拖曳线列阵声呐平台噪声的空域矩阵滤波抑制技术

针对拖曳线列阵声呐平台噪声构成近场强干扰影响声呐弱目标探测的问题,利用近场平台噪声的多途传播特性,将匹配场定位技术和平面波目标方位估计技术结合,使用平台噪声到达接收阵的拷贝向量以及平面波方向向量共同设计平台噪声零响应约束空域矩阵滤波器,实现了平台噪声抑制.推导得出滤波器设计最优化问题的最优解,利用广义奇异值分解简化最优解表达式,并给出滤波器对平面波方向向量整体响应误差以及对平台噪声拷贝向量响应。利用平台噪声拷贝向量与远场平面波方向向量相关性,解释了平台噪声构成强干扰的原因,以及滤波后存在探测盲区的原因。由仿真可知,空域矩阵滤波处理可获得更小的探测盲区,同时获得盲区外更高的探测能力.     

高速动车组气动噪声试验与仿真分析*

通过风洞试验对某高速动车组整车、受电弓及转向架远场气动噪声特性进行分析。试验结果表明,高速动车组远场气动噪声是一宽频噪声,总声能随速度的6.6次方增加;由受电弓引起的远场气动噪声主要集中在中高频,噪声峰值频率随速度变化线性增加;由转向架引起的远场气动噪声主要集中在中低频,噪声峰值频率与速度无关。在此基础上,通过大涡模拟和声扰动方程获得该高速动车组近场噪声。高速动车组远场噪声测点仿真结果与试验结果的最大差值2.2 dB(A),最大相对误差2.5%,表明仿真模型的准确性。仿真结果表明,车头近场噪声以车头鼻尖为界,底部气动噪声能量大于上部流线型气动噪声能量,其中转向架舱位置噪声能量最大,因此进行车内外降噪方案设计时,应重点关注车头转向架舱位置。     

浅海舰船噪声声强流的垂直方向性

浅海环境中,确定性声源的多途声信号干涉使得接收点处声强流的方向发生改变,不再与声源位置处的声强流方向一致。只测量声场的标量声强时,无法得到接收点处声强流的垂直方向性,而基于简正波矢量场建模和仿真,可获得理想条件下宽带点声源激发声场声强流的垂直方向性。本文采用单矢量水听器进行海上实验,获得了海洋环境噪声和干扰条件下舰船噪声声强流的垂直方向性。仿真和实验结果表明:远场条件下,浅海干涉现象引起接收点处声强流的方向(极角)随频率和距离变化,其时间-频率分布呈现与LOFAR谱干涉条纹相似的条纹,声强流的极角值主要分布在70?～110?范围内。     

基于矢量水听器的最大似然比检测和最大似然方位估计

矢量水听器由声压水听器和质点振速水听器复合而成,可以空间共点同步测量声压和质点振速,并由此得到空间一点处的声能流。本文证明在各向同性噪声场中声能流是最大似然比检测量,声能流方向是声源方位的最大似然估计;讨论声能流检测器的增益以及方位估计DOA(Direction of Arrival)的克拉美罗界CRB(Cramer—Rao Bound)。给出了计算机的仿真结果和浅海试验的结果。     

改进的贝叶斯压缩感知目标方位估计

针对基于高斯先验模型的贝叶斯压缩感知在目标方位(Direction Of Arrival,DOA)估计中可能出现明显随机伪峰的问题,改进了高斯先验模型,并在此基础上提出了一种贝叶斯压缩感知目标方位估计方法。通过波束输出噪声背景预估与二值指示变量标记,并引入基于信号先验方差的噪声方差估计方法,与变分贝叶斯推断相结合改进目标方位估计性能和优化迭代收敛过程。利用32元线阵对改进算法进行数值仿真处理和分析结果表明,该改进方法不仅可以准确估计目标信号的方位,而且可以显著地减少空间谱中伪峰的数量。实际海上实验数据处理结果表明,使用改进后的贝叶斯压缩感知方法进行DOA估计,可以显著地抑制空间谱中随机的伪峰,提高波束输出峰值背景比,具有更强的目标检测能力。      

声波水平折射引起水平位移椭圆极化和声能流水平偏转

针对矢量水听器测向的应用要求,研究了三维水声传播问题中水平折射对声矢量场特性的影响。理论分析表明,水平折射可使质点水平位移从线性极化转变为椭圆极化,同时引起声能流方向的水平偏转。声能流方向的水平偏转导致波达方向偏离目标水平方位,对目标水平方位估计造成误差。采用虚源法仿真了倾角为2.86°的楔形波导中的三维声矢量场,并给出了空间各点处由水平折射引起的单矢量水听器目标方位估计误差。结果显示,部分区域中由水平折射引起的目标方位估计误差可达10°以上。      

