CN117436285A - 一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法及系统，涉及障碍物检测技术领域。该方法包括步骤：构建待重构海底声软障碍物模型；给定两个不同方向的固定入射点源，采用两个叠加平面波作为海底声软障碍物模型入射场；定义远场算子，根据入射场参数和远场算子基于远场算子与远场数据之间的关系建立无相位远场数据方程；利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程，得到海底声软障碍物模型边界。本发明能够采用叠加平面波作为入射场，初始猜测曲线作为位置的参照物重建声软不可穿透散射体的形状和位置信息。
Description
技术领域
本发明涉及障碍物检测技术领域，尤其涉及一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法及系统。
背景技术
海底探测技术装备涉及范围非常广，包括声学、光学、磁力、重力、地震、热流、放射性观测、原位观测和钻探观测等以及拖网、抓斗、柱状采样器和箱式采样器等。与可见光和电磁波相比，声波在海水中的衰减更慢、传播距离更远，因此海底声学探测是目前获取海底信息常用的方式之一。
近年来，水下目标隐身技术不断进步，给水声探测技术带来了巨大挑战。针对这一挑战，低频、移动、多节点水声探测技术日益受到重视，同时，探测隐身目标的多源声学也应运而生。由此可见，通过声波探测海洋中的障碍物，是海洋声学目标探测技术发展的一个重要途径。
海洋声波目标被动探测是应用较为广泛的技术之一，因为声波在水中的传播和反射特性，所以它作为入射波，遇到障碍物时，会发生散射现象，然后收集散射数据，对散射数据进行处理，恢复海里物体的形状、大小以及位置等物理参数。
在实际问题中，获得散射场或者远场的相位信息是极其困难的，一般只能获得远场数据的强度信息即无相位远场数据。由于相位的缺失，在同等数据量的情况下无相位远场数据很难准确反演障碍物的物理参数。入射平面波的无相位远场模式有平移不变性，只用一个入射波不可能重建散射体的位置。因此，如何准确重建海底声软障碍物的形状和位置，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法及系统，采用叠加平面波作为入射场，初始猜测曲线作为位置的参照物重建声软不可穿透散射体的形状和位置信息。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明第一方面提供了一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，包括以下步骤：
构建待重构海底声软障碍物模型；
给定两个不同方向的固定入射点源，采用两个叠加平面波作为海底声软障碍物模型入射场；
定义远场算子，根据入射场参数和远场算子基于远场算子与远场数据之间的关系建立无相位远场数据方程；
利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程，得到海底声软障碍物模型边界。
进一步的，待重构海底声软障碍物模型为有界且二阶导数存在且连续的光滑区域。
进一步的，远场算子公式为：
。
其中，为待重建的障碍物，/>，/>分别为叠加平面波的不同入射方向，/>为波数，为远场算子，/>为障碍物边界，/>为密度函数，/>表示泛函空间，/>表示单位外法向量，y是采样点，/>为观测方向，/>为观测方向所属的空间，/>为正态分布。
进一步的，远场算子与远场数据之间的关系为：远场算子将边界映射到相应的无相位远场数据。
进一步的，无相位远场数据方程为：
。
其中，为待重建的障碍物，/>，/>分别为叠加平面波的不同入射方向，/>为波数，为远场算子，/>为无相位远场数据，/>为观测方向，/>为观测方向所属的空间。
进一步的，利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程的具体步骤为：
定义反问题，构造单双位势组合形式的密度函数表示反问题的散射解；
利用跳跃关系求解密度函数，将求解的密度函数代入无相位远场数据方程，
接着对远场数据方程对边界作线性化处理，并慢慢修正边界，逐次迭代得到障碍物边界新的近似，从而实现对障碍物形状和位置的同时重构。
更进一步的，反问题定义为：
已知固定波数和入射方向的平面入射场，利用无相位远场数据重建海底声软障碍物的位置和形状。
更进一步的，构造单双位势组合形式的密度函数为：
，/>。
，/>。
其中，为单层位势算子，/>为双层位势算子，/>为待重建的障碍物，/>为障碍物边界，/>为密度函数，/>是二维情形下亥姆霍兹方程的基本解，/>为波数，x和y都是采样点，但x≠y，/>表示单位外法向量。
更进一步的，利用跳跃关系求解密度函数，使得密度函数满足边界积分方程：
,on/>。
其中，为入射场，/>为虚数单位。
