台风内部结构长时、精细的观测数据。不同于地基雷达,临近空间飞艇独特的平台限制约束了气象雷达的重量、功耗、尺寸等成本参数,而实现台风探测的高性能亟须大孔径阵列。因此,艇载台风探测雷达的技术难点在于:如何用最低的成本实现最高的性能。在“大仪器”项目的资助下,本文提出一种稀疏相控阵气象雷达,可以在降低系统成本的同时实现高分辨率探测。本文的主要贡献总结如下:首先,对单天线气象回波的时间序列进行模拟仿真,扩展至多天线相控阵气象雷达的回波数据模拟,并通过多普勒分析验证其准确性;然后,考虑稀疏化均匀间隔的相控阵列,通过减少阵元数降低硬件成本的同时,保持高分辨率的波束扫描与接收;最后,联合优化阵列构型和权重系数,权重系数满足恒模约束以最大化雷达发射功效,从而进一步压低副瓣电平来改善气象雷达的抗干扰性能。仿真和实验结果表明,相控阵雷达能够实现准确高效的气象探测,稀疏阵的引入使系统在维持高分辨率的同时降低了硬件成本。具体地,在相同阵元数的条件下,稀疏阵在对气象回波反射率、多普勒频率及谱宽的估计上,都展现明显优于均匀阵的效果。

声共振风传感器用全相位风速风向解算方法

提出了一种超声波共振式全相位风速风向解算方法,搭建以间距L呈等边三角形分布的3个超声波换能器A、B、C,测量了超声波换能器A、B、C回波初相,根据得到的回波初相解算出从顶点无角度直接吹风和从顶点有角度吹风情况下的风速与风向数据。结果表明,该文建立的全相位风速风向解算方法连续无奇点,与其他方法相比,在输入量相同的情况下风速波动较小,风向解算较准确。

油气水三相流相含率超声测试模型优化

油气水多相流广泛存在于油气工业过程。针对现有油气水多相流相含率模型对超声换能器测量信息利用有限这一问题,提出了一种水基分散分层流相含率超声测试模型的优化方法。利用最大粒径模型,研究了水基分散分层流中分散相粒径变化规律,确定粒径-波长比的范围处于中波长区。根据超声脉冲回波法,采用“一发三收”超声换能器测试系统,提出了水基分散分层流中超声扩散衰减的测试方法。在此基础上,结合Faran弹性散射理论,建立了油水分散流含油率超声测试模型。利用换能器渡越时间测量信息,提出了声程波动修正参数,改进了油水分散流中混合声速测试模型,并进一步优化了含气率测试模型。仿真结果表明,水基分散分层流含气率预测平均相对误差和均方根误差分别为0.43%和0.23%,含油率预测平均相对误差和均方根误差分别为3.30%和0.28%,验证了所提出的基于混合声速的相含率测试优化模型的有效性和准确性,为油气水多相流超声测试方法提供理论依据。

线性调频信号在国产多波束测深仪中的应用

为提高小目标识别性能,多波束测深仪通常使用短连续脉宽信号(Continuous Wave,CW)进行探测。然而,短脉宽信号携带能量有限,测深最大距离及扫测宽度得不到保证。发射长脉宽线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号,结合脉冲压缩技术可解决这一矛盾。本文主要介绍LFM信号在国产iBeam8120浅水多波束测深仪中的工程应用情况,重点阐述接收回波信号处理方法,实测数据脉冲压缩效果,并分析了相位差精度影响因素。外场试验数据表明:经脉压处理后,声呐图回波能量更为集中,底检测性能得到改善。

基于概率约束的超声相控阵输煤机工伤缺陷检测

输煤机常处于复杂且恶劣的运行环境中,对其外部探伤过程中,存在信息缺失和遮挡干扰,当前以固定阈值为基础的探查方法容易忽略出现各类工伤缺陷的概率波动,单一阈值很难描述这种概率波动,导致检测效果差。针对上述问题,该文提出超声相控阵技术下输煤机工伤缺陷检测方法。分析输煤机工伤缺陷事件类型,计算设备工伤缺陷事件发生概率。以缺陷概率为约束条件,基于超声相控阵列的几何参数,计算平面和凸面超声相控阵聚焦声压,确定回波信号的数据深度。遍历发射阵元和发射通道,通过比较设定阈值的幅度、信号峰值、谷值,判断输煤机是否发生工伤缺陷,实现工伤缺陷检测。实验结果表明,所提方法能够准确检测到输煤机中的所有工伤缺陷。

利用后向散射回波相对相位计算角闪烁的条件

在测量点散射单元为球体的两点目标的后向散射时发现，它的后向角闪烁可以通过直接求后向散射回波相对相位测量数据关于入射角的导数而得到，为了揭示这一实验现象所隐含的内在规律，本文提出了一个具有典型意义的各矢量Ｎ点目标模型用来进行相关的研究。理论结果表明，在一定的条件下，角闪烁的后向值与后向散射回波相对相位对入射角的导数之间存在等效性。本文的研究不仅澄清了某种对角闪烁概念的误解，而且也为在没有双站测试能力的情况下仅利用后向散射测量获取角闪烁提供了理论依据。

一次雷暴前后大气折射率的多普勒天气雷达测量试验及结果

由温度、气压和水汽压决定的大气折射率会影响天气雷达电磁波的传播路径和目标回波的相位。因此,通过测量目标回波相位的变化能够算出大气折射率的变化,进而得到水汽信息,为研究局地对流天气和水汽平流提供资料。本文阐述了多普勒天气雷达反演大气折射率的原理和方法,并利用江苏省气象台的S波段多普勒天气雷达反演了一次雷暴过程前后的大气折射率,表明了雷达探测大气折射率的可靠性。这项工作有望为研究水汽变化和天气过程提供高分辨率的遥感资料,也可以为数值模式提供水汽场辅助数据,有良好的应用前景。

