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。      

典型深海声场频率-距离干涉结构分析及实验研究

基于射线理论分析了在典型深海情况下声源与接收水听器位于海水表层时声场频率-距离干涉结构,给出了直达声作用区与影区情况下声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式。数值仿真与实验结果表明:在直达声作用区内,由直达声与海面一次反射声形成声场干涉结构,频率域干涉周期为该两条声线到达时间差的倒数;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-接收器四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,分别随着声源深度、接收水听器深度的增大而减小,并与收发距离有关。本文给出的理论表达式可以较好的解释实验观测到的声场频率-距离干涉结构。      

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。     

利用宽带声场干涉结构特性对移动船只距离的连续估计

浅海移动船只的宽带辐射声场在距离-频率上通常表现为有规则的干涉条纹结构,这些条纹的特性(数目和斜率)可用波导不变量理论来表征并已被用于多种水声反演问题中,如沉积层声学参数反演和宽带声源距离的估计。基于波导不变量理论和干涉条纹的结构特性,利用扩展卡尔曼滤波器分析移动船只LOFAR图中干涉条纹的距离-频率特征可对其距离进行连续估计。该方法不需要海洋环境的信息和前向拷贝声场计算,具有较高的计算效率。海试数据处理结果和GPS数据计算结果比较一致,证实了本方法的准确性。试验数据处理同样证实该方法对初始距离的选择有着较高的稳健性。      

深海近距离声场频率-距离干涉结构反演海底声学参数

地声反演一般存在多解性的问题,不易有效分离沉积层声速与厚度,本文提出了一种当声源与接收水听器分别位于海面与海底附近时匹配声场干涉周期反演深海沉积层声速与厚度的方法。该声场周期结构由直达波与海底沉积层反射回波干涉形成,其干涉周期受沉积层声速和厚度影响,通过匹配实测与理论计算的声场干涉周期可有效反演沉积层声速和厚度。开展了深海实验验证,利用水听器接收到的近距离船舶噪声的声场干涉条纹,反演得到的实验海域海底沉积层声速与该海域海底表层采样平均值差小于20 m/s。数值仿真与实验结果表明该方法可以有效反演沉积层的声速与厚度。      

深海声影区时频谱干涉结构与声源定位

被动声呐探测位于深海声影区的水面舰船辐射噪声时,接收信噪比通常较低,导致声源被动定位方法的性能较差。针对这一问题,提出一种利用接收信号时频谱干涉结构的声源距离和径向速度联合估计方法。首先根据射线声学理论,建立时频谱沿频率轴和时间轴的干涉条纹周期与声源距离和径向速度的关系,然后对接收信号时频谱进行二维傅里叶变换和多频带处理以估计上述干涉条纹周期,最后解算声源距离和径向速度。仿真和海试数据处理结果表明,相比于现有利用接收信号自相关的声源距离估计方法,该文利用时频谱二维傅里叶变换的声源定位方法具有较好的稳健性,比较适用于低信噪比条件下的声源被动定位。     

浅海中运动声源径向速度与距离的无源估计

针对浅海波导中声源距离的无源估计问题,提出了一种环境参数和声场模型无关的、不依赖于引导声源的运动声源径向速度以及距离估计方法。该方法首先通过双水听器低频声场强度距离波数谱变换(R-K)的相位差获得干涉简正波水平波数,对水平波数轴定标来估计运动声源的径向速度。进一步地,对接收信号自相关函数进行WARPING变换得到运动声源距离的无源估计。对于反射类简正波为主的声场,在某一假定距离下根据某两时刻接收信号WARPING变换后干涉简正波谱峰频率与假定距离的关系估计距离;对于反射类或折射类简正波为主的声场,根据两个时刻接收信号的β-WARPING变换后干涉简正波的脉冲时延估计距离的值。数值仿真分析了等声速、负梯度以及温跃层3种水文环境下的噪声以及环境宽容性,结果表明径向速度与距离的估计不依赖于环境参数。利用2005年北黄海实验数据验证了方法的可行性,径向速度与距离的估计值与实际值符合良好。      

