Design and implementation of a shielded underwater vector sensor for laboratory environments

Underwater acoustic vector sensors, for measuring acoustic intensity, are typically used in open water where electromagnetic interference (EMI) is generally not a contributor to overall background noise. However, vector sensors are also useful in a laboratory setting where EMI can be a limiting factor at low frequencies. An underwater vector sensor is designed and built with specific care for EMI immunity. The sensor, and associated signal processing, is shown to reduce background noise at EMI frequencies by 10-50 dB and 10-20 dB across the entire frequency bandwidth, as compared to an identical unshielded vector sensor.     

基于矢量传感器的水下双址接入研究

针对水声信道的特殊性,提出一种适用于水声通信的双址接入方法。旋转矢量传感器的组合指向性,使其零点对准某一信源,则该信源被屏蔽,此时信宿可以与另一信源进行通信,反之亦然。矢量传感器的空间指向性不随频率变化,该方法可以实现宽带双址异步通信。此外,当两信源之间的开角大于34.8°时,通过对矢量传感器声压和振速输出的联合处理,可以使分离出的不同信源所发射的信号获得一定的信噪比增益。理论分析、数值仿真和湖上实验结果表明:基于矢量传感器的双址通信算法实现简单,信道资源利用率高,可以与其它多址接入技术结合使用,并且矢量传感器的空间增益可以有效降低系统的误码率。由于水声信道的特殊性,水下信息网须采用多种多址接入技术,本文所提出的双址通信方案将是其它多址接入技术的有益补充。      

Experimental demonstration of remote, passive acousto-optic sensing

Passively detecting underwater sound from the air can allow aircraft and surface vessels to monitor the underwater acoustic environment. Experimental research into an optical hydrophone is being conducted for remote, aerial detection of underwater sound. A laser beam is directed onto the water surface to measure the velocity of the vibrations occurring as the underwater acoustic signal reaches the water surface. The acoustically generated surface vibrations modulate the phase of the laser beam. Sound detection occurs when the laser is reflected back towards the sensor. Therefore, laser alignment on the specularly reflecting water surface is critical. As the water surface moves, the laser beam is reflected away from the photodetector and no signal is obtained. One option to mitigate this problem is to continually steer the laser onto a spot on the water surface that provides a direct back-reflection. Results are presented from a laboratory test that investigates the feasibility of the acousto-optic sensor detection on hydrostatic and hydrodynamic surfaces using a laser Doppler vibrometer in combination with a laser-based, surface normal glint tracker for remotely detecting underwater sound. This paper outlines the acousto-optic sensor and tracker concepts and presents experimental results comparing sensor operation under various sea surface conditions.     

水下网络突发分组前导码检测的自适应阈值算法

本文针对水声信道的特点,提出了一种适于水下传感器网络突发通信分组前导码检测的自适应阈值算法。该算法根据估计的信号瞬时功率自适应地调整阈值,以取代固定阈值算法中的预设常数阈值。进行了理论分析和仿真,证明该算法具有恒虚警的特点,检测概率比固定阈值算法有明显的提高。针对检测到相关函数旁瓣的情况,加入了滑动窗口。该算法经过了湖试验证,性能良好,具有实用价值。     

高浓度沙泥沉降建模及对声传播能量的影响分析

对非刚性水下目标和事件的检测是水下安全警戒的重要内容之一。论文以港口疏浚导致的短时海区内高浓度沙泥侵入为例,探索基于声传感器收发分置的非刚性水下目标检测方法。基于沙泥沉降和声线传播模型,研究非刚性目标在沉降过程中形状、位置变迁对声传播能量及结构的影响规律。计算机仿真与海上实验均表明,局部高浓度泥团在沉降过程中,其形状、密度等指标参数会随时间发生变迁,并对经过其沉降区域的声线能量及结构造成明显影响。通过检测接收声信号能量、结构随沙泥沉降变迁的关系,可实现对水下侵入目标存在性的检测,并为开展进一步的反演、跟踪提供支持,具有一定的研究意义和参考价值。      

基于声矢量传感器的分布式定位系统在水下宽带声源定位中的应用

提出了基于声矢量传感器的分布式浮标网络定位系统,研究了不同应用背景下单个声矢量传感器的测向算法,推导了目标DOA估计的Cramer-Rao界,给出了分层海水介质中多个声矢量传感器的几何定位算法。数值仿真结果表明:(1)系统的定位性能强烈依赖于接收信噪比;(2)该系统适用于单一强声源的定位。     

Detection of number of sources and DOA estimation based on the combined information processing of pressure and particle velocity using acoustic vector sensor array

In order to solve the problem of DOA(direction of arrival)estimation of underwater remote targets,a novel subspace-decomposition method based on the cross covariance matrix of the pressure and the particle velocity of acoustic vector sensor arrays(AVSA)was proposed. Whereafter,using spatio-temporal virtual tapped-delay-line,a new eigenvector-based criteria of detection of number of sources and of subspace partition is also presented.The theoretical analysis shows that the new source detection and direction finding method is different from existing AVSA based DOA estimation methods using particle velocity information of acoustic vector sensor(AVS)as an independent array element.It is entirely based on the combined information processing of pressure and particle velocity,has better estimation performance than existing methods in isotropic noise field.Computer simulations with data from lake trials demonstrate,the proposed method is effective and obviously outperforms existing methods in resolution and accuracy in the case of low signal-to-noise ratio(SNR).     

