一种矢量水听器基阵模拟器的设计

矢量水听器的每个阵元同时测量声场中声矢量和质点振速的3个分量,相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息。利用矢量阵所获得速度场的信息可以去除目标方位估计中的 180°模糊。模拟器可以模拟实际海洋环境中目标的辐射特性和噪声特性,应用模拟器可以有效地缩短声纳的研制周期。本文提出一种矢量水听器基阵模拟器的设计方案,该方案解决了矢量阵中宽带信号的90°移相问题、时延精确控制问题和宽带噪声的谱状控制问题。     

矢量拖线阵水听器流噪声响应特性

针对传统拖线阵流噪声理论的局限性, 建立了完善的矢量拖线阵流噪声理论分析方法, 可全面准确地揭示矢量拖线阵流噪声响应特性. 基于细长圆柱的湍流边界层压力起伏Carpenter模型, 采用波数-频率谱分析方法对矢量拖线阵流噪声响应特性进行了理论研究, 导出了圆柱形矢量水听器流噪声响应的声压和振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 定量分析了流噪声响应功率谱与拖曳速度、水听器尺寸、套管尺寸和材料等参数之间变化规律; 另外, 还讨论了圆柱形矢量水听器偏离护套轴线时矢量拖线阵流噪声响应, 导出了流噪声响应的声压、径向和轴向振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 数值计算结果表明: 轴线偏移距离对声压和轴向振速的高频噪声的影响要大于对低频噪声的影响, 而对径向振速的全频段噪声都有明显影响, 且对振速分量影响要远大于对声压影响.     

矢量拖线阵不同形状水听器流噪声响应特性

拖线阵声呐流噪声大小与水听器形状密切相关,为了揭示矢量拖线阵流噪声响应特性,研究了不同形状矢量水听器滤波特性及其噪声抑制特点。基于波数-频率谱分析方法,导出了圆柱形、球形、胶囊形矢量水听器的波数响应函数以及噪声功率谱解析表达式;并根据湍流边界层压力起伏Carpenter模型数值计算了矢量水听器波数响应函数、流噪声响应特性与水听器形状和几何尺寸之间的变化规律,得到了不同形状矢量水听器抑制流噪声特点。研究结果表明,细长胶囊形矢量水听器具有较好的流噪声抑制性能。      

声矢量传感器阵宽带相干信号子空间最优波束形成

提出了基于矢量传感器阵的宽带相干信号子空间最优波束形成。建立了矢量传感器阵的宽带阵列信号模型,将宽带聚焦思想引入到了矢量传感器阵宽带处理,证明了矢量传感器阵与声压传感器阵宽带聚焦矩阵之间的关系,为矢量传感器阵宽带聚焦矩阵的构造提供了一种方法。推导了基于矢量传感器阵宽带最优波束形成的空间谱,通过空间重采样方法实现矢量传感器阵宽带聚焦,避免了对目标源方位的预估。通过仿真验证了矢量传感器阵具有更优越的性能:可以解宽带相干源;能够实现全空间无模糊定向;可以空间欠采样,因而在不增加计算量的基础上,能够提高阵列处理的性能;克服了传统声压传感器线阵端射方向上,目标方位估计性能下降的缺点。     

TBL压力起伏激励下粘弹性圆柱壳内的噪声场：Ⅱ．有限水听器和阵

有限水听器和水听器阵是一种波数滤波器，它们能够降低流噪声。本文研究粘弹性圆柱壳内圆柱面和双圆片形水听器和阵对于TBL（湍流边界层）压力起伏的响应。用波数-频率谱分析方法导出：1）单个水听器的噪声功率谱，2）两个水听器噪声的空间相关函数，3）水听器阵的噪声功率谱。通过数值积分估计了噪声降低值与水听器的形状、尺寸、阵元数、阵元间距等参数的关系。同时也计算了两个水听器噪声的宽带和窄带空间相关系数。结果表明，水听器阵可有效地降低管内噪声。     

基于声压振速联合信息处理的声矢量阵相干信号子空间方法

为解决水下宽带源的远程测向问题,提出了一种基于声压P与振速V的互谱矩阵的声矢量阵相干信号子空间方法。与现有的将声矢量传感器的振速信息仅仅作为独立阵元来处理的声矢量阵测向方法不同,新方法完全基于声压与振速联合信息处理,充分利用了声矢量阵中P-V互谱的抗噪能力,能将相干信号子空间方法的宽带高分辨能力及去相干能力与声矢量阵的抗噪能力有机地结合起来,实现对宽带源的远程、高分辨方位估计。理论分析给出了基于P-V互谱矩阵的宽带聚焦原理和特征分解原理,以及信源数检测准则。基于湖试数据的仿真实验结果显示,采用3元声矢量阵,在信噪比为-10dB和观测时间为20s时,新方法方位估计的均方根误差约为5°,明显强于现有方法。     

