声速剖面对不同深度声源定位的影响

在对一次试验数据进行匹配场定位处理时发现, 选取声速剖面有轻微失配的情形下, 水面弱声源显现, 水下强声源反而消失. 基于该现象研究了声速剖面失配对不同深度声源定位的影响. 首先通过仿真试验排除海上试验中不确定因素的影响, 进一步得出深处声源定位受声速剖面失配影响较大的结论, 并针对夏季负跃层情形进行跃层深度失配的仿真, 初步得出在跃层下边界以下10 m附近处的声源对声速剖面失配最敏感. 最后从简正波的角度进行理论分析, 分两点对这一现象进行了合理解释.     

浅海复杂环境下等效声速剖面的构建方法*

针对浅海复杂环境声速剖面水平变化情况下的声传播损失预报及目标定位问题,提出了一种基于遗传算法的等效声速剖面重构算法。首先,将声速剖面进行时间和空间上的分解,从而将声速剖面抽象为对声速剖面前三阶正交函数系数的反演;其次,利用遗传算法,以先验声速剖面集为基础,进行参数反演。仿真结果表明,在浅海复杂条件下,传播损失预报受声速剖面及海洋参数的影响,不能直接运用接收或发射位置处的声速剖面进行传播损失预报,否则会对预报结果造成误差。通过构建具有声传播累积效应的等效声速剖面可以提高匹配场定位精度,完成目标定位,且在构建等效声速剖面时,接收位置处即本地声速剖面所占权重较大。     

基于环境扰动的线性匹配场处理方法

匹配场处理面临的挑战主要是拷贝场失配。常规线性匹配场处理方法虽然对失配较宽容,但旁瓣较高,定位正确率依赖于失配的程度,且很容易受到强干扰的影响而失效。自适应匹配场处理可以获得较高的定位精度和旁瓣抑制性能,但环境参数失配、距离／深度空间欠采样、基阵及环境的波动所造成的误差等因素,均会导致其性能严重下降。环境扰动约束可提高自适应匹配场处理器的稳健性,基于这种思想,提出了基于环境扰动的线性匹配场处理方法,它不仅在环境失配的条件下比常规线性方法的定位正确率更高,而且在阵列采样数据存在幅度与相位随机误差的条件下,比自适应匹配场方法的稳健性更强．针对环境失配条件下的强干扰问题,还提出了一种线性匹配场干扰抑制算法,可有效地抑制水面干扰。典型浅海环境下的数值仿真和实测数据分析验证了方法的有效性．     

基于扇区特征向量约束的稳健自适应匹配场处理器

自适应匹配场处理可以获得较高的定位精度和旁瓣抑制性能,但需要精确计算的拷贝场向量和参数搜索空间内的精细采样,这为自适应匹配场在实际复杂海洋环境中的实时应用造成了困难。本文提出了一种新的稳健自适应匹配场处理算法,用以同时克服环境参数失配和实时搜索计算量大这两个问题。新算法集成了邻点位置约束、环境扰动约束和扇区聚焦约束等三种自适应匹配场处理器的优点,采用扇区与环境扰动双重约束,不仅对环境参数失配更具宽容性,而且可确保目标位于扇区内的任何点时,主瓣增益损失较小。典型浅海环境下的数值仿真和实测数据分析表明,该算法在一定的环境失配条件下不仅能有效地检测定位目标,还能实现距离/深度平面内的大扇区目标搜索,可大大减小实时运算量。     

集合卡尔曼滤波在时变声速剖面追踪中的性能分析

对集合卡尔曼滤波在时变海洋环境下的声速剖面追踪性能进行了分析。将南海实验背景下普林斯顿海洋模型预报的声速剖面正交分解为3阶系数组成的状态-空间形式,其状态转移方程建模为3阶自回归过程;基于卡尔曼反馈理论,利用适合于水平非均匀模型RAM仿真的观测声压场对系统状态进行校正,实现声速剖面的动态追踪。在水平均匀、水平非均匀和海底参数失配环境下的仿真结果均能较好地实现对声速剖面的追踪,验证了算法的可行性。同时对不同信噪比、粒子数、阵元数和海底参数失配等情况下的分析表明,观测信息量的增加可以有效抑制观测误差和模型误差的影响,相关结论得到了实验数据的验证。      

浅海声速剖面的匹配波束反演方法

为了快速反演获得浅海声速剖面,利用匹配波束构造了反演代价函数,在此基础上研究了浅海声速剖面的匹配波束反演方法(MBI)。并运用东中国海的实验数据进行实际反演,验证了MBI的可行性和鲁棒性。利用垂直线列阵接收的29个不同位置的爆炸声信号进行了声速剖面反演, MBI反演的结果与实验中直接测量的声速剖面一致,且反演声速剖面的均方根误差小于2 m/s。研究结果表明,MBI比常规匹配场反演(MFI)获得浅海声速剖面更快速、更准确,并且对底质参数的失配具有较高的鲁棒性。     

南海北部海域声速剖面水平变化环境声学层析

为获取水平变化的海水声速分布,在等效平均海水声速反演基础上,提出了一种声速剖面水平变化环境声学层析方法。首先利用经验正交函数结合匹配场处理方法反演不同距离下的等效平均声速剖面,进而通过逐步迭代重构出随水平距离变化的声速场分布,并通过数值仿真及海上实验两方面验证了声速剖面水平变化环境声学层析方法的可行性及其准确性。结果表明:声速剖面水平变化环境声学层析结果与实验测量声速剖面均方根误差小于0.8 m/s,利用声传播信号基本能较为准确地重构出随距离水平变化的海水声速分布,为进一步层析中尺度三维结构及声呐水声环境保障应用奠定了基础。      

