斜轴式太赫兹天线的卡焦近场全息测量研究

天线反射面的面形精度直接影响天线效率,是望远镜的关键指标之一.近场射电全息具有测量精度高,便捷高效的优点,是毫米波和亚毫米波射电望远镜面形检测最为常用的方法之一,卡焦近场全息可以完整测量望远镜光路中整体的面形误差.斜轴式机架结构能够更好地适应太赫兹望远镜在极端台址环境下的整体保温和热控需求,但斜轴天线特殊的转动特性会在近场全息测量过程中引入额外的系统误差.针对斜轴式天线的卡焦近场全息测量,分析了数据处理中需要额外考虑的参考路接收机位置和副面衍射的影响,并在1.2 m口径斜轴式太赫兹天线上开展了测量实验.实验结果表明,卡焦近场全息测量的重复测量精度优于2.0μm RMS(Root Mean Square),面形误差分布与摄影测量所得结果一致,验证了误差分析与修正的正确性.

基于矢量阵测量的局部近场全息技术研究

统计最优近场声全息技术是通过全息面上测量声压的线性叠加来反演重建面上的声学量,可以从理论上克服基于傅氏变换的近场声全息技术的局限性。针对水中圆柱体的噪声源识别问题,采用声压和质点振速测量来进行声全息计算,推导了基于振速测量的统计最优柱面近场声全息技术的重建公式。利用所编制的程序进行了仿真验证,最后设计矢量水听器进行水中全息实验,验证了该方法的可行性和准确性,实验结果表明,该技术在水中柱形声源辐射声场的噪声源识别和定位中有着明显的优势。

基于共同稀疏贝叶斯学习的多频等效源近场声全息方法

现有基于压缩感知的等效源近场声全息方法通常采用基于单频处理的单测量向量模型进行声场重建,此模型存在噪声鲁棒性较差以及重建精度不足的问题。实际中噪声源往往具有宽频特征,同一位置处不同频率的等效源源强聚集从而呈现共同稀疏特性,若充分利用源强的共同稀疏特性,可以改善重建性能。因此,提出一种基于共同稀疏贝叶斯学习的多频等效源近场声全息方法。在该方法中,首先采用多频协同处理,构建多频等效源近场声全息模型;然后为等效源源强施加共同稀疏约束,并使用共同稀疏贝叶斯学习方法求解等效源源强。与单频等效源近场声全息方法相比,所提方法可以获得更高的重建精度和更好的噪声鲁棒性。通过单极子声源仿真和小音箱试验验证了所提方法的优越性。

正交球面波源的近场声全息射线波函数波叠加法

在基于传统波叠加法的近场声全息技术中,多采用辐射球面波的单极子作为等效源,易导致传递矩阵病态,利用射线波函数替换球面波函数可有效改善传递矩阵病态性。然而,以往的射线波函数法采用格林函数的方向导数作为波函数,其解析表达式复杂,计算效率低。此外,以往方法的波函数指向设置对节点分布方式要求较高,限制了其应用的灵活性。针对上述问题,采用(n, 0)阶的球面波源重新构造了一系列射线波函数,该射线波函数可利用球Hankel函数和Legendre多项式的递推形式方便地计算出其任意阶的表达式,大幅提高了效率。通过改进射线波函数的主指向设置,使其在实际使用中更加灵活,提出一种基于正交球面波源的射线波函数波叠加法。利用正四面体辐射体、两端带球帽的圆柱辐射体和简支矩形钢板声源3个数值仿真,对比验证了传统方法和所提方法在声场重建中的效果。仿真结果表明:在声场细节信息较为丰富的高频下,即便采用正则化方法求解,传统波叠加法由于传递矩阵病态严重,在3个仿真中均难以保证重建精度,误差为20%左右;而建立的射线波函数法则有效降低了传递矩阵的条件数,改善了系统病态性,获得了更高的重建精度,误差在5%~10%之间,说明了所提方法更具优越性。

基于巴特沃斯滤波器的近场声全息滤波方法

针对近场声全息研究中声场重构时,指数滤波器无法兼顾通带衰减率和高频带衰减率的局限性,采用巴特沃斯滤波器作为滤波函数以消除噪声干扰,对2个同向振动的脉动球源的重构声场进行仿真研究,给出巴特沃斯滤波器随参数变化的特性曲线。基于重构误差最小原则,给出该滤波器的最优参数,并与指数滤波器效果进行对比。结果表明,巴特沃斯滤波器可在声场重构过程中进行有效滤波,且在高频段,巴特沃斯滤波器重建误差明显小于指数滤波器重建误差,滤波效果更好,重建精度更高。

