不确定环境下的稳健自适应匹配场处理研究

针对浅海中由于水声环境参数不确定、水面强干扰的存在、以及目标运动等因素会导致水下弱目标检测与定位性能严重下降的问题,将协方差矩阵降阶、环境宽容性约束和运动补偿进行有机结合,在对运动补偿算法加以改进的基础上,提出了一种在不确定环境和强干扰背景下检测水下微弱目标的稳健自适应匹配场处理方案。典型浅海环境下的数值仿真和实测数据分析表明,该方案在一定的环境失配条件下不仅能有效地抑制水面强干扰,还能为水下微弱运动目标的检测提供较大范围的空时相干累积,有利于提高目标的定位精度和输出信干比。     

基于环境扰动的线性匹配场处理方法

匹配场处理面临的挑战主要是拷贝场失配。常规线性匹配场处理方法虽然对失配较宽容,但旁瓣较高,定位正确率依赖于失配的程度,且很容易受到强干扰的影响而失效。自适应匹配场处理可以获得较高的定位精度和旁瓣抑制性能,但环境参数失配、距离／深度空间欠采样、基阵及环境的波动所造成的误差等因素,均会导致其性能严重下降。环境扰动约束可提高自适应匹配场处理器的稳健性,基于这种思想,提出了基于环境扰动的线性匹配场处理方法,它不仅在环境失配的条件下比常规线性方法的定位正确率更高,而且在阵列采样数据存在幅度与相位随机误差的条件下,比自适应匹配场方法的稳健性更强．针对环境失配条件下的强干扰问题,还提出了一种线性匹配场干扰抑制算法,可有效地抑制水面干扰。典型浅海环境下的数值仿真和实测数据分析验证了方法的有效性．     

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.      

高斯射线束方法在深海匹配场定位中的应用

匹配场定位作为一种水声被动定位方法,其拷贝场计算方法的精度和速度对定位效果和定位效率有着直接的影响。尤其在深海,目前浅海中常用的拷贝场计算方法如简正波法、抛物方程近似等在深海中往往存在计算效率不够、内存需求大、难以满足实际应用的需求。高斯射线束方法具有计算速度快,物理意义清晰,易于并行化处理等优点,非常适合于深海近程声场计算。通过数值仿真算例和海上实验数据的处理验证了高斯射线束方法用于拷贝场计算的有效性。仿真和实验数据处理结果表明,采用高斯射线束方法计算拷贝场在深海匹配场定位中有很好的定位效果.      

阵不变量匹配主动声呐目标深度辨识

水面/水下目标深度辨识可以在主动声呐探测过程中快速筛选感兴趣目标。根据目标多径返回信号到达时间与目标深度的关联性,该文提出了基于水平线阵的主动脉冲响应匹配目标深度辨识方法,该方法利用主动信号传播特性结合阵不变量理论提取脉冲响应,并与拷贝声场匹配实现目标深度估计。在校正了目标多径回波的方位变化后,该方法提取的时域特征较为稳定,并且只在时延估计距离处进行深度搜索。通过水平阵收集的宽带实验数据,在连续的多次回波中实现了对水面/水下目标92%的辨识成功率,验证了该方法在浅海环境下的目标深度估计能力。     

空气中声源的水下匹配场定位

通过水下布放的垂直线列阵采集空中声源在水下激发的测量声场,采用声场波数积分模型(OASES模型)对空中声源激发的水下声场建模,计算出拷贝声场,将二者进行匹配处理从而对空中声源目标定位。首先通过数值仿真验证了匹配场处理技术对空中声源的测距能力,并通过引入宽带匹配场处理器平滑掉距离上的周期性旁瓣。最后分析南海某海域的空气声试验数据,采用常规匹配场方法对700 m以内的32组空中声源目标进行定位,测距结果与GPS计算的收发间实际距离相比,大多数情况下是一致的,在较远距离由于信噪比降低,测量结果容易出现偏差。     

空气中声源的水下匹配场定位

通过水下布放的垂直线列阵采集空中声源在水下激发的测量声场,采用声场波数积分模型(OASES模型)对空中声源激发的水下声场建模,计算出拷贝声场,将二者进行匹配处理从而对空中声源目标定位。首先通过数值仿真验证了匹配场处理技术对空中声源的测距能力,并通过引入宽带匹配场处理器平滑掉距离上的周期性旁瓣。最后分析南海某海域的空气声试验数据,采用常规匹配场方法对700 m以内的32组空中声源目标进行定位,测距结果与GPS计算的收发间实际距离相比,大多数情况下是一致的,在较远距离由于信噪比降低,测量结果容易出现偏差。      

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。      

利用宽带引导声源重构拷贝声场的目标声源定位

为了避开传统的匹配场目标定位技术对环境先验知识的依赖性,提出了在均匀浅海环境中只知道少量环境参数的情况下,利用垂直接收阵和不同距离上的两枚宽带引导声源重构声场对目标声源进行定位的一种方法。这种方法主要基于简正波估计和声场重构两种关键技术,同时省去了匹配场定位技术中大量的拷贝声场计算。数值仿真主要采用线性Bartlett匹配处理器分析了目标定位效果,在信噪比高于10 d B的情况下,定位效果良好。     

一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法

在水平变化波导中,匹配场被动定位的计算量非常大,严重阻碍了其工程应用.本文提出了一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法,其抛物方程模型计算网格总数远小于匹配场处理,从而大大减小计算代价.与匹配场处理不同,虚拟时反实现方法是一个利用介质互易性和叠加性的后向传输过程.通过在各水听器位置放置虚拟声源,并在搜索区域产生相应的模糊平面,对各个模糊平面进行相应加权求和,获得的定位模糊平面.利用地中海浅海实验数据验证了虚拟时反实现方法的快速性能.     

