一种基于模态提取的深度和距离可变的时反聚焦方法

提出了一种基于模态提取的深度和距离同时可变的时反聚焦方法。首先,通过模态提取方法从时反阵列接收的探测信号中提取出波导中传播的模态函数信息,并且进一步地从中获得一个包含探测声源深度信息的对角阵以及一个包含探测声源距离信息的向量;然后,利用模态提取获得的信息对探测声源深度信息矩阵和距离信息向量进行调整,重新构造出时反阵列的一个接收声场向量信息,使得时反发射声场聚焦的深度和距离发生变化。这种方法克服了传统时反处理只能在探测声源位置聚焦的局限性,通过对探测声源深度信息矩阵和探测声源距离向量信息进行适当的调整,可以将时反发射的声场聚焦到探测声源以外的某个期望位置上。针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真试验验证了该方法的有效性。      

失配情况下匹配模处理方法研究

匹配场处理是一种水声学和物理学相结合的信号处理技术,其在水下目标定位方面的高精度特点使得该方法受到广泛关注。匹配模处理是工作在模态空间的匹配处理方法。相对于匹配场处理方法,匹配模处理方法通过选取受环境失配影响较小的模态参与匹配处理(然而匹配场处理方法使用了全部声场数据),减小环境失配对定位性能的影响。本文研究了简正波模型下的匹配模处理器,讨论了环境失配时匹配模处理器的性能,通过选取受失配影响较小的模态组合,得出的定位结果更加精确。     

界面混响的耦合简正波理论研究

利用耦合简正波理论分析了粗糙界面散射引起的混响。引入了粗糙海底以及海面引起的各个模态间的耦合系数表述粗糙界面对声场的散射过程。结合风浪谱Pierson模型,仿真了不同海况下的海面混响,重点在于分析不同海况下海面起伏对海底混响的影响。利用耦合系数的求解从粗糙海面引起模态间能量耦合的角度对这种影响进行了机理性的探究。结果表明,尽管在浅海中海底混响占支配性地位,但随着海况等级的增加,海面散射对海底混响是有影响的,而这种影响可以从粗糙界面对声波模态间的耦合进行机理分析。      

失配情况下匹配模处理的仿真研究*

匹配场处理是一种水声学和物理学相结合的信号处理技术,其在水下目标定位方面的高精度特点使得该方法受到广泛关注。匹配模处理是工作在模态空间的匹配处理方法。相对于匹配场处理方法,匹配模处理方法只处理声场中有关声源位置信息的数据(然而匹配场处理方法使用了全部声场数据),这样就可以减小环境失配对定位的影响。本文研究了在环境发生失配时,通过选取受失配影响较小的模态组合,得出的定位结果更加精确。     

前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强方法研究

结合时反算子分解和时反混响置零方法,提出了一种前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强新方法.利用目标回波出现时刻及其出现前后时刻的回波信号,通过时反算子分解获得目标距离对应的一个二维信号子空间和目标前后距离附近的海底聚焦权向量,根据该信号子空间和海底聚焦权向量,以目标前后距离附近的海底声场置零、目标处最大为约束条件,导出了时反阵的一个约束最优激励权向量.该方法解决了现有直接时反处理、混响置零方法以及时反选择性聚焦方法存在的局限性,可以在没有探测声源、没有目标和海底散射强度谁大谁小的先验知识的条件下,实现声场在目标处聚焦,同时在目标距离附近海底处设置混响凹槽,进一步增强回波信混比.针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真验证了所提方法的有效性及其改进的信混比增强能力.     

非规则封闭空间声场建模的Chebyshev-变分法及其固有声学特性分析

针对非规则封闭空间声场建模问题,提出了一种基于Chebyshev-变分原理的声场建模方法。该方法首先选取包络非规则声场的矩形空间并将此矩形空间内的声压函数展开成三重Chebyshev级数形式,然后通过坐标变换得到定义域空间中的声场势能和声场动能,最后按照里茨方法对声场的拉格朗日泛函进行求解,得到声场的特征方程并求得声场固有频率和模态。通过与曲面声场的数值结果对比,验证了本建模方法的正确性和有效性。在此基础上研究具有不同倾角的梯形声场固有特性,分析内部凹槽深度对"凹"型声场频率和模态的影响。结果表明,梯形声场模态会随着倾角增大而逐步演变;"凹"型声场低阶频率随凹槽深度的增加而逐渐减小,但第一阶频率却呈现先减小后增大的特点。      

