利用浅海声场干涉条纹反演海底参数方法研究

浅海频散特性导致声场在距离-频率平面形成干涉条纹,该干涉条纹蕴含着声源以及海底信息。本文通过降噪、滤波等方法,提取船舶辐射噪声干涉条纹中距离域干涉准周期、波导不变量以及去扩展衰减系数(不考虑扩展损失后接收到噪声级随距离的衰减程度)三种特征量的观测值,基于无限均匀沉积层海底模型,采用简正波计算程序理论计算上述三种特征量作为拷贝,提出一种以模拟退火法作为搜索寻优策略的新的匹配反演海底参数的方法。海试数据处理结果表明,该方法反演估计所得海底密度、声速、衰减系数三参数用于浅海负跃层条件下的声场预报效果比较良好。     

一种浅海声矢量场干涉结构提取方法

针对浅海Pekeris环境下声矢量场的干涉特征,基于简正波理论分析了在频率-距离域上声强谱、质点振速自谱、复声强谱和波阻抗谱干涉结构的形成机理,探讨了对干涉结构的波导不变量表征,并进行了宽带辐射声场干涉结构的海上测量试验。仿真研究和海试数据分析均表明,在频率-距离域上,上述4类物理量都会呈现稳定的、可用波导不变量β表征的干涉结构,而复声强独有的纯干涉分量更能体现波导的干涉效应。最后引入多尺度线性滤波器对海试实测LOFAR图进行处理,处理结果表明该滤波器可有效地增强干涉特征,更利于检测和提取干涉图案中的条纹信息。      

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     

利用波导不变量进行运动单线阵的无源测距测速

为克服单线阵难以无源测距、测速的缺点,提出了利用目标辐射低频声场干涉结构和波导不变量的运动单线阵无源测距、测速方法。定义了运动目标的距离距变率比（目标距离与距离变化率的比值）,并利用与目标辐射声场的时间-频率干涉结构和波导不变量相关的变量来表征距离距变率比。根据此定义,通过对目标辐射声场的时间-频率干涉结构图进行Radon变换等处理,实现对距离距变率比的估计。利用所估计的距离距变率比,结合平台速度、目标方位角和目标航向角实现对目标距离和速度的同时估计。仿真实验验证了所提方法在测距、测速时的正确性和有效性。结果表明:所提方法在目标航向角较大时有较高的距离、速度估计精度;同时,目标方位估计误差越小,所提方法的距离、速度估计精度越高。      

基于波导不变量的目标运动参数估计及被动测距

结合波导不变量的概念推导了中近程目标的干涉条纹方程,它表明在浅海声场中此干涉条纹为一族类双曲线.采用Hough变换对LOFAR图和方位-时间历程进行处理,可以估计反映环境信息的波导不变量β、航向角(φ)以及最近通过距离和航速比r0/v.仿真研究和海试数据分析均表明,低频声场确实存在稳定的干涉结构,结合图像处理手段进行参...     

浅海内波环境下声场干涉条纹的稀疏重建

针对浅海内波引起的干涉条纹“扭曲”问题,利用耦合模理论,提出了一种声场干涉条纹的稀疏重建方法.该方法主要分为两个步骤:1)将干涉条纹近似为几组二维正弦的和,并用向量有限新息率方法重建; 2)根据耦合模理论,未耦合模对的二维频率不随内波位置变化,而耦合模对的频率随内波位置变化.因此,二维频率可以分为两部分:未耦合模对包含了波导的信息,可用于背景环境规则干涉条纹的重建和波导不变量的估计;耦合模对包含了内波的位置信息,可用于内波的追踪.仿真结果表明,本文方法在内波环境下能够提供有效的干涉条纹重建、波导不变量估计和内波的追踪.     

高速垂向运动声源声场干涉特性及其可观测性

以高速垂向运动声源宽带连续谱噪声为研究对象,基于射线理论分析了声场干涉现象的产生机理,推导了干涉条纹的轨迹方程,讨论了影响干涉结构特性的因素,揭示了声场干涉结构的特性和规律。理论和仿真结果表明:干涉周期与多途信号时延差成反比关系;减小接收深度或增大接收距离可以提高干涉条纹的可观测性;较大的海面起伏易使干涉条纹形成断点,可观测性降低。湖试数据分析结果表明,干涉条纹主要由直达声-海面反射声干涉条纹构成,干涉条纹宽度和干涉周期随水平距离的增大而增大。该结果可为高速垂向运动声源运动状态分析、环境参数反演等提供参考。     