基于Hilbert变换的水下多源声信号频率的相干探测

为实现水下中低频声信号的探测识别,通过研究水下多声源相干探测信号的特征,理论上给出了相干探测信号频谱混叠情况下的特征表达式,并提出了一种基于Hilbert变换的信号解调处理方法,实现了水下多声源相干探测信号频谱混叠情况下各声源发声频率的解调.该方法将探测信号经过滤波平滑处理之后进行Hilbert变换,得到信号的解析形式,然后对解析信号模值的平方进行二次滤波平滑等处理,分离混叠在一起的频带,将得到的信号进行频谱分析,根据频移值计算得到水下各个声源的发声频率.在光学暗室下搭建激光相干探测系统,对2~6kHz的水下声信号进行实验,实验结果表明,该方法可以有效分离探测信号中混叠在一起的信号频带,并准确提取各水下声信号的发声频率,频率提取重复性不大于2.5Hz.     

矢量声纳高速运动目标稳健高分辨方位估计

针对水声矢量信号处理框架中的高速运动目标低信噪 比小快拍条件下的稳健高分辨方位估计问题, 将压缩感知技术应用于水声矢量信号空间谱估计模型中. 结合声矢量传感器结构特性, 探讨了基于声压振速联合处理的广义时域滤波方法; 结合矩阵空域预滤波理论, 设计了基于阻带约束通带均方误差最大值最小的空域滤波器, 研究了矢量声纳空域预滤波方法; 结合以上分析, 提出了基于压缩感知技术的时空联合滤波高分辨方位估计方法, 给出了方法的数学模型、物理解释及具体实施步骤.理论分析和计算机仿真试验表明, 新方法对于小快拍数 条件下的矢量声纳高速运动目标高分辨方位估计问题, 具有较低的双目标分辨门限和较高的估计精度, 有着良好的应用前景.湖上试验验证了方法的有效性. 关键词： 声矢量传感器 空间谱估计 时空滤波 压缩感知     

MEMS仿生矢量水听器微结构的有限元分析

结合压电原理和仿生学理论,利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器,具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率,利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先,对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次,运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果,得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400, 80, 50, 1000和80 m 时,MEMS矢量水听器的性能得到最优化,同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。     

基于压缩感知的矢量阵聚焦定位方法

本文针对噪声源近场定位识别问题,利用声源分布在空间域具有稀疏性,在压缩感知理论框架下建立了新体系下的矢量阵聚焦波束形成方法,用于解决同频相干声源的定位识别问题.新方法可在小快拍下准确获得噪声源的空间位置,且不损失对噪声源贡献相对大小的评价能力.通过详细的理论推导、仿真分析和试验验证,证明了基于压缩感知的矢量阵聚焦定位新方法本质上实现了l1范数正则化求解下的波形恢复和空间谱估计,因此具有较高的定位精度,较强的相干声源分辨能力、准确的声源贡献相对大小评价能力以及较高的背景压制能力,可应用于水下复杂噪声源的定位识别.     

Near fields scattered by an underwater finite cylindrical baffle

In this work,acoustic vector characteristics of near fields scattered by an underwater finite cylindrical baffle are investigated theoretically and experimentally.The analytic expressions for the scattered pressure and particle velocity are derived using the elastic thin shell theory.Calculations are presented for the scattered near fields of the pressure,the particle velocity and the intensity.It is found that the pressure and the particle velocity fields near the surface of the cylindrical baffle are characterized by complex interference structure,particle velocity directions and the source bearings are not consistent.The phase difference between the pressure and the particle velocity is not zero and the intensity vector does not reflect the sound bearings.It can be noted that the distortions of the fields will make the original vector signal processing method based on the free space assumption be no longer applicable in the presence of the cylindrical baffle.These results can serve as a basis of the application for the acoustic vector sensor on board.     