再论扩展目标的角闪烁

解释了角闪烁的两种物理概念及其计算方法;从数学上证明了远区角闪烁线偏差与雷达距离无关;以两个任意取向的电偶极子组成的典型目标为例,推导了考虑目标回波极化和接收天线极化时的角闪烁理论计算公式。理论分析和数值计算表明,在几何光学条件近似下,对线极化接收,相位梯度法与坡印亭矢量法完全等效。

电离层虚高的高精度测量与分析

为了提高电离层虚高测量精度,介绍了利用电离层回波相位实现高精度虚高测量的方法,并以CADI (Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪为研究平台,进行组合脉冲控制和回波相位测量分析,开展了一系列虚高测量实验,并与传统的利用回波时间延迟的虚高测量方法进行了分析比较．实验结果表明,基于回波相位的测量分析方法与回波时延测量分析方法相比,其虚高测量精度高一个量级以上,这对精确反演电离层峰下电子浓度剖面及研究电离层精细结构具有重要意义．

速度与PRF失配对MPCSAR成像的影响及补偿方法研究

简述了多相位中心合成孔径雷达(MPCSAR)原理及其空时不等效的研究现状,对平台速度与脉冲重复频率(PRF)失配引起的成对回波虚像进行了深入研究,从数学上严格推导了成对回波的位置,分析了两种虚像(欠采样虚像及失配虚像)的形成机理.论文还提出了在频域进行相位补偿以消除这种成对回波虚像的简单方法.给出的仿真实例验证了本文的结果.

基于回波相位的电离层虚高的实时获取与分析

指出了通过测量电离层反射回波的相位随频率的变化可以提高电离层虚高测量精度,分析了利用电离层回波相位进行虚高测量的基本原理以及利用电离层垂直探测中组合脉冲回波进行相位测量的实现方法,对电离层虚高进行了一系列测量实验.实验结果表明:基于回波相位的电离层虚高测量方法与回波时延测量方法相比,其虚高测量精度高10倍以上,这对精确反演电离层电子浓度剖面及电离层扰动精细结构研究有重要意义.

箔条云雷达回波的仿真研究

通过建立箔条干扰下的雷达回波模型,根据回波产生的机理,模拟出回波的幅度服从瑞利分布,相位服从均匀分布。根据统计学原理,推导出箔条云雷达回波的功率谱密度,服从高斯分布。结果与实际相符,说明了该仿真方法的正确性。通过仿真比较和分析了当箔条云中含有静态或动态目标时的雷达回波、幅度分布和相位分布。对箔条干扰研究具有重要意义。

基于衍射波的孔类缺陷超声相控阵定量方法研究

针对常规超声检测方法对小孔型缺陷难以准确定量的问题,利用超声相控阵的声束偏转聚焦和成像技术,基于固体中横孔对声波的衍射特性,提出采用一次反射回波和衍射回波来确定孔类缺陷的直径尺寸。首先,利用动态光弹系统对声波入射横孔的传播规律进行研究,分辨出一次反射回波与衍射回波。其次,采用超声相控阵系统对不同深度下孔径分别为φ1 mm、φ2 mm、φ3 mm、φ4 mm以及同一深度下孔径差值为0.2 mm的等差横孔进行定量实验。研究结果表明利用本文提出的定量方法能快速有效的确定孔型缺陷直径尺寸,对相控阵的定量问题研究具有一定的参考价值。

多发多收星载SAR回波处理方法研究

随着对高分辨率和宽测绘带的要求,多发多收合成孔径雷达成为了一个重点的研究领域,其中多孔径同载频,发射正交编码信号是较有可能工程实现的方式之一。该文在详细研究和推导了回波阵列的排列方式和多发多收回波信号相位补偿原理的前提下,提出了4种可能的回波处理方式,给出了这四种处理方式的信号矩阵表达式,并利用具有正交性的混沌编码信号对各种处理方法进行了仿真和数据分析,证明了这些方法的有效性。

Duffing混沌振子用于微弱信号检测的研究

针对频率已知的微弱正弦信号幅度和相位检测问题,提出了一种采用Duffing混沌振子作为检测系统的方法。该方法将被测信号作为系统的参数,利用系统参数在临界值附近微小的变化会改变系统输出状态的特性,通过识别系统输出的相轨迹判断输出状态是否改变,根据状态改变所需满足的条件估计信号的参数。给出了实现该方法的主要步骤,并将其运用于高频地波雷达海洋回波信号的检测,与FFT方法所得结果相比,回波多普勒谱的信噪比可提高5 dB,表明了该方法具有更好的检测性能。

超声相控阵回波信号相位偏差的研究

在相控阵超声检测技术中,系统检测分辨率是系统性能的重要指标。影响该指标的因素是相控精度,即超声发射相控偏转聚焦与接收相控偏转聚焦的精度。但是在声束相控发射与接收的过程当中,检测材料以及检测系统等方面存在的扰动因素引起了超声检测信号的相位偏差。通过对造成检测信号产生相位偏差原因的具体分析,给出了偏差信号的模型,同时仿真研究了相位偏差对检测效果造成的影响。结果证明由于检测信号相位偏差的存在,系统的信噪比大大降低,系统性能下降。