基于虚拟时间反转镜的垂直阵舰船辐射噪声级测量方法

研究了利用垂直阵测量舰船辐射噪声过程中因水声信道的多径效应对测量性能产生的影响,建立了基于声场模型的舰船辐射噪声测量的数学模型,推导了基于虚拟时间反转镜辐射噪声测量的理论公式,提出了一种基于虚拟时间反转镜技术的垂直阵舰船辐射噪声级测量方法。该方法首先采用基于波束积分的SCOOTER模型,根据海洋环境参数计算出辐射声源至测量水听器之间的信道传输函数,然后,用计算出的信道传输函数对接收信号做虚拟时反处理,以消除或减弱信道多径效应对接收信号的影响,从而提高舰船辐射噪声级测量精度。针对典型的浅海声信道,进行了计算机仿真试验。结果表明,该方法能有效地进行舰船宽带辐射噪声测量,当阵元个数满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。      

匹配场处理舰船辐射噪声级估计方法

针对水声信道对舰船辐射噪声声传播的影响,进而导致声源级测量结果不准确的问题,提出了基于匹配场处理的舰船辐射噪声级估计方法。在海洋环境噪声为空间均匀高斯白噪声的假设下,当海洋环境参数已知、信噪比满足一定要求时,匹配场处理能有效地给出被测噪声源的位置信息及该位置处的能量响应。从能量估计角度出发,推导了声源位置处匹配场输出响应的能量修正因子计算公式,从理论上证明了匹配场处理在被测声源位置处输出响应与能量修正因子的乘积为真实声源级的最小方差无偏(MVU)估计。该方法首先选择合适的声场计算模型计算拷贝场向量,对接收到的辐射噪声信号进行匹配场处理,得出接收信号级和被测声源位置;其次利用该位置所对应的拷贝场向量替换能量修正因子公式中的真实信道传输函数以计算能量修正因子的估计值;最后由接收信号级与能量修正因子估计值相乘得出舰船辐射噪声声源级的MVU估计。针对典型的浅海水声信道,进行了计算机仿真试验,结果表明:该方法能有效地进行舰船辐射噪声测量,当信噪比满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。      

使用稀疏贝叶斯学习的水声多途信道盲估计

提出了一种使用稀疏贝叶斯学习(SBL)的多途信号盲解卷积方法对水声多途信道的信道脉冲响应(CIR)进行盲估计。该方法利用垂直阵和多频SBL获得宽带舰船声源在不同垂直到达角上的复数域多频点信号,取其相位对垂直阵接收信号匹配滤波,得到每条路径上的CIR,将多路径CIR相干叠加得到最终的多途CIR结果。仿真与海试数据处理结果表明,相比于原有的基于交替投影的多途信号盲解卷积方法,所提出方法有以下几个好处:(1)无需准确预估多途信号数目;(2)分离的多途信号的方位更准确且信号相位更可靠;(3)有效获取了舰船与阵列之间的CIR.并且将弱路径CIR的平均时间估计误差从4.7 ms缩小到1.0 ms.显著提高了弱路径CIR的时间估计精度。使用稀疏贝叶斯学习的多途信号盲解卷积方法能够有效提高多途环境下水声信道盲估计的性能。      

舰船噪声节奏的研究(Ⅱ)——自相关函数及节奏信息的提取

在前一篇文章的基础上,本文计算了叠加型调制的功率谱密度以及各种调制类型的自相关函数,与实验结果符合良好。研究结果表明,从舰船辐射噪声调制包络的功率谱密度和自相关函数中可以提取与舰船各种物理属性有关的丰富的节奏信息,同时探讨了提取这些节奏信息的有效方法。     

