水声环境快速评估建模与仿真

提出了基于最优插值和经验正交函数的水声环境快速重构方法,利用海表遥感数据、实测片段数据以及历史数据,实现了海洋环境剖面的实时重构。针对不同海区的水声传播特点,建立了基于波束位移射线简正波、广义相积分简正波和抛物方程理论的水声环境传播仿真模型。根据声速剖面特征和水声传播计算结果,建立了环境特征参数评估模型,有效提取了实际应用需要的环境特征量。在此基础上,构建了水声环境快速评估仿真系统,与现有海洋环境同化预报模式的延时预报相比,该方法在区域战场环境的实时分析评估以及硬件配置要求方面具有明显优势。实验结果验证了系统的有效性。     

基于集群的水声宽带波形预报系统设计与实现

水声宽带波形预报是水下声信息传输的重要环节,是实现传感器信号级仿真的关键技术.首先 介绍了基于波束位移射线简正波(BDRM)理论的频域宽带模型,引入宽萨模型频域近似展开技术,提高模型计算速度;然后基于集群的高性能并行计算技术,提出宽带模型并行算法,实现快速准确的宽带信号波形预报;最后,以曙光高性能并行平台为开发基础,构建基于集群的水声宽带波形预报系统,并对系统组成、体系结构和并行算法框架进行了分析和设计.     

基于波束跟踪的运动声源和接收器宽带脉冲传播仿真

应用傅立叶综合方法和波束跟踪理论,研究了分层介质中运动声源和接收器的宽带脉冲声传播,根据运动声源和接收器声传播的简正波理论,导出了基于波束跟踪方法的运动声源和接收器宽带脉冲声传播表达式.结合实例计算分析了宽带脉冲声传播的特点,并与宽带简正波的计算结果进行了比较,二者符合较好,证明了这一仿真模型的有效性.     

水平不变海洋声道中WKBZ简正波方法的并行算法

并行算法是解决大数据量运算耗时过久的重要途径，在PC机群上实现并行算法是一种低成本、高效率的解决方案。首先介绍了计算机机群系统，在此基础上，建立了基于LINUX和MPI的PC机群实验环境，实现了WKBZ简正波方法并行计算，并利用建立的试验平台，对并行算法进行了测试，比较了并行WKBZ简正波计算和串行WKBZ简正波计算耗时的差异。根据理论研究和实际测试的结果，总结了利用PC机群系统进行并行WKBZ运算的可行性，得出了一些有意义的结论。     

一种基于声线理论计算非相干平均声场的方法

由于计算量的问题,使用简正波方法解算高频段水声传播损失场受到很大的限制。传统射线声线方法虽然在解算速度方面具有优势,但常会引入一些奇异点。为此提出一种基于声线理论计算平均声场的快速算法-声线分组法。此方法无需进行本征声线解算,而是通过对发射声线分组,并对各组声线束损失因子在距离深度平面分格内的加权平均进行非相干求和计算平均声场矩阵。声线分组法与现有由BELLHOP程序实现的有限元方法相比计算结果具有很好的一致性,并且能够避免奇异点的产生,同时解算速度可以提高30%以上。     

浅海声信道建模及其应用研究

浅海是水声对抗发生的重要区域,因此对其声信道的研究具有重要意义。采用射线声学理论,建立了一个多途浅海声信道仿真模型。在水声对抗仿真系统中,选用基于ADSP21160的Hammerhead PCI予以实现,取得了预期的实时效果;海试验证结果表明,该模型同样适用于实际情况下浅海海域的声传播损失等参数的折算,可作为水声对抗器材性能预报及战术使用的参考。     

不均匀大气结构中的电磁环境仿真研究

采用三维矢量抛物方程方法建立了电磁环境仿真模型,提出了基于旋转波阵面处理不规则地表边界条件的算法,简化了边界处理过程;为了计算脉冲电波传播场,采用傅里叶变换方法用脉冲包络代替单频电波,提出了近似系数求解多频点反复计算的方法;通过Kriging算法对地形高程进行插值,分析了脉冲电波在不均匀大气结构中的传播特征;最后通过数值仿真说明了模型的正确性。     