基于经验模式分解的拖曳式声纳拖船噪声抵消研究

拖曳式线列阵声纳的拖船噪声具有多途角扩展等特点，并且是一个非平稳过程，使得对该噪声的消除或抑制是一大难点。经验模式分解是一种用于分析非线性非平稳信号的新方法，该方法自适应地将嵌于数据内部的多个固有模式函数逐一分解开来。本文尝试利用经验模式分解方法分离出水听器接收信号中的拖船干扰噪声，从而达到消除干扰的目的。海上试验数据的处理结果充分验证了这种方法的可行性。     

应用经验模态分解的拖船噪声信号重构及抵消方法

针对拖船干扰的时空特点,提出了将EMD(Empirical Mode Decomposition)应用于拖船噪声信号重构及抵消的方法。为了解决以往需要人工干预挑选EMD输出的多路IMF分量的缺点,提出了将多路IMF(Intrinsic Mode Function)分量与基元域信号按照线谱与连续谱分别做功率谱相关并以谱相关系数最大为准则的挑选算法。基于逆波束形成的理论,利用挑选后的IMF分量重构基元域信号,并与原始基元域信号谱减后再进行方位估计。拖曳声呐模拟器数据与实际海试数据验证结果表明,本文算法能够提高弱目标空间增益,尤其是对于靠近干扰盲区的弱目标空间增益提高明显,并且对拖船多途角扩展干扰也具有较好的抵消能力。      

单矢量水听器方位估计的柱状图方法

单矢量水听器可以估计目标方位,矢量水听器信号处理中用到的平均声强器的处理方法能很好地抗各向同性的非相干干扰,但不能抗相干干扰.文中提出了一种新的单矢量水听器方位估计方法柱状图方位估计法,介绍了该方法的原理;对宽带信号中含强线谱相干干扰的情况进行了计算机仿真,结果表明该方法在强线谱相干干扰下能有效检测目标、估计目标方位;海试结果验证了该方法抗强线谱相干干扰的有效性.     

一种基于矢量水听器阵的归一化加权Capon波束形成方法

矢量水听器同时拾取声场的标量信息声压和矢量信息振速。本文在分析了各向同性噪声场下矢量水听器阵Capon波束形成方位谱的基础上，提出了一种归一化加权Capon波束形成的改进算法，并给出了方位谱的表达式。本方法不需要特征分解，并且得到的是通常意义上的功率谱(可用于估计信号的能量)。仿真计算表明，此方法的性能优于Capon法，可大大提高方位估计的精度。     

The characteristics of frequency-time azimuth spectrum estimation by a vector hydrophone in shallow water

The mechanism of interaction between the energy flows of the far-field ship noise and the near-field platform is studied, and the characteristics of frequency-time azimuth spectrum is discussed. Based on normal modes theory in acoustic vector fields, the model of the near-field platform is established, and the simulated result is similar to the investigation in shallow water. The frequency-time azimuth spectrum of the energy flow is investigated by the vector hydrophone changes with frequency. The energy flow of the far-field ship noise interacts with the near-field platform, so four kinds of stripes are shown in the frequency-time azimuth spectrum, which is the same with the investigation of sea trial. The estimation of direction of arrival appears inaccuracy, and varies with frequency. The main factor that affects the characteristics of frequency-time azimuth spectrum of resultant energy flow is the difference of sound pressure level. The estimation of the direction of arrival benefits from this when a number of sources exist in shallow water.     

浅海环境中矢量水听器角度谱特性

为探明远场舰船噪声和近场平台噪声声能流相互作用的机制对矢量水听器角度谱特性的影响,基于简正波矢量场理论,构建舰船平台噪声声场模型,获得与海上实验结果相符的声能流角度谱特性,声能流方向均随频率变化。对远场舰船噪声声能流和近场平台噪声声能流相互作用进行仿真,两者声能流强度的此消彼长使角度谱出现4种条纹,与海上实验获得的角度谱特性一致,导致目标方位估计出现误差,且不同频带上的结果不一致。说明两个声能流相互作用时,影响合成能流角度谱特性的主要因素是两者的声压级之差,为浅海中同时存在多个声源时的目标方位估计提供参考。      