浅海波导环境失配下的协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计

实际浅海波导中环境噪声为相干噪声,最小方差匹配场声源功率估计方法能在相干噪声背景下准确估计声源辐射功率,但该方法受环境不确定性影响较大;此外,由于最小方差匹配场声源功率估计方法使用信号幅度作为中间量估计声源功率,信号幅度估计误差会二次放大并传递到声源功率估计结果中。本文提出一种协方差矩阵拟合稳健最小方差匹配场声源功率估计方法,该方法引入信道传递函数不确定集,结合协方差矩阵拟合思想将声源功率估计问题建模为在信道传递函数不确定集约束下对函数取极值的问题,使用Lagrange乘子法求解该问题得到信道传递函数估计值和声源辐射功率估计值。环境失配影响声源辐射功率估计性能的根本原因在于信道传递函数偏差较大,协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计方法有效减小了环境失配时信道传递函数的偏差,从而显著提升环境失配稳健性。此外,该方法使用权值直接估计声源功率,无需使用信号幅度作为中间量,避免了估计误差的传递。仿真验证了协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计方法的环境失配稳健性。     

非均匀海洋环境噪声中的匹配场处理舰船辐射噪声级估计方法

在实际舰船辐射噪声测量过程中,受非均匀海洋环境噪声的影响,导致常规测量方法的性能急剧下降,基于此,提出了一种非均匀海洋环境噪声背景中的垂直阵舰船辐射噪声测量方法。根据水声信道传播理论,建立了由海面多个空时独立均匀分布噪声源构成的非均匀背景噪声场模型,推导了非均匀海洋环境噪声场中垂直阵舰船辐射噪声估计的理论公式。针对典型的浅海水声信道,进行计算机仿真实验,分析了该方法的测量性能并与常规匹配场测量方法进行对比,结果表明:(1)该方法能有效克服非均匀海洋环境噪声对测量结果的影响,测量误差较小;(2)相同测量条件下,该方法测量性能优于常规匹配场舰船辐射噪声级测量方法;(3)当信噪比满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。      

非均匀海洋环境噪声中的匹配场处理舰船辐射噪声级估计方法

在实际舰船辐射噪声测量过程中,受非均匀海洋环境噪声的影响,导致常规测量方法的性能急剧下降,基于此,提出了一种非均匀海洋环境噪声背景中的垂直阵舰船辐射噪声测量方法。根据水声信道传播理论,建立了由海面多个空时独立均匀分布噪声源构成的非均匀背景噪声场模型,推导了非均匀海洋环境噪声场中垂直阵舰船辐射噪声估计的理论公式。针对典型的浅海水声信道,进行计算机仿真实验,分析了该方法的测量性能并与常规匹配场测量方法进行对比,结果表明:(1)该方法能有效克服非均匀海洋环境噪声对测量结果的影响,测量误差较小;(2)相同测量条件下,该方法测量性能优于常规匹配场舰船辐射噪声级测量方法;(3)当信噪比满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。     

结合主动时间反转算法的短基线定位研究

短基线声学定位技术是水下运动目标定位的重要研究内容。为了解决定位系统工作于浅水或近岸时多途扩展严重造成的时延估计误差和系统工作不稳定的问题,本文提出一种结合时间反转算法的短基线宽带应答定位技术,该方法利用短基线阵元发射宽带信号,通过应答器接收该信号时间反转处理后再返回给短基线阵元位置,实现信道多途的自适应聚焦,进而提高时延估计精度及信号检测的鲁棒性。仿真研究和湖上试验表明,该方法能够充分利用信道多途信息实现聚焦,减少信道多途对定位信号时延估计的影响,具有较强的抗噪声和多途干扰的能力。相对传统定位方法,该方法可以抑制短基线定位过程中误差及野点的产生,改善了物体定位导航的精度。      

统一载波测控系统下行信道噪声功率谱密度标定依据分析与探讨

噪声功率谱密度是测控设备下行信道的基本参数之一,反映了信道接收弱信号的能力。介绍了统一载波测控系统下行信道的基本组成及设计要求,分析了噪声功率谱密度在下行信道中的传递特性,提出了在不同信号电平、不同测控体制下噪声功率谱密度标定的基本依据和原则,为设备指标测试和航天测控任务参数设置提供参考和依据。     