本发明第二方面提供了一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构系统，包括：
模型构建模块，被配置为构建待重构海底声软障碍物模型；
叠加入射场模块，被配置为给定两个不同方向的固定入射点源，采用两个叠加平面波作为海底声软障碍物模型入射场；
方程组构建模块，被配置为定义远场算子，根据入射场参数和远场算子基于远场算子与远场数据之间的关系建立无相位远场数据方程；
边界重构模块，被配置为利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程，得到海底声软障碍物模型边界。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明公开了一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法及系统，利用无相位总场数据和两个入射波叠加来重构二维不可穿透散射体，可以为研究探测水下物体的形状位置等物理参数提供一定的理论基础。本发明通过将两个入射方向的波加入逆散射系统，无相位远场模式的平移不变性可以分解，建立边界积分方程组，先求解密度函数，将求解的密度函数代入远场数据方程，接着对远场数据方程对边界作线性化处理，并慢慢修正边界，逐次迭代就可以得到障碍物边界新的近似，从而实现对障碍物形状和位置的同时重构。通过在逆散射系统中考虑两个方向的入射波，无相远场数据对障碍物的位置和形状进行重建效果较好。即使改变入射方向，也不影响对声软障碍物的重构。误差也会随着迭代次数的增加越来越趋近于0。相比于一个入射方向，两个入射方向的叠加重构物体恢复的障碍物的信息更加全面多样。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一中基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法流程图；
图2为本发明实施例一中海底声软障碍物总场原理图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
实施例一：
本发明实施例一提供了一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，主要研究利用无相位总场数据来水中重构二维不可穿透障碍物的位置和形状。为了打破无相位远场数据的平移不变性，采用叠加平面波作为入射波，利用构造的单双位势组合形式的函数表示反问题的散射解，并引入远场算子，建立远场算子与远场数据之间的关系作为无相位远场数据方程，再利用位势理论和边界跳跃关系，将问题转化为非线性积方程组并求解。
本发明研究了利用不同方向平面入射波叠加的远场数据模量确定声软障碍物的形状和位置的反问题。众所周知，当只使用一个平面波作为入射场时，远场模式的模量在散射障碍的平动下是不变的，因此不可能重建散射体的位置。为打破无相位数据的平移不变性，采用两个不同方向的入射波叠加重建海底声软障碍物的形状和位置。
具体如图1所示，包括以下步骤：
S1：构建待重构海底声软障碍物模型。
S2：给定两个不同方向的固定入射点源，采用两个叠加平面波作为海底声软障碍物模型入射场。
S3：定义远场算子，根据入射场参数和远场算子基于远场算子与远场数据之间的关系建立无相位远场数据方程。
S4：利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程，得到海底声软障碍物模型边界。
S1中，待重构海底声软障碍物模型为有界且二阶导数存在且连续的光滑区域，其中二阶导数存在且连续用表示。
本实施例旨在解决从无相位远场数据中恢复散射障碍的反问题。为简单起见，仅考虑二维的情况。其中，无相位远场数据是指在远场区域内，声波的相位信息已经被移除，只保留振幅信息的数据。本实施例中的无相位远场数据获取方式为合成数据。
S2中，假设是有界且/>光滑区域，其边界/>给定两个不同方向的固定入射点源，假设波数/>是任意且固定的，其中/>为波数，/>和/>分别为波的频率和速度，均属于/>，R表示全体实数集合，R2表示二维空间中实数的集合，即平面坐标系中的每个点；/>表示/>的闭包；/>表示在二维空间中除了/>以外的区域。总场/>，其中为入射场，/>为散射场，在/>上总场/>满足亥姆霍兹（Helmholtz）方程：。
当是声软的不可穿透障碍物时/>，第三个式子为散射场/>需要满足索末菲（Sommerfeld）辐射条件，/>为虚数单位，/>为采样点，/>为采样点的距离，/>表示对距离求偏导。第三个式子表达含义为：随着采样点距离的增加，辐射条件减弱，即散射强度变小。
下面的引理给出远场模式和其散射波之间的关系：
引理2.1：由紧嵌入定理（Rellich）引理，假设有界集合是一无界开集的补集，令是Helmholtz方程的解且满足：/>。
如图2所示，则在区域外有/>。即/>和/>是一一对应的关系，/>等价于/>。其中/>是定义在单位圆/>上的，是散射场/>的远场模式。
