浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。     

浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。      

单水听器波导不变量被动测距

本文主要讨论利用声场干涉现象由单水听器被动测距的可行性及测距性能,为此提出了单水听器波导不变量被动测距方法,通过提取LOFAR图上干涉条纹、使用简正波模型计算波导不变量、频域相关法估计相对速度,最后依据干涉条纹方程得到声源距离估计量。数值仿真和海上实验结果验证了单水听器被动测距的可行性,并具备一定测距性能,在3 dB信噪比环境中,对于7 km处的运动声源,平均测距误差小于5%。本文方法具有设备简单、易于推广至阵列信号处理等特点,为声纳信号处理环境宽容性的提高及环境适配声纳的设计开拓了思路。     

基于声场干涉结构的双水平阵(元)被动测距

为探寻适用于拖曳线列阵声呐的被动测距方法,基于海洋波导的重要特征一低频声场具有稳定可观察的干涉结构,结合波导不变量理论提出了两种被动测距算法。采用双水平阵(元)模型,分别获得各阵(元)的LOFAR图和方位时间历程后,对LOFAR图进行Radorn变换提取干涉条纹的频率时间历程,进而结合各测距算法实现被动测距。并通过仿真研究和定位精度分析,验证了算法的可行性。      

利用波导不变量的浅海负跃层声源深度判别

在夏季负跃层水文条件下,声源激发的声场同时存在折射类和反射类简正波,导致通过分离简正波进行深度判别的方法性能下降甚至失效·提出了一种利用波导不变量判别声源深度的方法。当接收器位于负跃层以下时,水面声源和水下声源的波导不变量数值不同。在本文的仿真条件下,水面声源波导不变量约等于1,当声源位于负跃层以下时,波导不变量大于1.利用频域warping变换从干涉结构中提取与实际距离成线性关系的时域脉冲,可以在未知声源距离的情况下,从声场干涉结构中获得声源激发声场的波导不变量,从而在夏季负跃层水文条件下进行声源深度判别。方法无须声源与接收器存在最近经过距离,可适用于单水听器或水平阵波束形成后输出的LOFAR谱.仿真结果证明,方法可以提取水面目标和水下目标的时延轨迹并计算干涉条纹的波导不变量。最后,对海试实验数据进行分析处理,从水面声源的干涉条纹中提取波导不变量,证明了方法的有效性。      

水下目标被动测距的一种新方法:利用波导不变量提取目标距离信息

水声学中波导不变量的研究是近30年来引人注目的课题之一。水下目标辐射噪声的直达波和海面、海底反射波之间的干涉现象中隐含有下水目标的距离信息。提取这种距离信息就为水下目标的被动测距提供了一种新的途径。理论分析和实际海试都证明,甚至单水听器的LOFAR(Low Frequency Analysis Record)图都隐含着目标的距离和运动信息。本文给出利用波导不变量提取目标距离信息的理论推导,证明了在形成干涉条纹的外界条件具备时,利用多个水听器构成的基阵也能以较大增益提供目标距离信息。虽然组成基阵的每一水听器出现干涉条纹的条件是有差异的。这种差异在波束成形时可以加以利用和补偿。本文提出的理论和部分仿真、海试结果为水下目标被动测距和目标识别提供了一种新的途径。      

基于波导不变量的目标运动参数估计及被动测距

结合波导不变量的概念推导了中近程目标的干涉条纹方程,它表明在浅海声场中此干涉条纹为一族类双曲线.采用Hough变换对LOFAR图和方位-时间历程进行处理,可以估计反映环境信息的波导不变量β、航向角(φ)以及最近通过距离和航速比r0/v.仿真研究和海试数据分析均表明,低频声场确实存在稳定的干涉结构,结合图像处理手段进行参...     

波导不变量误差对频域β-warping变换及浅海被动测距的影响*

频域β-warping变换可将接收信号自相关函数中简正波互相关部分,变为时域上时延随声源距离线性增大的脉冲序列。对信号自相关函数进行β-warping变换需要已知波导不变量值。但是,在实际应用中,很难获得波导不变量的准确值。研究表明,在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,如果估计得到的波导不变量为其真实值的q倍,那么频域β-warping变换后得到的脉冲时延也会变为波导不变量取真实值时的q倍。进一步研究表明,在水平不变浅海波导中采用频域β-warping变换进行被动测距时,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果仍与真实距离符合得较好。     

动态加权的多频段距离特征量数据融合方法

距离特征量反映了目标距离变化规律,该观测量可由基于LOFAR谱图的距离特征量提取方法得到。为解决单一频段提取的距离特征量精度不高的问题,本文基于最优加权平均法,提出了多频段距离特征量值提取技术。针对该方法在实际应用中无法准确得到距离特征量解算值误差的标准差,提出了一种对方差进行实时估计的动态加权融合方法。试验数据处理结果表明,融合后精度明显提高。     

