基于时间反转技术的分布阵声汇聚技术研究

摘要

为实现远距离声汇聚，通常采用低频大功率声源组阵的方式来实现声能的汇聚。而单个低频大功率声源其自身体积庞大，支持系统复杂，在布阵时往往会受到环境限制而没办法展开，在现实环境中声场环境复杂，存在大量散射体以及大气介质不均性的限制，其汇聚效果往往不够理想。针对这些问题，本文提出了通过分布式布阵结合时间反转方法来解决这些困难。时间反转方法可以补偿介质不均匀以及阵元布阵不规则带来的相位偏移，是一种较为理想的声汇聚手段。本文针对散射环境中影响分布阵时反汇聚的相关因素进行了分析和讨论，并针对这些影响因素提出了一种布阵优化的方法，最后在针对时反汇聚的相关影响因素进行了实验验证和讨论。本文的主要内容有：
　　1）讨论了散射环境中，时反汇聚点信号的信噪比随时间反转窗长度的变化情况。散射信号中存在大量能量以及声场信息，时间反转窗的大小反应着阵元对散射能量的获取，记录的散射信号越长，其汇聚效果越好，但是受到散射声自身衰减因素的影响，随着时间窗函数的增大其信噪比趋近与一个饱和值。
　　2）论文分析了在时间窗函数一定的情况下，时反阵的阵元数目以及各阵元在时反点的贡献函数的相关性对时反汇聚效果的影响。散射声场中多阵元时反汇聚效果主要受阵元数目的多少和阵元间目标处贡献函数的相关性的影响。阵元数目越多，即空间采样的点数越多，对声场能量和信息的获取越多，其整个阵列汇聚的信噪比将随阵元的增多而增大；在阵元数目一定时，阵元间贡献函数的相关性越小，其获取的独立信息越大，最终的信噪比也越高。
　　3）针对各阵元间在目标处汇聚信号的贡献函数的相关性对时反汇聚效果的影响，提出了一种基于遗传算法的布阵优化方法，并进行了仿真验证。
　　4）通过实验验证了时反窗长度对汇聚效果的影响，以及目标处汇聚信号的贡献函数的相关性对时反汇聚效果的影响。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2研究历史和现状

1.3 论文的主要内容

第二章 时间反转声汇聚的基本理论

2.1 声学时间反转方法基本理论

2.2 时间反转声汇聚的基本工作原理

2.3 基于Comsol的声场计算

2.4 分布阵时反汇聚的性能分析

2.5 小结

第三章 分布阵时反声汇聚研究

3.1 散射环境中的声汇聚

3.2 时反窗口的持续时间对汇聚效果的影响

3.3 多阵元对汇聚效果的影响

3.4 小结

第四章 分布阵时反汇聚的优化

4.1 遗传算法

4.2时反声源布阵优化

4.3 遗传算法的仿真验证

4.4 小结

第五章 声汇聚实验

5.1 实验介绍

5.2 单阵元时反系统

5.3 多个阵元时反系统实验

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录 遗传算法Matlab程序代码