在许多实际应用中，远场模的相位不能与其模量进行精确测量，因此通常需要从远场模的模量或无相位远场数据来重建散射障碍体。
定理1.平移不变性（Translation invariance)：设为障碍物/>散射的远场模态。对于障碍物/>其中/>，与/>的对应的的远场模态有如下形式：/>,/>。
在任意观测方向上一致成立，/>为单个入射波方向，/>为障碍物边界，为平动后的障碍物边界，/>为平动距离。/>表示观测方向为/>、单个入射波方向为/>、波束为/>的远场模式。/>为观测方向，/>为观测方向所属的空间。
由定理1可知，利用无相位远场模态重构障碍物的反散射问题具有平移不变性，因此仅利用一个入射的平面波得到的无相位远场模态数据不能重构出障碍物的形状和位置。基于此，本实施例目的是设计一种方法来打破无相位远场模式的平移不变性。准确地说，不使用一个平面波作为入射场，而是使用以下两个平面波的叠加作为入射场：
。
其中，/>为入射方向，/>为入射角度，/>，在采样点/>，放置两个/>、/>方向的入射波，波束为/>。
两个叠加波的散射场有如下渐进展开式：
,/>。
对任意的观测方向。建立入射方向/>的条件，/>表示/>的高阶无穷小。在有限区间内所有波数/>的/>平移不变性关系不成立，利用至少两个不同方向的两个平面波叠加作为所有波数的入射场，可以分解远场模式模的平移不变性。因此，障碍物/>的位置和形状都可以从与这些入射波对应的无相位远场数据中数值确定。
S3中，定义远场算子公式为：
。
其中，为待重建的障碍物，/>，/>分别为叠加平面波的不同入射方向，/>为波数，为远场算子，/>为障碍物边界，/>为密度函数，/>表示泛函空间，/>表示单位外法向量，y是采样点，/>为观测方向，/>为观测方向所属的空间，/>为正态分布。
远场算子与远场数据之间的关系为：远场算子将边界映射到相应的无相位远场数据:
。
不妨设在边界上满足狄利克雷（Dirichlet）边界条件，即/>。
S4中，利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程的具体步骤为：
S4.1：定义反问题，构造单双位势组合形式的密度函数表示反问题的散射解。
S4.1.1：问题应用场景：在海中运用声波探测未知物体，水下声波探测技术有两种基本类型：主动式和被动式。主动式声波探测技术是指主动发射声波，并接收目标或环境反射回来的回波，以此判断目标或环境的特征。被动式声波探测技术是指只接收目标或环境发出或辐射的声波信号，以此识别目标或环境的特征。无论是主动式还是被动式，水下声波探测技术都需要进行复杂而精密的信号处理和信息提取。这涉及到许多数学模型、算法和软件工具，如傅里叶变换、滤波、相关、谱分析、信噪比、目标识别等。因此，本实施例基于声波数学模型，探测海水中未知物体的形状和位置，得到如下反问题：
已知固定波数和入射方向/>，/>的平面/>，利用无相位远场数据，/>，重建海底声软障碍物/>的位置和形状。
S4.1.2：对于恢复不可穿透障碍物的形状和位置的反散射问题，需要用到单层位势算子和双层位势算子/>，/>以及远场算子/>，构造的单双位势组合形式的密度函数为：/>，/>。
，/>。
其中，为单层位势算子，/>为双层位势算子，/>为待重建的障碍物，/>为障碍物边界，/>为密度函数，/>是二维情形下亥姆霍兹方程的基本解，/>为波数，x和y都是采样点，但x≠y，/>表示单位外法向量。
，/>其中/>是第一类零阶Hankel函数，采样点从区域外部趋近于边界/>。
S4.1.3：假设散射场是以/>为密度函数的单双层位势组合的解：
,/>。
其中，为正态分布，可取/>。
S4.2：利用跳跃关系求解密度函数，将求解的密度函数代入无相位远场数据方程。
S4.2.1：利用跳跃关系求解密度函数，使得密度函数满足边界积分方程：
,on/>。
其中，为入射场，/>为虚数单位。
跳跃关系定理如下：设，并且/>在/>上连续。那么，具有密度函数/>的单层位势/>连续。在边界/>上有/>，/>。
双层位势有，/>。
S4.2.2：、/>都是紧算子，因而上述方程是第二类算子方程，由弗雷德霍姆（Riesz-Fredholm）理论知，上述边界积分方程的解存在且唯一，并连续依赖于右端。所以结合远场算子得到无相位远场数据方程为：/>，on/>。
其中，为待重建的障碍物，/>，/>分别为叠加平面波的不同入射方向，/>为波数，为远场算子，/>为无相位远场数据，/>为观测方向。
S4.3：接着对远场数据方程对边界作线性化处理，并慢慢修正边界，逐次迭代得到障碍物边界新的近似，从而实现对障碍物形状和位置的同时重构。
S4.3.1：参数化方程。
为验证探测物体位置和形状的有效性，采用模拟实验环境进行说明，用较小区域看作一个水域，恢复这个小区域的未知物体的形状和位置。在二维情形下需要将积分方程/>,on/>和，on/>参数化，先假定边界曲线是/>是/>类的，将区域参数化为如下形式的曲线：/>。