一种基于GPU的雷达探测区域快速可视化方法

雷达作用范围和遮蔽盲区的快速计算和三维可视化是复杂电磁环境研究的重要内容.基于抛物方程建立了雷达探测范围的数学模型,对于三维地形遮蔽雷迭作用范围形成的盲区,采用碰撞检测方法进行估算,并利用图形硬件(GPU)的加速功能实现了盲区估算的快速算法.实践证明,快速计算雷达的地形遮蔽盲区可以为用户决策提供支持,具有重要的工程应用价值.     

水声在波导中传播的建模及仿真研究

通过求解波动方程建立了水声在波导中传播的模型并进行了仿真计算。仿真结果表明：该模型基本反映了分层结构的波导的传播性质。将该模型用于匹配场定位和失配研究的结果进一步证明了该模型的有效性。     

基于引导源的目标定位算法与仿真研究

利用水下声信号的简正波传播特性,推导了一种利用垂直接收阵和已知宽带声源信号,对水下未知宽带声源进行距离估计的算法,即基于引导源的目标定位算法。该算法不需要建立精确的水下声场模型,且定位性能受海洋环境的影响较小。重点推导了算法实现过程,并简要介绍算法处理中的图像处理方法--Radon变换。对三组不同位置的声源,在不同海洋环境条件下进行了算法仿真。结果表明基于引导源的目标定位算法能快速、准确地估计出目标声源距离。     

MPI并行矩量法计算二维粗糙面波束电磁散射

通过有限脉冲响应滤波器理论和快速傅里叶变换方法,模拟了二维高斯随机粗糙面。从电场积分方程出发,利用RWG (Rao-Wilton-Glisson)基函数矩量法结合Galerkin方法,在PC集群并行平台上研究了二维导体高斯粗糙面对波束的电磁散射特性。为使得PC集群信息传递接口(message passing interface, MPI) 并行平台上各参与运算的各进程的负载平衡,对整个阻抗矩阵按行分块,并详细讨论了并行共轭梯度法求解矩量法矩阵方程的并行实现过程。最后在PC集群MPI并行平台上进行数值实验,分析了在波束入射条件下,均方根高度、相关长度和极化方式对二维导体高斯粗糙面的电磁散射特性的影响。     

软件锁相环并行化方法研究

为了提高软件锁相环的运行效率,根据虚拟无线电系统中数据块式的传输模式,提出了一种基于数据冗余的软件锁相环并行化设计方法。该方法克服了由于并行数据的非连续性对软件锁相环性能的影响;充分利用了计算机系统的并行处理性能。详细论述了该方法的实现原理,从加速比、并行效率方面分析了该方法的实时性。仿真结果表明并行化的软件锁相环同单环具有相同的跟踪精度与动态性能,并在计算机平台上通过对实际信号的解调,验证了该方法的实时性。     

小尺度封闭空间可听化研究

在小尺度封闭空间内,声波低频成份的波长与空间尺寸相当,声音在传播过程中所发生的散射、衍射等波动现象不容忽视。因此,目前以几何声学为理论基础的可听化无法直接用于小尺度封闭空间中,需要发展以波动声学为理论基础的可听化。本文将以室内声场有源Helmholtz方程及其相应边界方程为基础,首先推导了求解小尺度封闭空间低频声传递函数的有限元模型。其次,研究了在小尺度封闭空间内的双耳特性的处理方法。最后,给出了小尺度封闭空间可听化的软件实现方法,并在一车体模型内实现了可听化。     

