基于模式能量比的海底声衰减系数反演

简正波的分离性能对简正波频散曲线、模式能量比等物理量的提取至关重要,这些物理量可以用来反演海底地声参数。本文分析了短时傅里叶变换(STFT)和warping变换两种方法在简正波分离上的性能的差异,并利用该两种方法提取模式能量比来反演海底声衰减系数。仿真实验和2018年冬季北海实验数据处理表明,warping变换在简正波分离上具有较大的优势,尤其是在近距离接收上。     

浅海非均匀水平阵宽带声场信号无源孔径扩展

大孔径水平阵对于浅海低频水声物理实验研究和应用至关重要,然而受实际情况制约,通常使用的水平基阵孔径十分有限,通过孔径扩展处理来扩展基阵孔径是一条重要途径。传统的无源孔径扩展方法是建立在均匀线阵、匀速相对运动和相干窄带连续信号的基础上的,难以适用于非均匀阵以及非连续宽带声源的情况。针对这些问题,提出了非均匀阵宽带声场信号的无源孔径扩展方法。使用静止布设在海底的非均匀水平短阵接收运动声源重复发射的宽带声信号,先开展均匀空间插值,然后在阵元域和波束域进行宽带扩展孔径处理。仿真和实验结果表明,在水深约70 m的浅海波导环境中,纵向间隔27.5 m的2个阵元接收20~200 Hz宽带声场,其空间插值结果与真值的相关系数大于0.99,说明宽带声场插值方法的合理性。在水平非均匀、纵向孔径250 m的短阵接收声场无法分析简正波频散特征的情况下,仿真和实验数据经过宽带无源孔径扩展处理得到孔径大于1 km的均匀线阵的声场,能高分辨区分各阶简正波,证明所提方法是有效的。      

一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在模态匹配和匹配场处理定位方法的基础上,提出了一种适用于具有液态半无限空间海底的浅海波导中声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以对脉冲声源接收信号的各阶简正波实现有效分离,由此得到各阶简正波的频域信号.海底相移参数是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,而各阶简正波的水平波数可以通过含有海底相移参数的表达式来表达.此外,由于声速剖面对简正波的各阶水平波数具有相近的影响,因此通过对任意两阶简正波进行联合处理,可以近似消除声速剖面对简正波水平波数差的影响.任意两阶简正波的水平波数差只近似用于海底相移参数、海深以及波导中平均声速三个参数有关,可以简单、快速地计算相应拷贝场,然后通过建立代价函数并对简正波模态进行匹配,可以实现对水下脉冲声源的被动测距.与传统的模态匹配定位方法相比,本文提出的方法既不需要使用水听器阵,又可以简单、快速地计算出拷贝场.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

浅海低频长线阵声源方位估计*

浅海大孔径水平阵信号估计近端射的低频声源方位时, 常规波束形成会产生明显的波束偏移和分裂现象, 从而造成单声源方位估计偏差。针对这一问题, 提出一种基于块稀疏压缩感知的声源方位估计方法。根据简正模理论, 将水平阵接收声场表示为方位角空间的块稀疏信号模型, 并通过块正交匹配追踪算法进行方位估计。仿真和2011年北黄海实验数据结果表明所提块正交匹配追踪方法可实现浅海波导环境下低频近端射的单个声源方位的准确估计。     

激冲次声信号简正波的分离

由于大气层的不均匀性,次声波分解成不同的简正方式来传播,它们有各自的相速度和群速度。当由一个声学阵接收次声波时,不同的简正波在声阵上产生不相同的时间延迟。本文根据各个简正波的主要能量分布在不同的频率区间,从理论上导出计算简正波相速度的平均数值和平均方位的方法,利用速度滤波估算出各个简正波的频谱,通过Weiner-Hopf滤波,从一个声阵接收到的数据中,估算出空间任何一点某个简正波的波形。最后给出了计算机模拟计算,其结果与理论上设定的十分接近。     

一种基于单水听器的浅海水下声源被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在群延迟理论的基础上,与warping变换处理相结合,提出了一种适用于浅海波导中宽带声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以实现对脉冲声源接收信号各阶简正波的分离提取,对分离后的简正波进行时频分析处理可以得到各阶简正波到达时刻和频率之间的关系,即各阶简正波的频散曲线,从而得到任意两阶简正波到达接收水听器的时延差.海底相移参数P是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,在海底环境参数未知而P已知的情况下,利用P和简正波水平波数之间的关系可以求得任意两阶简正波的?S_(g,mn)(群慢差).根据群延迟理论,利用得到的任意两阶简正波的时延和?S_(g,mn)可实现利用单水听器对水下声源进行被动测距.本文提出的测距方法测量简单、计算方便,具有较强的实用意义.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