随机多项式展开多特征向量约束-匹配场 声源定位算法*

多特征向量约束的自适应环境宽容匹配场算法可用于随机和不确知海洋声传播介质中的声源位置定位。该方法需要对拷贝场复声压的互谱矩阵进行估计。为了克服蒙特卡洛统计方法计算互谱矩阵较为耗时的缺点,文章将起伏介质中的随机或不确知声压表示为以正交的随机多项式为基底的级数,随机多项式基底的输入变量为描述环境随机性或不确知性的随机变量。利用随机多项式展开基底的正交性可快速估计拷贝场复声压互谱矩阵。仿真结果表明：在声源频率较低、浅海海水声速存在随机起伏的条件下,在计算效率上使用随机多项式展开方法估计拷贝场复声压互谱矩阵较蒙特卡洛统计方法可提高一个数量级;在高信噪比下,多特征向量约束匹配场声源定位算法在定位准确率和输出峰均比上优于线性匹配场和对角加载的最小方差匹配场声源定位方法。     

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。     

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。     

Tracking-positioning of sound speed profiles and moving acoustic source in shallow water

An ensemble Kalman filter(EnKF) approach is proposed to perform sequential tracking of water column sound speed profile(SSP) using a moving acoustic source. First,the SSPs are discretized in depth and range, and are expressed by the empirical orthogonal functions(EOFs). Second, the acoustic source state information and the first three orders of EOF coefficients are expressed as the state variable, and the acoustic field information received by the vertical line array are the measured values. Successively, the state variables and measured values are used to establish the state-measure model. Last, the EnKF is utilized to track the state variables. The simulation results show that the root mean square error of SSP and the absolute error of source are all small, and thus the acoustic source tracking-positioning has high accuracy. Moreover, increasing the number of sample collection, the signal-to-noise ratio and the number of receiving elements can improve the tracking-positioning results. The method is verified using the experimental data of the East China Sea.     

Distributed sound source localization algorithm with sound velocity calibration in windy environments

A new sound source localization method with sound speed compensation is proposed to reduce the wind influence on the performance of conventional TDOA(Time Difference of Arrival) algorithms. First, the sound speed is described as a set of functions of the unknown source location, to approximate the acoustic velocity field distribution in the wind field. Then,they are introduced into the TDOA algorithm, to construct nonlinear equations. Finally, the particle swarm optimization algorithm is used to estimate the source location. The simulation results show that the proposed algorithm can significantly improve the localization accuracy for different wind velocities, source locations and test area sizes. The experimental results show that the proposed method can reduce localization errors to about 40% of the original error in a four nodes localization system.     

浅海声速剖面与移动声源的跟踪定位

在水平非均匀分布的浅海环境中,针对移动声源跟踪时,声速剖面的变化会对声场产生影响,提出了一种利用集合卡尔曼滤波算法的声速剖面跟踪反演和移动声源跟踪定位的方法。首先,将声速剖面进行距离和深度的参数化表示,从而将对声速剖面的跟踪转化为对声速剖面前3阶经验正交函数系数的跟踪;其次,通过将声源状态信息和声速剖面信息表示为状态变量,而将垂直线列阵接收到的声场信息作为测量值建立状态-测量模型,然后利用集合卡尔曼滤波方法对模型状态变量进行跟踪。仿真结果得出:声速剖面跟踪反演的均方根误差和移动声源跟踪定位的绝对误差都非常小,对声源的跟踪定位精度很高。并且通过增加集合样本数、增加接收信号信噪比以及增加接收阵元数目都可以提高跟踪定位结果精度。最后,利用东海实验数据对本方法进行了验证。      

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。      

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。      

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     

风场环境中声速修正的分布式声源定位算法

为减小声速误差对定位精度的影响,提出了一种基于声速修正的分布式声源定位方法。首先,将声速表示为未知声源位置的函数,逼近风场中的声速场分布,然后将其代入TDOA (Time Differences of Arrival)算法中,构建非线性超定方程组,最后采用粒子群优化算法求解声源位置。对不同风速、不同声源位置及不同测试区域进行仿真,结果表明:修正后的定位精度比修正前有明显提高,尤其对于大范围并且声源靠近测试区域边缘位置的定位系统,改善更加明显;4个节点的定位系统实验结果表明,修正后的定位误差可降至修正前的4l%,该方法能更好的应用于风场中的定位系统。      

The impact of water column variability on horizontal wave number estimation and mode based geoacoustic inversion results

The influence of water column variability on low-frequency, shallow water geoacoustic inversion results is considered. The data are estimates of modal eigenvalues obtained from measurements of a point source acoustic field using a horizontal aperture array in the water column. The inversion algorithm is based on perturbations to a background waveguide model with seabed properties consistent with the measured eigenvalues. Water column properties in the background model are assumed to be known, as would be obtained from conductivity, temperature, and depth measurements. The scope of this work in addressing the impact of water column variability on inversion is twofold. Range-dependent propagation effects as they pertain to eigenvalue estimation are first considered. It is shown that mode coupling is important even for weak internal waves and can enhance modal eigenvalue estimates. Second, the effect of the choice of background sound speed profile in the water column is considered for its impact on the estimated bottom acoustic properties. It is shown that a range-averaged sound velocity profile yields the best geoacoustic parameter estimates.