舰船多辐射声源近距离通过特性的仿真

由于舰船三个特定部位(尾部、中后部、中部)的辐射噪声具有明显不同的功率谱特征,利用这些特征具有实际的意义。我们采用简化的近距离舰船辐射噪声三亮点模型来逼近舰船这三个特定部位的辐射噪声中的连续谱结构,采用时间滑动的卷积算法来重构舰船某一辐射噪声源的噪声序列,重构的噪声序列同时具有要求的幅度概率分布和功率谱形状。在重构不同辐射声源时域信号的基础上,对舰船辐射噪声的通过特性以及三个辐射噪声源在不同的接收位置的影响进行了仿真。仿真结果与实测的某型舰船的通过频谱结果相比较,表明其频域特征是大体一致的。     

传感器网络基于特征值分解的信号被动定位技术

基于传感器网络的信号被动定位技术在电磁学、声学、声呐系统以及传热学等领域具有广泛的应用前景,当传感器网络节点所接收噪声强度不同或传输信道存在阴影衰落效应时,给出了目标信号到达距离比定位关联度量的估计方法与基于信号到达距离比的被动定位算法.将特征值分解技术引入到信号到达距离比定位关联度量估计中,通过接收信号协方差矩阵特征值分解技术估计各节点所接收噪声强度,并通过网络参考节点轮换与特征值分解方法消除阴影衰落效应所引入的定位误差,最后给出该算法的最小二乘定位解.该方法可较好的消除由于节点接收噪声强度不同以及阴影衰落效应等因素所带来的定位性能恶化.     

随机共振法估计二水听器时延差

针对二元阵航船目标方位估计问题,提出了一种基于随机共振滤波的航船辐射噪声双水听器时延差估计方法。设计了一种随机共振滤波器,提取航船螺旋桨旋转噪声在水听器接收信号中出现的本地时间,并通过滤波结果的互相关来估计目标辐射噪声分别到达两个水听器的时延差。在5 dB的输入信噪比下进行200次仿真,提出方法时延估计的归一化均方误差要低于互谱方法一个数量级。对于海试中的非合作航船,提出的方法可以在1 km距离下准确估计出目标辐射噪声到达双水听器的时延差,从而为在二元阵上实现对航船目标的准确测向提供基础。      

一种改进的DVB-T信道估计算法

针对传统DVB-T系统信道估计算法估计精度低或复杂度高的问题,为了提高信道估计算法整体性能,提出了一种改进的DVB-T信道估计算法。该算法首先采用最小二乘法估计离散导频处频率响应估计值;进而,利用连续导频对信噪比进行估计;最后,将得到的信噪比估计值与预先设定的信噪比阈值进行比较,若估计值小于阈值,则先经过卡尔曼滤波处理,再在时频二维方向上用高斯插值得到全部子载波的频率响应值,否则直接在时域和频域上进行插值。此方法在信道条件较好时关闭卡尔曼滤波过程,从而有效减少滤波次数,提高算法整体运行速度。仿真结果表明,该方法能有效提高系统整体性能,减少在噪声影响较大时的干扰,同时也兼顾了算法整体运行速度。     

Particle Size Distribution by Combined Elastic Light Scattering and Turbidity Measurements. A Novel Method to Estimate the Required Normalization Factor

Turbidity (T) and Elastic Light Scattering (ELS) measurements can be combined to estimate the particle size distribution (PSD) of a polymer latex. To this effect a “normalization factor” must be employed to adequately scale both measurements. In a real application, such factor is a priori unknown, and it must be estimated for determining the PSD. In a previous publication, a method was proposed to simultaneously estimate the normalization factor and the PSD by solving an inverse nonlinear problem. In this work, a simpler technique is presented which estimates the normalization factor and the PSD by sequentially solving two inverse linear problems. To evaluate the proposed technique, a synthetic example based on a polystyrene latex sample with a bimodal PSD was solved. It is shown that, for slight noise measurements, the errors in the estimation of the normalization factor are quite small and have a low effect on the PSD recovery.     