浅海平均声场角度谱分析法与回波混响比的距离、深度结构

浅海平均声场角度谱分析法以Ray-mode理论为基础。引进平均声场角度谱的概念以后,可使浅海传播衰减、远程混响和空间相关等平均特性的一些计算变得较为简单。用该法在浅海负梯度和均匀层情况下,计算了远程混响和回波、混响比的距离、深度结构。理论证明,在非均匀层浅海远程探测中,深度可变声呐比固定声呐有较为明显的优越性。本方法和结果将有助于分析小掠角海底(面)散射的角度、频率依赖关系。     

非均匀波导中的声聚焦

理论研究了声波在非均匀波导中的空间聚焦问题,利用多模态导纳法构建波导内任意位置处声压与入射声压在模态域的映射关系,计算使声波聚焦于空间某位置时的最佳入射波,并画出了相应的聚焦声场.研究了三种非均匀情况:水平变截面波导、含散射体波导以及声速垂直变化波导.结果表明,当输入最佳入射波时,在非均匀波导中可以产生良好的单点或多点声聚焦效果,声波的聚焦过程充分地利用了波导结构及介质非均匀性对声波的散射作用.     

声场重构的声辐射模态阶数分析

利用声辐射模态法对椭球状声源辐射声场进行重构,分析了模态阶数对相对误差的影响,以及模态阶数与频率的关系;同时深入探讨了声源形状变化对模态阶数选取的影响。研究发现利用较少的模态阶数即可得到很好的重构效果,且声源形状的变化对重构所需模态阶数的影响较小,因此可将该方法用于任意形状声源的重构,体现了此方法在声场重构中的优越性。     

一种预测扩散声场在非规则形状刚性壁面附近干涉图样的方法

扩散声场会在反射边界附近形成干涉图样,研究方法包括平面波模型、简正模态分析、渐进模态分析等,但仅适用于尺度远大于声波波长的矩形声腔。提出一种预测扩散声场在非规则刚性壁面结构附近形成的干涉图样的数值方法,表明结构附近“受挡”声压的互谱矩阵取决于:(1)假定该结构在自由空间中振动辐射声音时其表面法向振速到表面及场点声压的边界元系数矩阵;(2)假定结构置于自由空间中且表面刚性时,点声源辐射声波入射到结构表面上产生的散射声场的边界元系数矩阵;(3)扩散声场均方声压。仿真表明,该途径预测的干涉图样与理论值完全吻合。该预测方法还可用于混响环境下声源附近直达声压均方值的空间分布估计,为混响环境下设备的声源定位提供帮助。      

Surface reverberation at sound field focusing in shallow water

A numerical experiment is carried out to study the long-range surface reverberation in the presence of intense surface waves for the case of using vertical transmitting arrays providing sound field focusing at different depths. To focus the field, a phase conjugation of acoustic waves from a probe source positioned at the focusing point is used. It is demonstrated that surface waves considerably affect the focusing quality at a distance of several tens of kilometers from the transmitting array. This prevents the efficient suppression of long-range reverberation by increasing the focusing depth.     

Echo-to-reverberation enhancement based on decomposition of time reversal operator with forward and backward reverberation nulling constrains

Combined the decomposition of time reversal operator and the time reversal reverberation nulling, a new time reversal processing approach for echo-to-reverberation ratio enhancement is proposed. In this method, a 2-dimensional signal subspace for the range of the target and two bottom focusing weight vectors for the ranges near the target are obtained by the decomposition of time reversal operator. From the signal subspace and focusing weight vectors, a constrained optimal excitation weight vector of source receiver array can be deduced to null the acoustic energy on the corresponding bottom and maximize the energy at the tar- get. This method remedies the shortages of conventional time reversal processing, time reversal reverberation nulling and time reversal selective focusing method. It focuses sound energy at the target and nulls the energy at the bottom near the target range simultaneously, therefore enhancing the echo-to-reverberation ratio without probe source and prior-knowledge of the relative scattering intensity of target and bottom. Numerical simulations in typical shallow water environments showed the effectiveness of the proposed method and its improved performance for echo-reverberation enhancement than conventional time reversal processing.     