一种浅海声简正波近场分离方法

针对浅海环境下声简正波的近场分离问题,提出了一种基于频率-波数(Frequency-Wavenumber,F-K)变换的分离方法。该方法通过对由近场水平多道接收信号所组成的水声信号矩阵进行F-K变换,将二维接收信号矩阵从时间-空间域转换至频率-波数域,由提取频率-波数域上各阶简正波各频点的波数实现对信号中各阶简正波的分离及频散特性提取。数值模拟和水池实验对本方法在实际研究中的可靠性和有效性进行了验证,表明在500 m距离内利用本方法能可靠分离Pekeris波导中200 Hz以下各阶简正波。      

利用简正波频散特征映射方法进行海洋环境参数反演

浅海波导中传播的脉冲信号可以通过频散特征映射方法(warping变换)进行简正波的有效分离,这使得频散曲线的获取更加容易和准确.利用简正波频散特征映射方法分析2010年南海声层析实验中单个阵元接收的声学信号,有效分离出各号简正波,并进一步通过Wigner-Ville分布处理提取出波导中各号简正波的频散曲线.将提取的频散曲线与理论计算到达时差进行匹配,实现了利用单水听器信号的海洋环境参数反演.实验结果表明:将简正波分离与Wigner-Ville分布相结合可有效消除Wigner-Ville分布在估计多分量信号时的交叉干扰,提取的频散特征可很好地用于同时反演海水和海底声速剖面。为评价反演结果的有效性,对反演结果进行了后验概率分析,并将一小时内的海水声速剖面反演结果与温度链实测值作对比,二者符合较好.      

基于垂直阵模态分解的低频水声信号盲解卷处理研究

研究了基于人工时反处理的水声信号盲解卷方法,并在此基础上提出了一种基于简正波模态分解的低频水声信号的盲解卷处理方法。该方法适用于浅海波导中垂直阵接收的远程低频水声信号的盲解卷处理。该方法首先从浅海中垂直阵接收的信号中提取(估计)出波导中传播的简正波模态函数信息,然后,根据估计的模态函数信息通过模态滤波来实现水声信道盲解卷处理。针对典型的浅海波导环境,进行了计算机仿真试验,结果表明:(1)远程低频条件下,模态分解方法可以从垂直阵接收的信号中提取出波导中有效传播的模态函数信息,因此这种方法解决了目前人工时反处理方法需要准确的模态函数先验信息的问题;(2)在一定带宽条件下,接收信号信噪比较低时,本文给出的这种基于模态滤波的盲解卷方法比人工时反处理具有更好的解卷性能。     

浅海大孔径水平阵列频移补偿定位方法

浅海波导中简正波干涉使得声场水平相关随距离出现振荡,利用声信号水平距离-频率干涉规律推导了不同阵元接收信号间的频移补偿关系式,结合大孔径阵列阵元空间分布离散度高的特点提出适用于声源频谱缓变信号的定位方法。利用频移补偿量随声源位置的变化,将两两阵元组合输出的模糊度平面叠加实现水平二维平面定位。仿真结果表明方法定位性能良好,对环境参数失配宽容性好。频移补偿后的线性相位关系有效提高了接收信号间的相关性,进而提升大孔径阵列的处理增益。阵列的孔径优势提高了空间分辨能力,模糊度平面峰值-背景比高。海试数据验证表明, 10～80 km测距结果平均相对偏差为5.68%,二维平面内定位结果平均距离偏差为0.78 km。     

一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.     

浅海波导中折射类简正波的warping变换

Warping变换可以实现单水听器浅海低频声波导的简正波分离.本文讨论了海水声速随深度线性减小浅海波导中折射类简正波的warping变换.理论推导了海水折射类简正波水平波数、频域相位及瞬时相位的表达式,由此提出了相应的时域和频域warping变换算子,并由仿真数据进行了验证.本文的理论推导过程同样适用于海水声速线性增大或海水折射系数的平方随深度线性变化的浅海波导.     

利用简正模态相位关系的浅海声源深度分辨方法

针对浅海波导声源深度分辨问题,本文提出了一种利用简正波的相位关系进行声源深度分辨的方法。该方法通过对垂直阵接收到的信号进行简正波分解,得到简正波系数,在已知声源距离的情况下通过对简正波系数项的处理得到各阶简正波的相位关系,根据相位关系估计声源的深度区间。该方法在阵元数较少时依然可以分辨声源深度,而且对宽带信号、窄带信号、连续信号和脉冲信号均适用。理论分析和数值仿真的结果说明:只有近水面处声源激发的简正波满足相位一致的特性,利用此特性可分辨水面水下目标。仿真和海试结果证明:在海水声速随深度不变或缓变的水文环境下,该方法可以准确的分辨声源深度区间,并且在深度采样不充分的情况下仍然适用。      