利用宽带声场频率-掠射角干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法

针对典型深海环境中宽带声源的深度分辨问题,通过研究深海声场随频率起伏的干涉结构与垂直线阵频域波束输出图中的干涉结构,给出一种直达声区内可区分多水下目标的宽带声源深度估计方法。该方法以近水面目标的射线声场模型为基础,推导出近海面宽带声源接收声场的波束输出表达式,阐明了频域波束输出图中干涉结构与声源深度的对应关系。然后利用改进的傅里叶变换方法将二维频域波束输出图映射到声源深度-掠射角度域,可实现声源深度信息的有效分离。最后开展了深海实验验证,利用垂直阵接收拖曳声源发射的宽带白噪声信号,拖曳声源深度计算结果与实测声源深度基本一致。数值仿真与实验结果均表明该方法可以在多目标复杂环境下准确估计出水下宽带声源的深度。      

深远海线性内波条件下声场时间相关性的空间分布

深海声场特定的干涉结构导致其时间相关性的空间起伏,研究这种空间特性可以为水声信号的探测与处理提供重要参考。利用抛物方程声场仿真模型,联合Monte-Carlo数值方法计算分析了深远海线性内波条件下声场时间相关性的空间分布特性。与现有的研究相比,给出了时间相关性的距离和深度起伏特征。结果表明,当接收达到一定距离,声场时间相关性的空间分布具有与声场干涉条纹类似的结构,声场干涉越强,时间相关性越好。此外,声源频率和声速标准差的变化会引起时间相关性空间分布规律的改变,且会聚区传播模式下的改变强于深海声道传播模式。      

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。      

非完整阵列接收下的虚拟接收目标定位技术

在浅海近似绝热环境中,利用虚拟接收方法对声源测距的目标定位方法相比于传统的匹配场定位方法可以避免对环境参数和声场模型的依赖,同时省去生成拷贝场时的大量计算·利用虚拟接收方法对声源测距主要是通过估计虚拟声场干涉条纹的斜率进行定位,而非完整阵列接收相当于引入了干扰项,破坏了虚拟声场干涉结构。引入了一种基于图像Hessian矩阵特征值分析的多尺度线性滤波器,通过数值模拟和实验数据处理,结果表明,该滤波器可以有效地增强干涉结构、检测和提取干涉图案中的条纹信息,提高非完整阵列接收条件下的虚拟接收目标定位技术的测距性能。      

利用深海海底声反射区频域干涉结构的声源深度估计方法

提出了一种基于深海海底声反射区声场频域干涉结构特征的水下宽带近海面声源深度估计方法。该方法通过建立深海海底声反射区到达声场结构模型,推导了垂直阵接收信号波束输出幅度谱的近似表达式,利用幅度谱与声源深度和垂直到达角(俯仰角)之间的周期变化关系,将接收信号映射到深度-垂直到达角域中,实现了对宽带声源的深度估计。仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性,南海实验结果表明:利用阵长为64 m的垂直短阵接收标定深度为50 m和100 m的双弹信号,得到的深度估计结果同实际声源深度吻合较好,估计误差不超过7%,验证了该方法的有效性。     

声场干涉结构相似度匹配的目标运动参数估计

针对水中运动声源定位问题,建立了一种基于声场干涉结构谱向量相似度匹配的目标运动参数估计方法。结合声场干涉结构水平纵向相关特性,利用目标辐射噪声LOFAR谱图中不同频率的谱值序列,基于两方位-两距离目标运动要素计算方法获取的目标距离解向量,构造声场干涉结构谱向量相似度匹配代价因子,实现目标运动参数估计。仿真数据与试验数据验证结果表明:在绘制的目标运动要素解算结果可视化分布图中可清晰呈现出目标初距、航向和速度结果。该算法实现过程简单、解算效率高,对目标方位误差有较好的鲁棒性。      