其中，单位圆参数化形式为：/>，边界/>曲线上的点记为/>，/>，/>。/>表示定义。
参数化的单层位势、双层位势导数算子以及远场算子分别为
，
，
。
其中，为了书写方便给出下列较长式子的简单表示符号，在曲线上核函数为第一类零阶级汉克尔函数（Hankel）;
在曲线上的核函数为第一类二阶汉克尔函数，/>表示求导后的距离，/>无具体含义，为使得上述式子写起来方便记为/>，/>表示系数，/>表示/>的法向量。
将,on/>和/>，on/>右端项参数化，即入射波和远场参数化分别为入射波在p(t)点离散形式：
以及远场数据的离散形式：/>。由此可得其参数化形式：/>。
。
S4.3.2：基于核近似方法（）的数值离散。
对上述参数化形式方程进行离散的具体方法：注意到尽管核函数是连续的，但是为了数值精度，分离/>的对数部分是有利的，因为/>的导数在/>处不能连续。因此需先将式/>转化为求解如下形式的积分方程：
。
本实施例运用法给出上述方程的全离散形式。
半离散形式为。将分解为如上形式；/>为/>半离散形式；为/>半离散形式。
全离散形式需要先令，/>，t为离散点，需要全离散，将t写为/>的形式。
全离散形式如下：
。
其中，，/>。
式有唯一解，由此可解出密度函数/>在离散点处的值。
是非线性的，求解具有不适定性，需将该方程线性化：需要远场算子/>关于/>的弗雷歇（Frechet）导数，即 。
其中，，/>，/>表示在/>点处导数的值。
运用乘积法则可以得到关于/>的导数：。
其中，表示/>的共轭；/>导数；表示取得实部。
因此线性化后变为。
其中，为方便书写，将式子简单记为
，/>。
在迭代过程中选择下面的相对误差形式：
。
其中，是足够小的且依赖于噪声水平。这里的/>表示边界/>的第/>次近似。
将离散化： 为了重新改写参数化算子/>和/>，定义以下记号，是便于计算迭代。/>。/>。
。
。/>。
。
。
。
其中，，/>结合方程：
，/>和/>，则可以通过线性系统选择如下形式的有限维三角多项式空间作为逼近径向函数/>和修正/>的空间：。
其中，解的实系数为和/>，/>为截断值。/>
曲线离散后边界的基函数
。
曲线离散后边界的基函数
。
，/>表示与离散后的/>。
由梯形公式可以得到近似为：
，。
由于不问题的不适定，可转化为求解如下极小化问题：
。
其中，为正则化参数，函数/>可以是函数/>，/>。此外将/>和/>的近似用/>和/>表示。
上述的最小值可被看作方程的唯一解，其中，
，/>，，/>。
为形状位置参数，需要求解其中的曲线的系数；/>为离散得到的对角矩阵；/>为函数矩阵，可理解需求的区域的基函数，/>为/>的伴随矩阵；/>为/>的近似，/>为残差，其中的每一项为离散后的数值。
本实施例中，为避免反问题不适定性，反问题数据利用单双层位势组合法生成。噪声数据如下：。
其中，是正态分布的随机变量，/>是相对噪声水平。
正则化参数可选为/>，/>。
在重构过程中，为了和实际曲线相比较，初始近似为半径为3的圆。
声波探测仪器发出的声波信号经过海水的传播，到达海底后会产生反射信号，通过对这些反射信号进行处理和分析，可以绘制出海底地形图，发现海沟、海岭、海底山脉等海洋地质特征，同时也可以探测到海底矿产资源。声波探测是一种利用声波对物体或环境进行探测和成像的技术。它广泛应用于海洋勘探、地质调查、无损检测、医学诊断等领域。利用声波探测技术可以对海底地形、海洋资源进行详细调查和评估。
本发明利用无相位总场数据和两个入射波叠加来重构二维不可穿透散射体可以为研究探测水下物体的形状位置等物理参数，提供一定的理论基础。通过将两个入射方向的波加入逆散射系统，无相位远场模式的平移不变性可以分解，建立边界积分方程组，先求解密度函数，将求解的密度函数代入远场数据方程，接着对远场数据方程对边界作线性化处理，并慢慢修正边界，逐次迭代就可以得到障碍物边界新的近似，从而实现对障碍物形状和位置的同时重构。给出的数值实验也说明了该方法的有效性数值结果表明，通过在逆散射系统中考虑两个方向的入射波，无相远场数据对障碍物的位置和形状进行重建效果较好。即使改变入射方向，也不影响对声软障碍物的重构。误差也会随着迭代次数的增加越来越趋近于0。相比于一个入射方向，两个入射方向的叠加重构物体恢复的障碍物的信息更加全面多样。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构系统，包括：
模型构建模块，被配置为构建待重构海底声软障碍物模型；
叠加入射场模块，被配置为给定两个不同方向的固定入射点源，采用两个叠加平面波作为海底声软障碍物模型入射场；
方程组构建模块，被配置为定义远场算子，根据入射场参数和远场算子基于远场算子与远场数据之间的关系建立无相位远场数据方程；
边界重构模块，被配置为利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程，得到海底声软障碍物模型边界。