基于多途信道的舰船辐射噪声功率谱密度估计*

针对低信噪比下利用单水听器估计辐射噪声功率谱密度精度较差的问题,提出一种基于多途信道传输函数估计的垂直阵测量估计1 m处舰船辐射噪声功率谱密度的方法。该方法将信道传输函数表示为多途路径近场阵列流形向量的叠加,较快地估计了信道传输函数,将其用于舰船辐射噪声功率谱密度估计,可较简便地估计距声中心1 m处辐射噪声的功率谱密度,即谱源级。分析了产生功率谱密度估计误差的原因,包括信道估计误差和环境噪声引起的误差,为降低估计误差提供了理论依据。仿真结果表明,该方法估计1 m处辐射噪声功率谱密度的性能良好。     

采用条件波数谱密度函数的宽带高分辨方位谱估计算法

针对宽带高分辨方位估计存在方位估计偏差大、算法复杂度高等问题,提出了一种基于条件波数谱密度(Conditional Wavenumber Spectral Density based,CWSD-based)的宽带高分辨方位谱估计算法.该算法利用条件波数谱密度将阵列信号转换到频率-波数空间,宽带信号能量在该空间的坐标呈现与入射角相关的线性分布,通过借鉴直线检测原理,实现邻近目标的高分辨方位估计,且无需预估角度和信源数等信息。仿真结果表明,该算法理论分辨率与处理最高频率成反比,估计均方误差约为0.1°,对阵形畸变鲁棒,运算效率高。海上试验数据表明,本文方法在方位分辨率、弱目标检测、非目标向噪声抑制、稳健性等方面都优于宽带常规波束形成和最小方差无畸变算法,在实际海洋中可实现超低旁瓣高分辨波达方向估计。      

远近场混合源的波束解卷积定位

提出了定位远近场混合源的波束解卷积技术,针对非相干远近场混合声信号的线列阵观测结果,推导了其常规波束形成(CBF)空间谱中固有的广义二维卷积数学关系,利用Richardson-Lucy算法实现波束能量聚焦以获得近场目标的精确空域参数估计,通过混合源协方差矩阵向近场流形的正交补空间投影操作提取远场分量,并分析得到其内在的一维卷积关系,然后通过角度域波束解卷积进行远场信号的波达估计。仿真分析表明,所提方法提升了CBF谱的空域分辨力,通过投影映射隔离近场分量后实现了混合源的分离。与现有方案相比,所提算法针对远场信源可实现10 dB的背景噪声级抑制。     

单矢量水听器稀疏近似最小方差方位估计算法

针对单矢量水听器海上目标探测问题,利用稀疏近似最小方差(Sparse Asymptotic Minimum Variance,SAMV)算法进行目标方位估计,该算法利用单矢量水听器自身具有阵列流形的特点,将整个扫描空间离散化,目标方位分布于某一离散方向位置上,利用空间信号的稀疏性可提高目标方位估计性能。仿真结果表明,SAMV算法在各信噪比条件下方位估计噪声背景级明显优于常规波束形成(Conventional Beam Forming,CBF)算法和最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)算法,当信噪比大于0dB时,该算法测向结果均方根误差小于2°,且SAMV算法具有更好的空间方位分辨能力。消声水池和海上声学浮标海上试验数据处理结果表明,SAMV算法给出了噪声背景级更低的目标方位历程图,有效验证了SAMV算法对海上目标的探测性能及其有效性。      

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.     

应用半正定规划的目标方位超分辨方法

针对水下目标方位超分辨估计问题,提出了一种基于半正定规划(Sdp)的常规波束(CBF)方位超分辨算法(SdpCBF).Sdp-CBF算法基于常规波束形成获得多目标方位谱数据,利用阵列响应矩阵和半正定规划技术,精确估计目标数量和波达角方向.该算法的本质是利用阵列特性和信号能量信息获得超分辨方位估计,不用进行子空间分解,通过卷积反演的方式将阵列孔径的有限效应消除,在L₂范数约束条件下重构空间谱.仿真表明,Sdp-CBF算法具有较强的噪声抑制能力,对非相干和相干信号均具有目标方位超分辨能力,在低信噪比环境下的方位分辨性能超过多重信号分类(MUSIC)等经典高分辨算法。对消声水池以及湖上实验数据的处理结果显示,Sdp-CBF算法在复杂环境中对相干信号及微弱信号具有较强的分辨能力。      

浅海矢量声场干涉结构形成机理及试验研究

浅海低频声场的微观结构特征在于具有可用波导不变量表征的 稳定空间-频率干涉结构.声场兼具标量场和矢量场, 波导条件下二者联合决定声场的全部特性. 本文研究浅海声场空频干涉结构的矢量场特征. 理论分析了声压谱、动能密度谱、声强流谱等矢量场干涉结构的形成机理, 探讨了矢量场干涉结构的波导不变量表征, 数值仿真研究了Pekeris波导中能量和能流密度的干涉特性, 进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性及表征的海上试验.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明: 中近程和中远程声场均能模态相干, 有稳定的空频干涉结构, 并且矢量声场空频干涉结构存在多种形式, 除各种能量和能流密度谱图外, 相干系数谱也呈现干涉特征, 这些形式的空频干涉结构均可用波导不变量理论有效表征. 关键词： 矢量声场 干涉结构 波导不变量 浅海低频声场     

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。     

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

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。