利用深海海底声反射区频域干涉结构的声源深度估计方法

提出了一种基于深海海底声反射区声场频域干涉结构特征的水下宽带近海面声源深度估计方法。该方法通过建立深海海底声反射区到达声场结构模型,推导了垂直阵接收信号波束输出幅度谱的近似表达式,利用幅度谱与声源深度和垂直到达角(俯仰角)之间的周期变化关系,将接收信号映射到深度-垂直到达角域中,实现了对宽带声源的深度估计。仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性,南海实验结果表明:利用阵长为64 m的垂直短阵接收标定深度为50 m和100 m的双弹信号,得到的深度估计结果同实际声源深度吻合较好,估计误差不超过7%,验证了该方法的有效性。     

利用阵不变量的浅海宽带声源距离深度估计方法

现有阵不变量方法未能确定声源深度,且通常对远距离声源的测距误差较大。针对这一问题,提出一种利用阵不变量的宽带声源距离深度估计方法。该方法先对宽带接收信号进行频域波束形成和傅里叶逆变换，转换到波束-时间域以实现模态分离，波束-时间域各峰值位置的连线形成波束时间迁移曲线,曲线形状由阵不变量参数决定且与声源距离相关,曲线上能量分布由各阶模态激励决定且与声源深度有关;再沿波束时间迁移曲线提取波束时间强度并进行匹配处理,最终实现声源距离深度估计。SWellEx-96实验数据处理结果表明,本文所提方法的声源距离和深度估计平均相对误差分别为3.9%和3.4%,而常规阵不变量方法的平均相对测距误差为5.1%,验证了所提方法的优越性能。     

深海中利用单水听器的影区声源无源测距测深方法

在典型深海情况下当声源与接收水听器位于海水表层时,在影区内由声源海底接收器、声源海面海底接收器、声源海底海面接收器和声源海面海底海面接收器4条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,随着收发距离的增加而增大,分别随着声源深度、接收水听器深度的增加而减小。因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现宽带声源目标的无源测距测深,仿真分析验证了其有效性。在南海深海声学实验中观测到海面宽带噪声源在声场影区所形成的声场干涉结构,数据分析结果验证了深海声场干涉结构用于声源无源定位的有效性。与传统无源定位方法相比,该方法不需要宽带引导声源、精确的海底声学参数和大规模的拷贝场计算。      

水下水平阵对空中运动声源的线谱探测

由于空气、海水介质声阻抗差异巨大,空中声源辐射的噪声透射入水的能量损失很大,加之水中声源目标的干扰,从水下探测空中声源相对困难。海试数据分析表明,空中高速运动声源噪声透射入水后信号较弱,在频繁存在干扰的水下声场环境中,常规宽带波束形成方法难以生效.针对空中声源普遍存在线谱的特点,首先利用线谱识别、提取与跟踪以及线谱加密技术对水下水平阵接收信号进行线谱分析,再通过剔除强干扰目标的线谱,成功分离出包含空中声源的线谱信号,实现对空中运动声源的探测,最远距离达16.8 km。通过理论和实验数据分析,验证了探测结果的正确性.      

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。      

不同频段下利用虚拟接收方法的声源测距性能分析

考虑到传统的匹配场处理定位需要复杂的匹配声场计算,并对环境参数和声场模型有很高的依赖,为了克服这种缺点,采用虚拟接收方法对声源进行测距。首先对垂直阵接收到的引导声源和目标声源的信号进行相关处理,得到虚拟接收声场并估计虚拟接收声场干涉条纹的斜率,结合波导不变特征量β对目标声源进行测距。通过数值仿真和2004年南海实验数据处理,讨论了浅海斜坡海域环境中不同频段下利用虚拟接收方法对宽带声源测距的性能。随着频率升高,需要展宽频带以获得完整的干涉条纹和良好的测距结果。在实验数据处理中,选取频段较高的信号时,由于阵列间距偏大不能保证采样的简正波模式的正交归一特性,不能获得正确的测距结果。      