Investigation of the spatial correlations of flow noise in vector hydrophone towed linear array

Following the wall pressure spectrum of the turbulent boundary layer developed by Corcos, a method in the frequency-wavenumber space was presented to analyze the flow noise in the vector hydrophone towed linear array. The general forms of the acoustic pressure and particle velocity in the flow noise field were obtained, and the spatial correlations of the flow noise were calculated. The numerical analysis results based on wavenumber integration show that： （1） The spatial correlations of flow noise drops rapidly with increasing axial separation between the elements, so the flow noise received by different vector hydrophones usually sampled in a half-wavelength rate can be considered as independent; （2） The flow noise is highly correlated in the radial direction at low frequency, and only those of high frequency componet can be neglected.     

Tracking sperm whale (Physeter macrocephalus) dive profiles using a towed passive acoustic array

A passive acoustic method is presented for tracking sperm whale dive profiles, using two or three hydrophones deployed as either a vertical or large-aperture towed array. The relative arrival times between the direct and surface-reflected acoustic paths are used to obtain the ranges and depths of animals with respect to the array, provided that the hydrophone depths are independently measured. Besides reducing the number of hydrophones required, exploiting surface reflections simplifies automation of the data processing. Experimental results are shown from 2002 and 2003 cruises in the Gulf of Mexico for two different towed array deployments. The 2002 deployment consisted of two short-aperture towed arrays separated by 170 m, while the 2003 deployment placed an autonomous acoustic recorder in tandem with a short-aperture towed array, and used ship noise to time-align the acoustic data. The resulting dive profiles were independently checked using single-hydrophone localizations, whenever multipath reflections from the ocean bottom could be exploited to effectively create a large-aperture vertical array. This technique may have applications for basic research and for real-time mitigation for seismic airgun surveys.     

船舶水下辐射噪声信号理论模型及仿真

分析典型船舶水下辐射噪声实验数据,获取船舶水下辐射噪声功率谱特征,阐明了准周期随机声脉冲序列信号模型作为船舶水下辐射噪声模型的合理性和普适性,在此基础上,引入爆炸衰减型余弦脉冲信号作为该模型的基本组成单元,给予理论分析,据以数值构建船舶辐射噪声,并与海上试验获取的商船辐射噪声数据进行对比,结果明显一致,证明了该方法的有效性和实用性.     

水下目标噪声测量中的同步钟测距

本测距系统采用两只型号相同的ＷＺＧ－５ＭＨｚ石英晶体振荡器，在同一个时基标准下进行同步测距，５ＭＨｚ石英晶体振荡器具有准确度高，稳定性好的特点，从而成功的解决了在舰船辐射噪声测量中，目标船与测量水听器间测距误差大的问题。本文较详细的介绍了同步钟测距原理，并对在舰船辐射噪声测量中噪声级与距离关系，目标船相对测量水听器的位置，测距误差等进行了描述。     

拖曳式水平鱼探仪海上试验研究

为了简化设备组成,方便操作使用,降低设备成本,对拖曳式水平鱼探仪采用了被动工作方式,利用监测鱼群噪声以确定鱼群方位。采用水平拖曳方式时,对拖体内两个矢量水听器所接收信号进行本船噪声抵消运算,有效地降低了本船噪声干扰,从而保证了必要的目标检测距离。利用矢量水听器所测得声压与质点振速的相关性,借助非线性最优化技术,按照单矢量水听器多目标定向方法,解算并输出显示各目标方位。根据具体要求,可以显示目标的地理方位,也可以显示目标相对于本船的方位。     

Flow noise of an underwater vector sensor embedded in a flexible towed array

The objective of this work is to simulate the flow noise of a vector sensor embedded in a flexible towed array. The mathematical model developed, based on long-wavelength analysis of the inner space of a cylindrical multipole source, predicts the reduction of the flow noise of a vector sensor embedded in an underwater flexible towed array by means of intensimetric processing (cross-spectral density calculation of oscillatory velocity and sound-pressure-sensor responses). It is found experimentally that intensimetric processing results in flow noise reduction by 12-25 dB at mean levels and by 10-30 dB in fluctuations compared to a squared oscillatory velocity channel. The effect of flow noise suppression in the intensimetry channel relative to a squared sound pressure channel is observed, but only for frequencies above the threshold. These suppression values are 10-15 dB at mean noise levels and 3-6 dB in fluctuations. At towing velocities of 1.5-3 ms(-1) and an accumulation time of 98.3 s, the threshold frequency in fluctuations is between 30 and 45 Hz.     

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。