基于矩形单元波函数叠加法的平面近场声全息

波叠加法和等效源法都是平面近场声全息中的常用方法。传统波叠加法需要对所有单元计算数值积分,效率较低;等效源法直接将单元积分简化为单极子点源,计算效率获得提高,但其过度简化导致精度损失。针对以上问题,在基于波叠加法的平面近场声全息基础上,提出一种替代矩形单元积分的波函数叠加法。该方法将矩形单元的积分声场表示成Helmholtz方程球面波谱的波函数形式,并结合球面波谱的性质,将单元的远场球面波谱内推至近场,由此获得了与矩形单元积分声场等价的外部声场显式波函数解析表达式,有效避免了传统波叠加法的数值积分以及传统等效源法的过度简化。利用矩形简支板的近场声全息算例对比了所提方法、传统波叠加法以及传统等效源法的重建效果。结果表明:所提方法在全频段的声场重建精度均高于传统等效源法,在高频段的重建精度高于传统波叠加法,其计算效率显著高于传统波叠加法。

表面等离激元的传播操控：从波束调制到近场全息

表面等离激元是一种存在金属与介质界面的电磁模式,具有亚波长传播和局域场增强的特性,因而受到人们的青睐,作为在微纳尺度下进行光子操纵和集成的优良载体。随着人们对表面等离激元认识的不断深入和对微纳光子器件应用需求的增加,如何在近场范围内精确调控等离激元波的传播并实现特定的场强分布成为人们关注的热点。综述人们通过微纳结构对等离激元波进行操控所发展的新原理和新方法,以及对波束性质和近场分布调控的研究进展;重点介绍包括艾里波束、无衍射准直波束、角向贝塞尔波束在内的各类特殊等离激元波束的基本特性,产生与调控的实现,以及近年来拓展的近场全息技术;并进一步探讨表面等离激元光场调控在新型微纳光子学器件中的可能应用。

基于近场声全息的故障诊断技术研究综述

机械设备的故障检测在设备管理中具有重要意义,及时发现潜在的早期故障隐患能够有效避免重大事故的发生。目前,机械设备的故障检测主要基于振动信号分析,非接触式模态数据的采集与分析方法处于发展阶段。梳理以声场传播为基础的近场声全息技术,分析不同算法的基本原理和特点以及发展现状,并对算法中的优化方法进行探讨。最后,展望了近场声全息技术的发展方向。

电子束光刻-近场全息法制作平焦场光栅的误差分析及补偿方法

在激光等离子体诊断等领域中,以平焦场光栅为核心器件的软X射线光谱仪发挥着重要作用。利用电子束光刻-近场全息法制作的平焦场光栅兼具电子束光刻线密度变化灵活,以及全息光栅低杂散光、抑制高次谐波等的特点。采用光线追迹方法分析电子束光刻-近场全息法制作平焦场光栅的主要制作误差对其光谱成像特性的影响。结果表明:电子束光刻制备熔石英掩模和近场全息图形转移过程的制作误差均会导致谱线展宽;以目前应用较多的软X射线平焦场光栅(中心线密度为2400line/mm、工作波段在0.8~6.0nm)为例,当熔石英掩模在光栅矢量方向的长度为50mm时,电子束光刻分区数目应保证在1500以上;熔石英掩模线密度偏差引入的谱线展宽可以通过调整近场全息制作参数来消除;确定了近场全息中的两个主要影响因素——熔石英掩模与光栅基底的间距和夹角;近场全息中各误差因素之间有相互补偿的效果,故除了尽可能消除制备过程中的每一种制作误差外,也可以通过优化不同误差之间的分配来降低制备误差。本研究对优化电子束直写掩模策略、降低掩模制作难度、设计和调整近场全息光路有重要帮助。

噪声源识别的近场声全息方法和数值仿真分析

将近场声全息(NAH)用于噪声源的识别和定位,对不同类型噪声源的数值模拟结果和理论分析表明:对于复杂声源,采用近场声全息方法可以精确地定位噪声源,并且能很好地分辨出各噪声源振幅的强弱;在波数域加窗滤波后,声压测量的误差对声源识别结果的影响不大。并对重建结果误差的产生原因及近场声全息相关参数的选取原则做了详细的分析,对工程测量和噪声控制有一定的指导意义。

基于传递函数估计的近场声全息的噪声源识别

在近场声全息(NAH)声场测量中,噪声的存在使近场声全息重建精度降低,影响声场重建的实现。本文提出一种基于传递函数估计的双测量面NAH技术,首先采用双测量面对噪声源信号进行测量,然后基于传递函数法引入一种合理的传递函数估计,结合参考传声器信号来求解全息面复声压,最后利用前后测量面数据相位差异来求解格林函数,根据声场重建公式进行近场声全息声场重建。数值仿真及重建误差分析表明,存在测量噪声影响的情况下,本文提出的方法相比传递函数法NAH重建误差更小,能够更准确地识别声源位置并提高声全息重建精度。最后对某型拖拉机前端进行近场阵列扫描试验,验证基于传递函数估计的双测量面NAH的有效性。

统计最优柱面近场声全息

由于全息声压测量点的离散性,在基于空间傅里叶变换的柱面近场声全息中会引入混叠误差;另一方面,由于测量面尺寸的有限性,会在该种全息技术中引入窗效应和卷绕误差。为了克服窗效应及卷绕误差,提出了统计最优柱面近场声全息技术,它通过空间域中全息柱面上复声压的线性叠加来反演重建面上的声学量,不需要借助空间傅里叶变换来实现全息重建,故可以克服窗效应和卷绕误差。数值分析的结果表明,统计最优柱面近场声全息要优于基于空间傅里叶变换的柱面近场声全息。