基于路径选择的深海水下运动目标被动深度估计

深海水下运动目标的深度估计是目标分辨与识别中的重要一环。基于深海运动目标在深海中的直达波与海面反射波的到达时延与位置之间的关系，寻找时延图上运动目标的候选路径，利用候选路径模拟目标的运动路径，提出了一种可用单水听器实现的水下运动目标深度估计方法。通过用候选路径的估计时延与实际接收时延的比较对路径进行筛选，从而减少了需要的位置先验信息。2018年在南海进行的深海实验数据处理的结果表明该估计方法可行，对于实验中距离15km以内的拖曳声源，深度相对估计误差可以达到15%以内。     

能量加权时间特征用于浅海声源深度类型判别

针对浅海水面与水下低频宽带脉冲声源深度类型判别问题，提出了一种水平线列阵接收时利用能量加权到达时间特征判别声源深度类型的方法，并给出了工作频段选择的方法。该方法在脉冲宽度内以能量作为权值，对到达时间加权平均，将时间加权平均值与脉冲到达接收阵初始时间值的差值作为评判量，定义合适的水面与水下声源深度界限后，将评判量与拷贝声场中深度界限对应阈值比较，实现声源深度类型判别。经仿真数据验证，方法在等声速、负梯度、温跃层水文环境下的近距离声场均可实现。分析了声源距离、声源方位、海深、水平阵接收深度及阵列孔径等参数对方法性能的影响，进一步分析了声源距离失配、海底纵波声速失配、海深失配时方法的鲁棒性。除海底纵波声速失配时的影响较大外，方法具有较好的鲁棒性。     

基于矢量水听器的深海直达波区域声传播特性及其应用

对于深海近水面声源产生的声场, 处于较大深度处的接收器在一定水平距离范围内能接收到直达波. 2014年在某深海海域进行的水声考察实验中, 应用深度为140 m的拖曳声源发射实验信号, 布放在水下3146 m深处的矢量水听器成功地接收到了直达波信号. 本文应用射线理论, 分析了深海直达波区域声场的传播特性, 得出了水平振速与垂直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角以及收发水平距离之间的关系. 在以上分析的基础上, 提出了一种利用水平振速与垂直振速的能量差估计声源距离的方法, 并结合2014年实验数据对实验中两条航线上8 km范围内的目标声源进行了测距, 测距结果与目标的GPS数据符合得较好.     

基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法

浅海波导运动声源定位研究中,在声源距离未知时估计声源深度一直是个具有挑战性的问题.现有深度估计方法对声源未知初始距离敏感,且要求声源运动形成的水平合成孔径长度远大于模态干涉长度.针对这两个问题,本文提出一种基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法,首先将垂直阵接收声压数据在深度和水平合成孔径方向分别进行波束形成变换到波束-波数域,波束-波数平面的峰值幅度仅包含与声源深度有关的模态激励,峰值位置与模态传播角和水平波数相对应;然后,在波束-波数平面内提取各峰值幅度,并与拷贝计算的模态深度函数进行非相干匹配,实现声源深度估计.所提方法在波束-波数二维平面内进行模态分离,消除了声源距离相关项,提高了模态分辨能力,可在声源初始距离未知和水平合成孔径长度小于模态干涉长度的情况下实现声源深度估计.仿真和SWellEx-96实验数据处理结果验证了所提方法的优越性能.     

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。     

线阵声强缩放方法在水下声源辐射功率估算中的应用

为了解决水下声源辐射声功率难以计算的问题,利用线阵声强缩放方法在波束形成声源识别的基础上,根据波束输出结果与声源辐射声功率之间的换算关系来获得相应的声功率。为了提高线阵声强缩放方法的水下声功率估算精度,给出了一定动态范围限制的主瓣区域积分方法,并通过仿真验证了该方法的有效性。在消声水池中开展了水下声功率估算的实验研究。在不同的测试距离下,对双声源条件下的单频以及宽带声源在阵列侧的辐射声功率进行了估算,以混响法的测量结果为参考值,研究了估算误差随声源频率、测试距离等影响因素的变化规律。实验结果表明,无论是单频还是宽带声源,声功率的最大估算误差不超过2.6 dB,在高频时不超过1.6 dB。验证了线阵声强缩放方法应用于水下声源辐射声功率估算的正确性与可行性。      