一种在色噪声环境下的信号检测方法

为了抑制蛟龙号载人潜水器水声通信受母船色噪声干扰的影响,本文提出了一种统计匹配滤波器在色噪声环境下使用的新方法,它通过将接收信号映射到一个生成子空间中进行信号检测,可提高输出水声通信信号的信噪比。受客观条件限制,向阳红09船——蛟龙号载人潜水器的试验母船噪声环境比较恶劣,对水声通信产生了较强的干扰。如何在向阳红09船的这种强、色噪声环境下,提升水声同步信号的检测能力,对提高水声通信的可靠性是非常有帮助的。实际采集试验数据分析结果验证了该检测算法比传统匹配滤波器有更强的信号检测能力。     

水声信号处理领域新进展

本文介绍近30年来水声信号处理领域理论研究的新进展和在声纳设计中的应用。包括水声信号建模、声场匹配、海洋波导和内波现象的探索和研究、声矢量场信息获取和处理,低频水声信道的时/空相关特性,水下目标辐射噪声的不变特征量提取和检测技术,水下语音、图像传输和抗干扰技术。同时概述,声纳设计的前沿领域:大孔径拖曳线列阵声纳、高分辨力合成孔径声纳、深海传呼机等的发展情况。     

Development of an accelerometer-based underwater acoustic intensity sensor

An underwater acoustic intensity sensor is described. This sensor derives acoustic intensity from simultaneous, co-located measurement of the acoustic pressure and one component of the acoustic particle acceleration vector. The sensor consists of a pressure transducer in the form of a hollow piezoceramic cylinder and a pair of miniature accelerometers mounted inside the cylinder. Since this sensor derives acoustic intensity from measurement of acoustic pressure and acoustic particle acceleration, it is called a p-a intensity probe. The sensor is ballasted to be nearly neutrally buoyant. It is desirable for the accelerometers to measure only the rigid body motion of the assembled probe and for the effective centers of the pressure sensor and accelerometer to be coincident. This is achieved by symmetric disposition of a pair of accelerometers inside the ceramic cylinder. The response of the intensity probe is determined by comparison with a reference hydrophone in a predominantly reactive acoustic field.     

多核DSP在无人平台探测声纳中的应用研究

在信息技术日益成熟的今天,无人平台在军事和民用领域都扮演着越来越重要的角色。水下无人航行器探测已经成为水声领域重要前沿研究方向,高速运算处理能力更是整个系统的核心。本文以多核DSP作为处理核心,提出了一个水下无人平台探测声呐架构。首先对多核DSP性能做了基本介绍,并以几种基本运算和经典波束形成算法作为例子进行了说明,通过性能测试证明了这一架构适用于水下无人平台的实时信号处理。这一多核DSP架构的设计和应用在水声领域中具有一定实用价值。     

基于听觉谱特征的变压器绕组状态检测研究

绕组松动是变压器常见故障之一,对变压器的安全运行产生巨大威胁.故对其进行精准的监测,对提高电力系统的安全稳定性具有十分重要的意义.基于声信号的变压器绕组松动检测,由于其具有无损检测和不需停运变压器等优点,成为近年来研究的热点.但声信号检测存在故障特征提前复杂和易受噪声干扰等缺陷,限制了其工程应用.该文提出了一种基于声信...     

基于通用数据采集卡的水声应答器设计

水声应答器(Acoustic Transponder/Responder)是一类常用的水声设备,主要功能是完成水下设备的定位和导航,广泛应用在水声系统测试、目标模拟以及水声科学试验中。本文以NI公司的PCI-6052采集卡和工控机构成信号处理模块,设计出了一种可灵活配置的水声应答系统(ESRAE,Extensible Sound Responder for Acoustic Experiments),通过环境噪声电平的跟踪估计和脉冲判决技术实现了复杂海洋条件下脉冲检测、回发功能,并在海洋水声信道测量试验中得到了成功的应用。     

MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性（英文）北大核心CSCD

提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176dB,且具有良好的“8”字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。     

基于水声信道传播时延排序的分层空时信号检测

基于分层空时编码的多输入多输出技术是一种极具潜力的高速水声通信技术, 但要实现这种潜力需要复杂的空时信号处理方法, 以抵消来自水声信道的多径干扰和异步到达干扰, 以及叠加在接收端的各层信号之间的干扰. 对低复杂度的空时信号处理方案进行了研究, 提出了一种基于子信道传播时延排序的有序连续干扰抵消信号检测算法, 利用子信道间的传播时延差, 实现可使差错概率最小的最佳检测排序; 给出了利用信道估计, 以极低的计算量确定排序的方法, 从而可以大幅降低信号检测的计算复杂度. 采用低复杂度的单载波频域均衡来抵消水声信道中的码间干扰和异步到达干扰. 仿真结果表明, 基于时延排序的信号处理算法可以获得检测性能的改善, 而且性能增益在高数据率时更加显著. 研究结果表明, 采用有效的信号处理方法可使水声信道中造成信号检测干扰的传播时延成为改善系统性能的有利因素.