利用宽带声场干涉结构特性对移动船只距离的连续估计

浅海移动船只的宽带辐射声场在距离-频率上通常表现为有规则的干涉条纹结构,这些条纹的特性(数目和斜率)可用波导不变量理论来表征并已被用于多种水声反演问题中,如沉积层声学参数反演和宽带声源距离的估计。基于波导不变量理论和干涉条纹的结构特性,利用扩展卡尔曼滤波器分析移动船只LOFAR图中干涉条纹的距离-频率特征可对其距离进行连续估计。该方法不需要海洋环境的信息和前向拷贝声场计算,具有较高的计算效率。海试数据处理结果和GPS数据计算结果比较一致,证实了本方法的准确性。试验数据处理同样证实该方法对初始距离的选择有着较高的稳健性。      

Passive ranging based on acoustic field interference structure using double arrays(elements)

Two kinds of passive ranging algorithms are proposed combined with waveguide invariant theory based on the important characteristic of the ocean waveguide that the interference structure is stable and can be observed in the low-frequency acoustic field,in order to explore the passive ranging method suitable for the towed line array sonar.The double arrays (elements)model is adopted,so the LOFARgram and bearing-time records of the each array (element)can be obtained.Then the frequency-time records can be extracted by processing the LOFARgram via Radon transform,so the passive ranging can be achieved combined the corresponding ranging algorithms.And the feasibility of the algorithms has been verified by simulation researches and positioning accuracy analysis.     

声强谱频移补偿的波导不变量和距离估计方法

基于声强的距离一频率干涉结构,利用对水平阵不同阵元信号的声强谱进行频移补偿的方法估计波导不变量和距离。在波导不变量和距离其中一项已知的情况下,可以通过该方法估计另外一项。利用2011年12月北黄海水声实验中拖曳声源发射和海底水平阵接收的线性调频信号,通过上述方法估计了不同距离处的波导不变量。结果显示波导不变量的估计值在0.8到1.2之间变化,其均值与利用实测海洋环境计算的理论值符合良好。同时,利用相同的信号和波导不变量的理论计算值,通过上述方法在不同时刻进行距离估计,结果与GPS测量距离基本一致。      

Effect of shallow water internal waves on ocean acoustic striation patterns

Contour plots of underwater acoustic intensity, mapped in range and frequency, often exhibit striations. It has been claimed that a scalar parameter 'beta', defined in terms of the slope of the striations, is invariant to the details of the acoustic waveguide. In shallow water, the canonical value is β=1. In the present paper, the waveguide invariant is modelled as a distribution rather than a scalar. The effects of shallow water internal waves on the distribution are studied by numerical simulation. Realizations of time-evolving shallow water internal wave fields are synthesized and acoustic propagation simulated using the parabolic equation method. The waveguide invariant distribution is tracked as the internal wave field evolves in time. Both random background internal waves and more event-like solitary internal waves are considered.     

Effect of shallow water internal waves on ocean acoustic striation patterns

Abstract

Contour plots of underwater acoustic intensity, mapped in range and frequency, often exhibit striations. It has been claimed that a scalar parameter ‘beta’, defined in terms of the slope of the striations, is invariant to the details of the acoustic waveguide. In shallow water, the canonical value is β=1. In the present paper, the waveguide invariant is modelled as a distribution rather than a scalar. The effects of shallow water internal waves on the distribution are studied by numerical simulation. Realizations of time-evolving shallow water internal wave fields are synthesized and acoustic propagation simulated using the parabolic equation method. The waveguide invariant distribution is tracked as the internal wave field evolves in time. Both random background internal waves and more event-like solitary internal waves are considered.     

Striation-based beamforming for estimating the waveguide invariant with passive sonar

The waveguide invariant summarizes the pattern of constructive and destructive interference between acoustic modes propagating in the ocean waveguide. For many sonar signal-processing schemes, it is essential to know the correct numerical value for the waveguide invariant. While conventional beamforming can estimate the ratio between the waveguide invariant and the range to the source, it cannot unambiguously separate the two terms. In the present work, striation-based beamforming is developed. It is shown that the striation-based beamformer can be used to produce an estimate for the waveguide invariant that is independent of the range. Simulation results are presented.     

基于波导不变量的空中和水下声源分辨方法

波导不变量反映了水下声场多途传播的干涉结构特征。将波导不变量的提取分析应用于空气中声源产生的水下声场,通过数值仿真分析了波导不变量分布随深度的变化,提出了利用小深度接收声场提取的波导不变量分布来分辨空中和水下声源的方法。分析了空气中声速和风速剖面对该方法的影响,指出在实际海上环境条件下,当出现逆温现象或者当接收器在声源下风方向时,该方法是有效的。