运动小孔径水平基阵估计目标深度

针对浅海动态声场,基于简正波模型提出了一种利用运动小孔径水平基阵估计目标深度的方法。通过合成孔径算法将运动小孔径水平基阵扩展成虚拟的大孔径水平基阵,利用稀疏近似最小方差准则可以在相对较小的合成孔径上估计各阶简正波模态能量,不同深度的模态匹配度由Camberra距离的负指数度量,目标深度估计结果是模态匹配度最大值对应深度。数值仿真与实验结果表明,在简正波声场结构基础上,声源频率越低则实现目标深度估计需要的合成孔径距离越小,当声源与阵列端射方向成一定角度时,对所需合成孔径的影响与其相对速度变化时的影响相同,在典型浅海水平分层波导中,当单阵元输入信噪比为10 dB时,准确估计200 Hz和350 Hz声源的深度,分别要求合成孔径大于12倍和16倍波导深度。利用实验数据验证了该方法对水下低频线谱声源的深度估计能力。      

低频大孔径线列阵声纳在海底反射区的测向性能分析*

与深海直达声探测、会聚区探测不同,在海底反射声探测模式下,低频大孔径线列阵声纳采用常规阵列信号处理方法,会产生测向误差增大和方位分裂等测向性能下降现象。目前,关于海底反射声探测模式下测向性能下降程度的预报、测向性能下降现象出现的区域位置预报等方面尚缺乏研究。本文针对该问题,提出一套海底反射区声纳测向性能预报方法。该方法以深海声场存在“简正波簇”现象及高阶“简正波簇”在角谱域分布具有稳定性等分析结论为支撑,提出高阶“简正波簇”角谱域分布向空域分布的转换方法、高阶简正波簇引起的测向误差量值预报方法、不同高阶简正波簇干涉产生多目标现象的条件的计算方法,实现了对低频大孔径线列阵声纳在深海海底反射区不同位置的测向误差预报、目标方位分裂现象产生的位置和目标角度范围要求预报。结合典型条件下的预报结果,本文提出了下一步开展低频大孔径线列阵声纳深海海底反射区环境适配信号处理方法的研究方向。     

浅海波导中简正波干涉特征频率增强

针对浅海波导中水平线列阵接收的低频宽带低信噪比信号，提出了一种利用多拍信号相干累加来提高干涉简正波特征频谱信噪比的方法。这种方法主要针对未知距离和声源形式的运动声源，对不同时刻（或接收距离）处阵列输出信号进行WARPING变换，基于干涉简正波特征频率不变性原理，通过距离和径向速度比值的搜索来使得不同时刻或距离处信号自相关函数WARPING变换后频谱具有近似相同的特征频率，进而通过相干累加来增强信号干涉简正波特征频率。仿真和海上实验数据分析均验证了方法的性能。     

拖曳阵被动合成孔径目标深度稳健估计

使用水下无人平台作为载体的拖曳阵进行被动目标深度估计具有灵活性高和隐蔽性好的优点,针对实际应用中存在的平台自噪声和阵列瞬时随机加速度扰动问题,提出了一种稳健的目标深度估计方法。该方法分为三个步骤,首先对阵元接收信号进行自适应噪声抵消和相位抖动滤波,然后对声压进行距离积分实现简正波模态估计,最后计算模态匹配度,最大值对应的深度为目标深度估计结果。仿真表明在干扰背景下该方法的目标深度估计稳健性优于传统方法,声源频率、合成孔径距离和信干比决定了目标深度估计误差。利用实验数据验证了该方法对水下低频线谱声源的深度估计能力。     

Comparison of hybrid three-dimensional modeling with measurements on the continental shelf

During the CALOPS 2007 experiment, off the coast of Fort Lauderdale, Florida, three-dimensional (3D) multipath was observed using a bottom mounted horizontal line array during source tows along the 200 m isobath [Kevin D. Heaney and James J. Murray, J. Acoust. Soc. Am. 125(4), 1394-1402 (2008)]. In this paper a hybrid modeling approach is presented to model the 3D sound on the Florida shelf, nearly shaped like the canonical wedge. The hybrid approach combines vertical acoustic normal modes with the parabolic equation solution (in range/cross-range). The approach is shown to satisfy the 3D Cartesian-coordinate wave equation in the limit of adiabatic mode propagation. In the adiabatic mode parabolic equation (AMPE) approach modal phase speeds vs position are used as the input to the parabolic equation computation with dimensions of easting (km) and northing (km). Vertical adiabatic modes and horizontal rays are also computed to illustrate the 3D multipath arrival. The AMPE field is computed for all the modes for each element of the horizontal array. Beamforming vs source range is then conducted and excellent agreement with data is achieved.