以上实施例二中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建待重构海底声软障碍物模型；
给定两个不同方向的固定入射点源，采用两个叠加平面波作为海底声软障碍物模型入射场；
定义远场算子，根据入射场参数和远场算子基于远场算子与远场数据之间的关系建立无相位远场数据方程；
利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程，得到海底声软障碍物模型边界。
2.如权利要求1所述的基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，待重构海底声软障碍物模型为有界且二阶导数存在且连续的光滑区域。
3.如权利要求1所述的基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，远场算子公式为：
，
其中，为待重建的障碍物，/>，/>分别为叠加平面波的不同入射方向，/>为波数，为远场算子，/>为障碍物边界，/>为密度函数，/>表示泛函空间，/>表示单位外法向量，y是采样点，/>为观测方向，/>为观测方向所属的空间，/>为正态分布。
4.如权利要求1所述的基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，远场算子与远场数据之间的关系为：远场算子将边界映射到相应的无相位远场数据。
5.如权利要求1所述的基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，无相位远场数据方程为：
，
其中，为待重建的障碍物，/>，/>分别为叠加平面波的不同入射方向，/>为波数，为远场算子，/>为无相位远场数据，/>为观测方向，/>为观测方向所属的空间。
6.如权利要求1所述的基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程的具体步骤为：
定义反问题，构造单双位势组合形式的密度函数表示反问题的散射解；
利用跳跃关系求解密度函数，将求解的密度函数代入无相位远场数据方程，
接着对远场数据方程对边界作线性化处理，并慢慢修正边界，逐次迭代得到障碍物边界新的近似，从而实现对障碍物形状和位置的同时重构。
7.如权利要求6所述的基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，反问题定义为：
已知固定波数和入射方向的平面入射场，利用无相位远场数据重建海底声软障碍物的位置和形状。
8.如权利要求6所述的基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，构造单双位势组合形式的密度函数为：
，/>，
，/>，
其中，为单层位势算子，/>为双层位势算子，/>为待重建的障碍物，/>为障碍物边界，/>为密度函数，/>是二维情形下亥姆霍兹方程的基本解，/>为波数，x和y都是采样点，但x≠y，/>表示单位外法向量。
9.如权利要求8所述的基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法，其特征在于，利用跳跃关系求解密度函数，使得密度函数满足边界积分方程：
,on/>，
其中，为入射场，/>为虚数单位。
10.一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，被配置为构建待重构海底声软障碍物模型；
叠加入射场模块，被配置为给定两个不同方向的固定入射点源，采用两个叠加平面波作为海底声软障碍物模型入射场；
方程组构建模块，被配置为定义远场算子，根据入射场参数和远场算子基于远场算子与远场数据之间的关系建立无相位远场数据方程；
边界重构模块，被配置为利用位势理论和边界跳跃关系求解无相位远场数据方程，得到海底声软障碍物模型边界。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013055236A1 (en) * | 2011-10-13 | 2013-04-18 | Institute Of Geological & Nuclear Sciences Limited | System and method for modelling multibeam backscatter from a seafloor |
| US20140070111A1 (en) * | 2012-08-17 | 2014-03-13 | Northeastern University | Signal processing methods and systems for explosive detection and identification using electromagnetic radiation |