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。      

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     

空气中快速运动声源水下声场的波数积分模型

本文采用二维波数积分，对空气中高速运动声源激发的水下声场进行建模。针对二维波数积分计算声场时域解计算量大的问题，提出一种快速计算方法。用本文提出的方法，对深海和浅海情况下，空气中高速运动单频点声源激发的水下声场进行了计算和仿真。计算结果表明：在深海，水下接收信号的幅度和瞬时频率随时间发生变化；接收器深度、接收器与声源运动轨迹的最小距离对接收信号的变化快慢有较大影响，而声源高度的影响较小；在浅海中，接收信号呈现快速的幅度起伏，明显的多普勒频移和大的频率展宽效应。与简正波方法相比，本文方法主要适用于近场计算，而简正波方法适用于远场。另外，当声源频率较高时，二维波数积分方法的计算量将迅速增大。     

单水听器波导不变量被动测距

本文主要讨论利用声场干涉现象由单水听器被动测距的可行性及测距性能,为此提出了单水听器波导不变量被动测距方法,通过提取LOFAR图上干涉条纹、使用简正波模型计算波导不变量、频域相关法估计相对速度,最后依据干涉条纹方程得到声源距离估计量。数值仿真和海上实验结果验证了单水听器被动测距的可行性,并具备一定测距性能,在3 dB信噪比环境中,对于7 km处的运动声源,平均测距误差小于5%。本文方法具有设备简单、易于推广至阵列信号处理等特点,为声纳信号处理环境宽容性的提高及环境适配声纳的设计开拓了思路。     

空气中声源激发水下声场的水平纵向相关性

声场的空间相关特性是声场的重要特征,对水下探测、水声通讯等各种设备在实际海洋环境中应用的参数选择具有重要意义,是水声工程技术研究的重要基础之一。相比于水中声源激发声场的相关特性研究,空气中声源的相关研究很少。本文推导了空气中声源激发水下声场的水平纵向相关的简正波表达式,并通过数值仿真分析,比较了声源分别位于空气中和水中时水下声场的水平纵向相关特性。对南海海域进行的一次悬挂汽笛空气声源、海底水平阵接收信号海上实验获得的数据进行分析,结果表明:空气中声源位于不同距离时,其发射的声信号激发水下声场的水平纵向相关均存在明显的起伏结构,基于本文提出的空气中声源激发水下声场的水平纵向相关系数的简正波表达式能够较好地解释该现象.      

运动目标辐射声场干涉结构映射域特征研究

浅海低频声场呈稳定而显著的干涉特征,并蕴含声源状态和波导特性等信息.本文研究运动目标辐射声场干涉结构的简化映射以及映射域能量分布对目标运动状态的指示特征.理论分析了声压场和矢量声场空(时)频干涉谱图的二维傅里叶变换映射特征,推导了匀速运动目标时频干涉谱图映射域能量脊斜率与波导不变量以及距变率、航向角的关系式,证明了映射域脊斜率符号、脊斜率绝对值变化等对目标来袭或远离以及目标威胁程度的指示,并进行了数值仿真和海上试验研究.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性.研究结果表明:二维傅里叶变换可将声压场和矢量场时(空)频谱图干涉结构简化,匀速运动目标辐射声场干涉结构映射域的能谱脊斜率、距变率、航向角与波导不变量有解析关系式,声强谱、动能密度谱、声强流谱等声场干涉结构经映射后更为一致,映射域脊能简明的指示目标运动状态和威胁程度.     

多普勒频移和干涉谱联合的水声目标运动参数估计

常见水中运动目标会辐射连续谱噪声和线谱噪声,连续谱噪声在浅海波导环境中形成明暗相间的干涉条纹。根据干涉条纹可以得到目标最近距离与速度的比值,无法直接解出两个参数值。针对利用干涉条纹无法分别估计最近距离与速度问题,提出一种多普勒频移、干涉条纹结合的运动参数估计方法。根据单条线谱多普勒频移得到最近距离与速度参数耦合曲线,再将该曲线与干涉条纹得到参数比值线相交,交点即为两参数估计结果。数值仿真估计声源运动速度、最近距离,在信噪比6 dB条件下,平均估计误差分别为0.71%与0.87%。将该方法应用在2021年6月大公岛海域海试数据,5组实验数据估计目标运动速度、最近距离平均误差分别为2.5%,4.4%,证明了方法的有效性。