平面柔性并联机器人系统建模与仿真研究

利用运动弹性动力学理论和有限元方法研究了平面柔性并联机器人的动力学建模方法。分析了各运动支链的弹性位移及其耦合关系,提出了柔性并联机器人系统的运动学约束条件和动力学约束条件,综合考虑了构件的分布质量、集中质量、集中转动惯量以及杆件的各种弹性变形的影响,建立了平面柔性并联机器人的动力学模型。以平面3-RRR柔性并联机器人为例,用MATLAB语言编程进行了仿真计算,并用SAMCEF软件的计算结果验证了模型的准确性。仿真结果表明该动力学模型能正确地反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。     

二能级开放量子系统相干保持的最优控制策略

二能级量子系统在开放环境下的相干保持是量子器件实用化的关键.针对二能级开放量子系统的相干保持问题,首先将系统的主方程模型转化为实向量空间上的状态空间模型.然后借助经典最优控制的思想,提出了一种既保证系统控制能量最小,同时又最大程度的减小消相干的最优控制策略.最后就一个典型的二能级开放量子系统仿真实现其相干保持,仿真结果显示了该方案的优越性.     

Tensor Decomposition and High-Performance Computing for Solving High-Dimensional Stochastic Control System Numerically

The paper presents a numerical method for solving a class of high-dimensional stochastic control systems based on tensor decomposition and parallel computing. The HJB solution provides a globally optimal controller to the associated dynamical system. Variable substitution is used to simplify the nonlinear HJB equation. The curse of dimensionality is avoided by representing the HJB equation using separated representation. Alternating least squares (ALS) is used to reduced the separation rank. The experiment is conducted and the numerical solution is obtained. A high-performance algorithm is designed to reduce the separation rank in the parallel environment, solving the high-dimensional HJB equation with high efficiency.

     

踝关节康复机器人主动训练柔顺控制研究

为保证踝关节康复机器人能为主动康复训练的患者准确提供任意性质的训练力,以气动肌肉冗余并联驱动踝关节康复机器人为对象,研究无误差力跟踪方法和主动训练柔顺控制策略。建立了踝关节康复机器人的动力学模型,基于阻抗控制理论研究了无误差力跟踪的轨迹规划方法,运用李亚谱诺夫稳定性理论提出了气动肌肉冗余并联驱动的柔顺控制策略,以助力和抗阻两种主动训练模式为例,进行了康复训练控制仿真,结果表明,所提出的力跟踪方法和柔顺控制策略不仅能确保主动训练的安全性,还能为训练提供任意而准确的助力和阻力。     

并行GSE方法及其在耦合系统优化中的应用

指出了并行全局灵敏度方程（global sensitivity equation, GSE）方法的优势,定性分析了并行GSE方法的计算性能。在ModelCenter框架下开发了通用并行GSE驱动组件(general parallel GSE driver, GPGDRV),并与优化算法相结合,基于COM技术开发了通用并行GSE优化器(general parallel GSE optimizer, GPGOPT),进而将并行GSE方法用于耦合系统优化。数值算例表明,GSE方法可以显著提高耦合系统灵敏度的求解效率。将GPGDRV和GPGOPT用于某假想的教练机方案优化设计,并与有限差分法进行计算性能定量比较,定量比较结果与定性分析相符。研究还表明,GSE方法极大地提高了耦合系统优化的效率,使优化时间缩短约76%,并行GSE方法可进一步缩短优化时间。GPGDRV和GPGOPT对于耦合系统的分析和优化具有实用性。     

基于物理模型的琴弦数字仿真

基于物理模型的乐器仿真是运用弹性力学理论，通过偏微分方程来精确描述乐器发声一种方法，尽管它有着模型建立困难，计算开销大等缺点，但随着计算机计算能力的提高，该方法已逐渐成为该领域的研究热点，本文利用物理模型方法描述了琴弦的数学模型，并由此推导出了一种新的普通显式方程算法，该算法适于计算机实现，与LR二阶递昆系统算法相比，该算法不仅简单，而且还具有更高的仿真精度，这对乐器仿真，声音合成领域的科技人员有较好的参考价值。