利用波导不变量的浅海负跃层声源深度判别

在夏季负跃层水文条件下,声源激发的声场同时存在折射类和反射类简正波,导致通过分离简正波进行深度判别的方法性能下降甚至失效·提出了一种利用波导不变量判别声源深度的方法。当接收器位于负跃层以下时,水面声源和水下声源的波导不变量数值不同。在本文的仿真条件下,水面声源波导不变量约等于1,当声源位于负跃层以下时,波导不变量大于1.利用频域warping变换从干涉结构中提取与实际距离成线性关系的时域脉冲,可以在未知声源距离的情况下,从声场干涉结构中获得声源激发声场的波导不变量,从而在夏季负跃层水文条件下进行声源深度判别。方法无须声源与接收器存在最近经过距离,可适用于单水听器或水平阵波束形成后输出的LOFAR谱.仿真结果证明,方法可以提取水面目标和水下目标的时延轨迹并计算干涉条纹的波导不变量。最后,对海试实验数据进行分析处理,从水面声源的干涉条纹中提取波导不变量,证明了方法的有效性。      

不同频段下利用虚拟接收方法的声源测距性能分析

考虑到传统的匹配场处理定位需要复杂的匹配声场计算,并对环境参数和声场模型有很高的依赖,为了克服这种缺点,采用虚拟接收方法对声源进行测距。首先对垂直阵接收到的引导声源和目标声源的信号进行相关处理,得到虚拟接收声场并估计虚拟接收声场干涉条纹的斜率,结合波导不变特征量β对目标声源进行测距。通过数值仿真和2004年南海实验数据处理,讨论了浅海斜坡海域环境中不同频段下利用虚拟接收方法对宽带声源测距的性能。随着频率升高,需要展宽频带以获得完整的干涉条纹和良好的测距结果。在实验数据处理中,选取频段较高的信号时,由于阵列间距偏大不能保证采样的简正波模式的正交归一特性,不能获得正确的测距结果。      

声强谱频移补偿的波导不变量和距离估计方法

基于声强的距离一频率干涉结构,利用对水平阵不同阵元信号的声强谱进行频移补偿的方法估计波导不变量和距离。在波导不变量和距离其中一项已知的情况下,可以通过该方法估计另外一项。利用2011年12月北黄海水声实验中拖曳声源发射和海底水平阵接收的线性调频信号,通过上述方法估计了不同距离处的波导不变量。结果显示波导不变量的估计值在0.8到1.2之间变化,其均值与利用实测海洋环境计算的理论值符合良好。同时,利用相同的信号和波导不变量的理论计算值,通过上述方法在不同时刻进行距离估计,结果与GPS测量距离基本一致。      

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。      

浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。      

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

The array invariant

A method is derived for instantaneous source-range estimation in a horizontally stratified ocean waveguide from passive beam-time intensity data obtained after conventional plane-wave beamforming of acoustic array measurements. The method has advantages over existing source localization methods, such as matched field processing or the waveguide invariant. First, no knowledge of the environment is required except that the received field should not be dominated by purely waterborne propagation. Second, range can be estimated in real time with little computational effort beyond plane-wave beamforming. Third, array gain is fully exploited. The method is applied to data from the Main Acoustic Clutter Experiment of 2003 for source ranges between 1 to 8 km, where it is shown that simple, accurate, and computationally efficient source range estimates can be made.     

Striation-based beamforming for estimating the waveguide invariant with passive sonar

The waveguide invariant summarizes the pattern of constructive and destructive interference between acoustic modes propagating in the ocean waveguide. For many sonar signal-processing schemes, it is essential to know the correct numerical value for the waveguide invariant. While conventional beamforming can estimate the ratio between the waveguide invariant and the range to the source, it cannot unambiguously separate the two terms. In the present work, striation-based beamforming is developed. It is shown that the striation-based beamformer can be used to produce an estimate for the waveguide invariant that is independent of the range. Simulation results are presented.     

一种基于β-warping变换算子的被动声源距离估计方法

基于浅海简正波水平波数差与波导不变量之间的关系, 本文提出了一种适用于水平不变浅海声波导中接收信号自相关函数的频域卷绕变换算子. 该算子可以将接收信号自相关函数中的简正波互相关成分变换为时域上可分离的脉冲序列, 且脉冲序列的相对延迟时间包含声源距离信息. 利用已知距离的引导声源, 由单水听器记录的脉冲信号即可实现被动声源距离估计. 对仿真和实验获得的脉冲信号数据处理结果验证了该变换算子用于被动声源距离估计的有效性.     

一种基于单水听器的浅海水下声源被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在群延迟理论的基础上,与warping变换处理相结合,提出了一种适用于浅海波导中宽带声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以实现对脉冲声源接收信号各阶简正波的分离提取,对分离后的简正波进行时频分析处理可以得到各阶简正波到达时刻和频率之间的关系,即各阶简正波的频散曲线,从而得到任意两阶简正波到达接收水听器的时延差.海底相移参数P是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,在海底环境参数未知而P已知的情况下,利用P和简正波水平波数之间的关系可以求得任意两阶简正波的?S_(g,mn)(群慢差).根据群延迟理论,利用得到的任意两阶简正波的时延和?S_(g,mn)可实现利用单水听器对水下声源进行被动测距.本文提出的测距方法测量简单、计算方便,具有较强的实用意义.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.