Robust adaptive matched field processing with environmental uncertainty

The main challenges on detection and localization of quiet targets in littoral regions for passive sonar are the complicated acoustic propagation and the prevalence of loud ship interferences on the surface. Adaptive matched field processing can provide the ability to null surface interferences, but the mismatch between the computed and actual array steering vectors due to environment uncertainty, and the motion of both targets and interferences can result in loss of array gain significantly. To address the problem of environmental mismatch and target motion, a robust motion compensation algorithm and a system scheme for adaptive matched field processing have been developed. Both Numerical simulation and analysis of experimental data demonstrates that the robust AMFP scheme could suppress surface loud interferences and improve the detection performance for underwater weak moving targets in complex shallow water.     

An experimental study on matched field processing in shallow water

I.IntroductionPassiverangeanddepthlocalizationofanacousticsourceinshallowwaterisadifficult,yetinterestingproblemthathasreceivedagreatdealofattentioninthelastfewyears['5].Thesimu1taneousestimationofrangeanddepthrequirestheuseofnumericalpropagationmodels.Theclassicalapproachtothisproblemisto"match"thereceivedacousticdatawiththesoundfieldpredictedbythepropagationmodelforanumberofhypotheticalrange/depthsourcelocatiolls.Thistechniqueiscalledmatchedfieldprocessing.Itiscommonlyacceptedthatthewavepro…     

基于广义回归神经网络的强干扰下垂直阵 目标距离估计方法*

以声压场采样协方差矩阵为特征,基于广义回归神经网络(Generalized Regression Neural Network,GRNN)研究强干扰下的水下声源测距问题,提出了优化扩展因子的方法以提高神经网络定位性能。本文利用仅有一个网络参数的GRNN,使用SWellEX-96实验S59航次的垂直阵数据,比较了以传统匹配场处理(Matched Field Processing,MFP)为代表的模型驱动方法和以CNN(Convolutional Neural Networks,CNN)、GRNN为代表的数据驱动方法在强干扰下的水下目标被动定位性能。结果表明,基于优化扩展因子的GRNN网络在强干扰下可以有效实现距离估计。     

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。      

基于虚拟时间反转镜的短基线定位研究

海洋的多途效应是影响水声定位信号检测性能的主要因素。为了满足信号检测中的某种"最佳"准则,克服海洋水声信道的多途效应,本文基于信道的匹配滤波器-时间反转镜技术,提出虚拟时间反转结合匹配滤波器构造信号处理接收机的方法。通过计算机仿真和实验数据处理表明,经过基于虚拟时间反转处理的匹配滤波(TR-MF)接收机性能优于传统的匹配滤波(MF)接收机,并且将该技术应用在短基线水声定位系统中,提高了时延估计分辨力,改善了定位精度。     

多输入多输出与时反联合的波导声呐有源目标定位

为了提高对浅海静止小目标的探测能力,提出了将多输入多输出和时反处理相结合的波导声呐处理框架。利用收发合置垂直阵,假设目标为点目标,每一个阵元轮流时反发射正交信号照射目标,整个阵接收对应的目标回波。当所有的阵元发射正交信号结束以后,对所有接收的目标回波数据进行分集处理,然后与时反发射驾驶向量做匹配滤波完成对目标的定位。分时发射策略克服了水声信道时延扩展和多普勒扩展导致常规多输入多输出处理接收端不同回波信号分离的困难。采用物理时反发射和数值时反接收聚焦,有助于抑制混响、提高回混比。数值仿真和波导水池实验结果表明多输入多输出时反处理较常规的有源匹配场处理以更高的精度对波导中的目标进行定位。      

基于时反镜能量检测法的循环移位扩频水声通信

海面的起伏和多普勒效应使得接收信号的载波相位发生跳变以及水声信道的多途扩展使得接收信号波形发生畸变,这严重影响循环移位扩频系统的性能.本文提出循环移位能量检测器算法,通过检测循环移位匹配滤波器的输出能量对系统进行解码,可有效解决载波相位跳变对循环移位扩频系统的影响;将时间反转镜技术与循环移位能量检测器相结合,进一步提出时反镜能量检测器算法,利用已检测到的符号对信道进行实时估计并进行时反处理,抑制了水声信道多途扩展的影响,保证了循环移位扩频系统可在低信噪比条件下工作.通过大连海上试验以及莲花湖湖上试验验证,在复杂水声信道多途扩展、载波相位跳变和低信噪比条件下实现了低误码水声通信.