波数域滤波迭代近场声全息

介绍了波数域滤波迭代近场声全息算法,并对其对常规波数域滤波近场声全息的补偿作用进行了研究。从控制论的角度在理论上验证了这种算法的可行性和正确性,并且数值仿真的结果和理论分析的结论具有很好的一致性。波数域滤波迭代近场声全息能有效地弥补常规波数域滤波近场声全息由于加窗而带来的能量泄露,能准确地实现噪声源的定位。

基于波叠加与统计最优近场声全息的单面声场分离技术

基于空间声场变换的近场声全息以及统计最优近场声全息要求全息面一侧的声场必须为自由声场。为克服应用上的局限性,提出一种波叠加方法和统计最优近场声全息相结合的方法。针对现有双全息面声场分离技术需在两个全息面上进行声压测量,效率较低的问题,采用波叠加算法根据全息面上声压重构出某个重建面上的声压,利用全息面和重建面的声压数据用统计最优近场声全息技术分离出全息面某一侧声源在全息面上单独产生的声学量,以更少的测点数在全息面两侧都存在声源情况下实现空间声场分离。实验和数值仿真验证该方法的有效性和可行性。

基于近场声全息声像图纹理特征的机械故障诊断方法

基于振动信号分析的机械故障诊断存在接触式测量与单通道信号分析等局限,而基于声像图特征分析的故障诊断方法能有效克服此类局限。提出了基于近场声全息声像图纹理特征的机械故障诊断方法,利用近场声全息技术得到机械设备在不同运行状态下辐射声场的声像图,考虑到不同状态下声场分布的细微变化反映在声像图丰富的纹理信息中,提取声像图中揭示机械运行状态的纹理特征,建立声像图与机器状态之间的内在联系,结合支持向量机模式分类实现机械故障诊断。齿轮箱故障诊断实验研究证实了方法的可行性与有效性,即使在较强干扰噪声影响下也获得了较好的诊断结果。

基于波数域外推方法的近场声全息

在基于快速傅里叶变换(FFT)法的近场声全息技术中,为了减小算法误差对结果的影响,要求测量面(全息孔径)至少为声源面积的2倍。由于要求的全息孔径较大,该技术测量工作异常繁琐以及在大尺寸结构上应用困难。分析基于FFT法的近场声全息技术中算法误差产生的机理,并引入声压外推过程予以克服,得到基于波数域外推方法的近场声全息。该方法能有效抑制重建过程中算法误差的影响,不再须要靠增大全息孔径来减小误差,因此在小全息孔径条件下仍具有较高精度。仿真和试验结果表明,该方法在小全息孔径条件下取得了良好效果,显著减小了对全息孔径大小的要求,从而方便了工程运用。

局部近场声全息的仿真与实验研究

声场的局部测量不能满足基于快速傅里叶变换近场声全息理论推导的前提条件,所以该方法无法实现局部声场的精确重建。统计最优近场声全息在空间域直接实现声场的重建,避免由于使用快速傅里叶变换而产生的各种误差。结合不同的正则化方法,研究了统计最优近场声全息对局部声场的重建效果,分析了重建面边缘区域以及中心区域误差对总误差的贡献。仿真与实验结果表明:统计最优近场声全息可以实现局部声场的精确重建,重建面边缘区域的误差大于中心区域的误差;正则化技术方面,基于Engl误差最小化原则的正则化参数选择法,使得Tikhonov正则化方法更为实用。

基于质点振速测量的近场声全息技术

现有的近场声全息技术都是通过在声源近场测量声压来重建和预测声场,并实现声场的可视化。采用同样反映声场特征的质点振速来进行声全息计算,并推出了基于振速测量的近场声全息重建公式,通过仿真验证了该方法的正确性、可行性和有效性。通过与用声压重建的结果相比较,表明本方法的边缘重建精度高的特点;用质点振速重建可以采用更小的全息面来获得同样的重建精度。

近场声全息分辨率增强的正交球面波插值方法

为了在不增加测量点数的情况下提高近场声全息图像的空间分辨率,提出一种基于正交球面波插值的近场声全息图像分辨率增强方法.该方法以实际测量点数据为插值条件,通过若干不同阶次的球面波源叠加拟合实际声场,实现全息面插值,从而等效地增加了全息面声压数据,减小了测量间隔,在一定程度上恢复了由于实际测量间隔太大而损失的倏逝波信息,使近场声全息图像空间分辨率得到提高.

局部近场声全息的研究进展

局部近场声全息技术在解决实际工程问题时有优势,适于重建局部声场的各种声学量。阐述了局部近场声全息的技术原理及各种实现算法,并根据所提算法的创新性和受关注程度,把局部近场声全息技术归纳为4类:基于快速傅里叶变换的局部近场声全息技术;基于等效源的局部近场声全息技术;基于统计最优的局部近场声全息技术;基于边界元的局部近场声全息技术。分析了各种方法的原理、发展过程以及研究现状。最后,提出了局部近场声全息技术研究的发展方向。