课题基金 / 基金详情

光纤-Mie共振结构复合弱声场增强感知与探测技术

批准号:
12104114
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘子耕
依托单位:
学科分类:
声材料、换能器和测量
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘子耕

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
声学目标定位技术在军事防御、医疗辅助、工业诊断等领域都发挥着重要作用。为了解决传统声学目标定位系统弱信号拾取能力差、系统结构复杂、抗电磁干扰能力弱等问题,本项目拟利用光纤传感器抗电磁干扰、结构紧凑优势与声学Mie共振结构声场放大特点,开展基于声学Mie共振结构的光纤复合型声感测系统理论和应用研究。本项目将从理论和实验两方面系统研究局域偶极子、四极子Mie共振模式下的声学超构材料声波调控机理,解决待测信号在声放大后的相位一致性问题,结合纤细光纤声学传感器,重点研究声学Mie共振结构与光纤声学传感器的声耦合机制,根据Mie共振结构超构材料声波响应频段设计新型光纤声学传感器,研发传感器制备方法,搭建声学Mie共振结构光纤复合型声感测系统,建立基于时延估计法的定位阵列,实现弱信号声学目标探测和精确定位。通过本项目的研究,构建声-光复合型声感测系统,为高效声学目标测量与定位提供一种更优化的解决方案。
英文摘要
Acoustic target positioning technology plays a very important role in military defense, medical assistance, industrial diagnosis, and such other fields. To solve the problems including poor signal pickup capacity, complex system structure, and weak anti-electromagnetic interference ability of traditional acoustic target positioning system, this project intends to develop the research on both theoretical modeling and applications of the acoustic Mie resonance structure based fiber optic acoustic sensing system by using the anti-electromagnetic interference compactly fiber optic sensor and acoustic amplification characteristic of Mie resonance structure. This project will systematically study the sound wave control mechanism of acoustic metamaterials in the local dipole and quadrupole Mie resonance modes from both theoretical and experimental perspectives and solve the problem of phase consistency of the amplificated acoustic signal. The project will focus on the study of the acoustic coupling mechanism between the acoustic Mie resonance structure and the optical fiber acoustic sensor. We will design novel optical fiber acoustic sensors according to the acoustic wave response frequency band of the Mie resonance structure metamaterial and develop new sensor production methods. Finally, we will build an acoustic MIE resonance structure-fiber optic composite acoustic sensing system and a positioning array based on time delay estimation method for weak acoustic signal target detection and positioning. This research will establish an acoustic-optical composite acoustic sensing system based on the acoustic Mie resonance structure and optical fiber sensor and provide a more efficient solution for acoustic target measurement and positioning.
声学目标探测与定位是国防与工业建设的关键技术之一。被动无源声学目标探测与定位技术因其隐蔽性、灵活性等优势,已被广泛运用于军事、医疗、工业等各个领域。相较于主动有源探测,被动无源探测更具有传感隐蔽性,能够利用待测目标物自身发出的特定频率声波进行准确的探测而不暴露探测器位置。被动无源探测极限主要依赖于声波拾取传感器对微小压力变化的检测能力,然而,基本声学探测极限阻碍了当前声波拾取传感器的性能。为了解决传统声学目标定位系统弱信号拾取能力差、系统结构复杂、抗电磁干扰能力弱等问题,本项目利用光纤传感器抗电磁干扰、结构紧凑优势与声学Mie共振结构声场放大特点,开展了基于声学Mie共振结构的光纤复合型声感测系统理论和应用研究。通过等效媒质发和模态扩展理论,重点探究了声学Mie共振的多重共振模式,探究了其内部空间折叠结构的声波压缩放大能力,进一步结合有限元法仿真研究了结构体参数变化对共振模式的影响,解决了待测信号在声放大后的相位一致性问题;根据Mie共振结构超构材料声波响应频段,开展了多类型光纤法布里-珀罗干涉仪设计研究,建立了基于Buneman频率估计与干涉级次定位的联合解调算法和基于复数域交叉相关与干涉级次定位的光程差平均解调算法,大幅度提升了光纤法布里-珀罗干涉传感器的解调精度和速度;重点研究了声学Mie共振结构与光纤声学传感器的声耦合机制,搭建了声学Mie共振结构光纤复合型声感测系统,建立了基于时延估计法的定位阵列,实现了弱信号声学目标探测和精确定位。本项目的研究不仅在理论上深化了对声学Mie共振机制的理解,拓展了光纤传感技术的应用边界,而且在实践中为复杂环境下弱信号的高精度探测和定位提供了创新性解决方案,推动了多学科交叉融合。该技术有望在国防安全、医疗检测、工业监测等领域展现广阔的应用前景,提供更为可靠、隐蔽且高效的被动声学目标探测手段。
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