高精度球面阵聚焦声源定位方法研究

提出了一种高精度高空间分辨率球面阵聚焦声源定位方法——虚拟源法。该方法通过球面阵波束扫描获得实际声源的空间聚焦谱,并假定各扫描点为虚拟声源,将实际声源聚焦谱看作是全体虚拟源共同作用的结果,由此得到各虚拟源对声场的贡献量,从而可实现声源精确定位。仿真研究分析了频率,阵列孔径,声场模态阶数,信噪比等参数对声源定位性能的影响,并与常规算法进行对比。结果显示,该方法不受频率和阵列孔径的限制,避免了空间“混淆”,能够进行高精度高分辨率声源定位,并具有良好的背景噪声抑制能力。      

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。      

基于拖曳倾斜线列阵的海底反射损失提取方法

在浅海环境中,海底声学参数对水下声场的精确预报十分重要.现有的海底声学参数反演方法大多数是采用固定垂直阵进行的,其缺点是不能实施大面积、高分辨的走航式反演.在已提出的垂直阵海底反射损失反演方法的基础上,研究了基于三种线列阵阵形的海底反射损失提取方法及其特点,提出了基于拖曳倾斜线列阵与三个声源组合的走航式海底参数快速获取方法,并对该方法进行了误差分析.研究结果表明：覆盖同样的掠射角范围,垂直线列阵需与多个距离的声源组合,拖曳水平线列阵只需一个声源组合但需要采用较大的物理孔径,拖曳倾斜线列阵综合了垂直阵和水平 关键词： 水下声场预报 海底声学参数 海底反射损失 拖曳倾斜线列阵     

利用海底反射信号进行地声参数反演的方法

针对现有反演方法的缺点,提出了一种基于海底反射信号的地声参数高分辨反演方法.它利用短距离声源在不同深度上发射宽带线性调频信号,采用垂直阵进行接收,首先通过匹配滤波方法提取多径到达信息,然后利用海底反射损失曲线,反演海底表层的声速和密度,最后利用浅底层反射信号估计沉积层参数.由于海水中直达波受到内波的强烈影响,选择海底表面反射作为参考,用以可靠地计算浅底层反射的相对到达时间和幅度,从而估计出沉积层的厚度、速度和衰减系数.通过海上实验,验证了利用浅底层反射信号反演参数的有效性. 关键词： 海底参数 反演 浅底层反射信号     

Experimental study of mode selection in shallow-water sea

The possibilities of matching low-frequency underwater sound pulses to the parameters of an oceanic waveguide are considered. The objective is to optimize the system of few-mode tomographic observation in a shallow-water sea. Experimental data are analyzed for two methods of selecting the low-frequency fewmode pulses propagating in a shallow-water sea. The first method excites probe pulses by vertically elongated arrays, with spatial filtering after vertical or horizontal arrays receive the pulses. The second method is based on exciting broadband signals with linear frequency modulation by a single transmitter. The selection of the few-mode signal is performed by time strobing the signals at the output of the matched filter after a horizontal array receives the pulses. The distance between the sound sources and receiving systems varied from 10 to 300 km.     

Space-time and frequency-phase stability of the acoustic field in the underwater sound channel

The space-time and frequency-phase stability of the acoustic field is studied for the case of long-range propagation in the underwater sound channel. The possibility of splitting the field components produced by the Doppler effect in the total interference structure of a monochromatic signal is revealed for different ranges, parameters of the channel inhomogeneities, and frequencies. The experiments are performed in summertime in the northwestern part of the Pacific Ocean, near the Kamchatka Peninsula, on a path of 2100 km. Highly stable sound sources with resonant frequencies of 230 and 380 Hz are used for the measurements. The sources are towed at a depth of 70 m with a speed of 5–6 knots. To receive the signal near the channel axis, a bottom-moored (at a depth of 200 m) stationary system is used. The width of the sound beams is studied, and the broadening limits of the frequency spectra are estimated for the coherent and incoherent field components in the case of super-long-range sound propagation. The phase velocities of the split components are determined.