基于哈达玛积扩展子空间的到达时间和波达方向联合估计

在窄带阵列天线正交频分复用系统的到达时间和波达方向联合估计中, 针对阵元数目较少时波达方向估计精度不高, 特别是多径数目大于阵元数目导致的波达方向无法估计问题, 提出一种基于哈达玛积扩展子空间的到达时间和波达方向联合估计算法. 该算法首先利用各阵元上的频域信道估计构成扩展信道频域响应矢量, 然后计算扩展信道频域响应矢量自相关矩阵, 并进行特征值分解得到哈达玛积扩展噪声子空间, 最后构造伪谱函数并进行二维谱峰搜索, 从而实现到达时间和波达方向的联合估计. 仿真结果表明, 与现有算法相比, 在复杂度没有大幅提高的前提下, 该算法的估计结果均方根误差更加接近克拉美罗界, 且到达时间和波达方向估计能够自动配对, 在多径数目大于阵元数目时依然适用.     

基于倾斜阵的距离与方位联合估计*

针对阵列倾斜引起的阵不变量方法定位精度下降的问题,该文结合倾斜阵声源定位的三维模型提出一种基于倾斜阵的距离与方位联合估计算法。该算法通过联合自校正方位距离联合估计方法对阵列倾角在声源-接收平面的投影量进行估计和补偿,改善目标距离估计误差的同时,利用匹配出的阵列倾角投影量反向估计目标方位,获得对声源二维位置的估计。通过仿真验证了该算法能够在阵列倾角较小时实现目标方位与距离的联合估计。     

基于矢量水听器阵列空域预滤波处理的多重信号分类算法研究

矢量水听器能同时拾取声压和振速信息,在相同的信噪比、阵元数及阵列孔径下,矢量阵定向性能优于声压阵列。目前,以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的高分辨定向算法已经广泛应用于矢量水听器阵列中。但是随着信噪比降低、信号源方位间隔减小,传统MUSIC算法定向精度及分辨概率显著下降。本文采用最小二乘法设计适用于矢量水听器水平阵列的矩阵空域滤波器,用于阵列数据的空间滤波预处理,可以对阻带扇面噪声进行有效抑制。由滤波后的数据协方差矩阵可以得到新的噪声子空间,在传统MUSIC算法基础上修正通带扇面内阵列流型的畸变后即可得到滤波后MUSIC算法的方位谱。仿真结果表明,当信噪比较低时,改进算法有效提高了通带扇面内目标方位分辨性能。最后本文对四基元矢量水平阵列海试数据进行了处理,改进算法对窄带信号定向较常规算法-3 dB束宽减小了13°,旁瓣级降低约8 dB。对有一定带宽的行船辐射噪声定向处理得到了更加精确的航迹图,海试数据处理结果证明了该算法的可行性和有效性。     

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。     

一种基于序贯估计的直达声区水面舰船 被动测距方法 *

该文利用基于射线的盲解卷积方法，从直达声区的水面舰船噪声中提取出船和锚系于海底的垂直接收阵之间的时域信道响应，并利用直达波在不同阵元相对于参考阵元的到达时间差，通过序贯方法，利用射线模型和声速剖面信息，对水面舰船距接收阵的距离进行了估计。通过处理海深约为580 m的2016年美国圣巴巴拉海峡的实验数据，对1.6~3.5 km直达声区范围内Anna Maersk商船与垂直阵之间的距离进行了估计，验证了测距方法的有效性，并将结果与系统测量值和几何方法的估计值进行了比较。由于该方法不需要对海底参数进行估计，所以在海底参数未知时要优于传统匹配场方法；在声速剖面存在跃层且海底为多层分布的复杂信道条件下，该方法仍能对距离进行有效估计，且与测量值的相对误差在6%以内，小于几何方法的估计误差，测距结果精度较高。