| CN107576388A (zh) * | 2017-08-22 | 2018-01-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种浅海信道下三维结构声源辐射声场预报方法 |
| CN116087344A (zh) * | 2022-12-02 | 2023-05-09 | 南京航空航天大学 | 一种基于周向导波时域逆散射法的圆环缺陷重构方法 |
-
2023
- 2023-12-20 CN CN202311753240.4A patent/CN117436285A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013055236A1 (en) * | 2011-10-13 | 2013-04-18 | Institute Of Geological & Nuclear Sciences Limited | System and method for modelling multibeam backscatter from a seafloor |
| US20140070111A1 (en) * | 2012-08-17 | 2014-03-13 | Northeastern University | Signal processing methods and systems for explosive detection and identification using electromagnetic radiation |
| CN107576388A (zh) * | 2017-08-22 | 2018-01-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种浅海信道下三维结构声源辐射声场预报方法 |
| CN116087344A (zh) * | 2022-12-02 | 2023-05-09 | 南京航空航天大学 | 一种基于周向导波时域逆散射法的圆环缺陷重构方法 |
Non-Patent Citations (9)
| Title |
|---|
| BO ZHANG等: "Recovering scattering obstacles by multi-frequency phaseless far-field data", JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS, 15 May 2017 (2017-05-15), pages 58, XP085111600, DOI: 10.1016/j.jcp.2017.05.022 * |
| 刘仁杰: "基于深度学习的多体障碍反散射问题研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑(月刊), no. 02, 15 February 2022 (2022-02-15), pages 005 - 52 * |
| 刘玲玲: "使用无相位远场数据重构声硬障碍物的数值方法", 中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑(月刊), no. 8, 15 August 2020 (2020-08-15), pages 2 * |
| 尤云祥, 缪国平: "阻抗障碍物声散射的反问题", 物理学报, no. 02, 12 February 2002 (2002-02-12) * |
| 张洁: "由唯一入射波重构球体的唯一性和数值解法研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑(月刊), no. 2, 15 February 2018 (2018-02-15), pages 002 - 1000 * |
| 张福顺, 焦永昌, 马金平, 刘其中, 张进民, 毛乃宏: "辐射、散射近场测量及近场成像技术的研究进展", 西安电子科技大学学报, no. 05, 20 October 1999 (1999-10-20) * |
| 杨文红: "基于无相位数据的障碍物反散射问题研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑(月刊), no. 2, 15 February 2022 (2022-02-15), pages 2 * |
| 程晋;刘继军;张波;: "偏微分方程反问题:模型、算法和应用", 中国科学:数学, no. 04, 12 December 2018 (2018-12-12) * |
| 邓霞;: "传输问题远场算子的性质", 华中师范大学学报(自然科学版), no. 02, 27 June 2006 (2006-06-27) * |
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