浅海宽带简正模相干/非相干能量比值特征匹配的源深估计

无源声源深度估计一直是水声领域的一个难题。针对浅海波导中低频宽带脉冲声源深度估计问题,提出了利用单水听器接收信号中多阶简正模相干项能量与非相干项能量比值的特征匹配处理方法,不仅消除了声源未知激发谱的影响,而且由于在预先估计声源距离基础上实现对声源深度的独立估计,运算量小。同时,由于利用了实测数据与拷贝声场中具有相同简正模贡献的相干能量特征进行匹配,参数估计具有较高的稳健性。首先通过向量线性相关数学理论,在理想波导条件下讨论了简正模数目与源深估计单值性的关系,证明了仅利用两阶简正模时源深估计具有多值性,而声场含有三阶以上简正模时源深估计存在唯一解。进一步的仿真分析表明,当信噪比高于0 dB时源深估计结果的平均误差整体上在5 m之内。分析了水文参数、沉积层声学参数及声源距离失配时方法的鲁棒性。最后,利用浅海垂直阵采集的低频宽带脉冲实验数据对方法进行验证,声源深度估计结果绝对误差小于5 m的概率在79.1%以上。方法可推广应用于浅海水平或垂直基阵对低频宽带声源的深度估计。      

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

Long-range reverberation in a randomly inhomogeneous shallow water with the use of focused radiation

The low-frequency bottom reverberation in a randomly inhomogeneous shallow water is investigated within the framework of a numerical experiment using vertical transmitting arrays focusing the acoustic field at various distances from the sea bottom. It is assumed that the main source of sound velocity fluctuations in the medium is represented by background internal waves. To focus the field, a phase conjugation of acoustic waves from a probe source positioned at the focusing point is used. It is demonstrated that the reverberation level is mainly determined by the presence of internal waves and may vary by 5–20 dB as the distance from the focusing point to the sea bottom increases up to H/2, where H is the channel depth.     

Time reversal focusing with variable depth and range based on mode extraction

A method for time reversal focusing with variable depth and range based on mode extraction was proposed.First,the normal modes of acoustic propagation in the shallow water are extracted by modal decomposition from the probe signals received by a source receiver array.Furthermore,a diagonal matrix and a vector determined separately by the depth and the range of the probe source are extracted from the received acoustic field data.And time reversal focusing at different depths and ranges can be achieved by modulating the depth-dependent diagonal matrix and the range-dependent vector properly.Then the diagonal matrix and the vector are modulated separately according to the depth and the range of the expected focal location to construct a new acoustic field vector.When this new acoustic field vector is retransmitted by the source receiver array in time reversal order(or phase conjugation in frequency domain),focusing of the resulting acoustic field at the expected location rather than the origin of the probe source can be obtained.Numerical simulations in typical shallow water environment demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

Passive reverberation nulling for target enhancement

Echo-to-reverberation enhancement previously has been demonstrated using time reversal focusing when knowledge of the channel response between a target and the source array elements is available. In the absence of this knowledge, direct focusing is not possible. However, active reverberation nulling still is feasible given observations of reverberation from conventional source array transmissions. For a given range of interest, the response between the source array elements and the dominant sources of boundary reverberation is provided by the corresponding reverberation from this range. Thus, an active transmission can be projected from the source array which minimizes the energy interacting with the boundaries at a given range while still ensonifying the waveguide between the boundaries. As an alternative, here a passive reverberation nulling concept is proposed. In a similar fashion, the observed reverberation defines the response between the source array elements and the dominant sources of boundary reverberation at each range and this is used to drive a range-dependent sequence of projection operators. When these projection operators subsequently are applied to the received data vectors, reverberation can be diminished. The improvement in target detectability is demonstrated using experimental data with an echo repeater simulating the presence of a target.     

基于简正波分解的不同阵列匹配场定位性能分析

针对利用不同阵列对浅海环境中水下目标的定位问题,基于简正波分解方法,对组合阵的目标声源定位性能进行了研究,着力解决在实际实验环境下定位性能不够高的问题,并降低实验设备布放难度.在浅海环境下,基于匹配场理论的声接收阵可实现目标的定位,但定位性能受阵形、阵元数目等影响.通过研究不同声接收阵的简正波分解矩阵,可以有效辨别不同阵形定位性能的优劣.仿真实验表明,当某一子阵简正波分解效果较差时,会降低组合阵的定位性能.基于实际实验的需求,在对短垂直阵和组合阵性能的研究中发现,由于水平阵对接收声场的定位模糊度函数中的旁瓣有抑制效果,从而造成模糊度函数表面上旁瓣较低,定位目标的主旁瓣比有所提升的现象.仿真实验表明,不同组合阵形的定位准确度均在90%以上,基于实际应用的考虑,组合阵无疑是对定位性能和实验复杂度的折中选择.     

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.