一种基于warping变换的浅海脉冲声源被动测距方法

针对浅海波导中脉冲声源被动测距问题, 提出了一种利用接收信号的能量密度函数进行warping变换的声源被动测距方法. 对于浅海波导, 接收信号的能量密度函数中不同号简正波相干部分, 经warping变换后输出结果的频谱中包含与声源和接收器位置无关的不变性频率特征. 这些特征频率在数值上等于理想波导中相干的两号简正波的截止频率差, 与海底参数无关, 因此仅需已知海水中的平均声速和海水深度便可计算出特征频率值. 当声源距离未知时, 利用特征频率的提取值与真实特征频率之间的关系可以实现快速测距, 极大地提高了计算速度. 为了验证方法的有效性, 对2011年11月黄海海域水声实验的接收脉冲数据进行了处理, 测距结果与实测距离符合良好, 平均测距误差在8%以内.     

浅海中利用单水听器的声源被动测距

针对浅海声波导中远距离脉冲声源被动测距问题,提出了一种利用单水听器接收信号自相关函数进行warping变换的声源被动测距方法。理想水下声波导中,接收信号warping变换输出的傅里叶变换频谱中具有不变性频率特征,即与声源距离无关的各简正波截止频率;信号自相关函数中不同简正波相干成分也存在不变性频率特征;推导了未知声源距离时特征频率提取值与不变性频率特征之间的近似关系式。这些规律可推广到实际浅海声波导,并用于声源被动测距。利用声场计算模型来提供具有不变性频率特征的频谱,对2011年12月北黄海海域水声实验中单水听器接收的脉冲声数据进行了处理,验证了方法的有效性,测距结果和实际距离符合良好,平均测距误差在10%以内。      

浅海单矢量传感器宽带声源三维定位仿真

针对水平不变的浅海波导中单矢量传感器对低频宽带声源的三维被动定位问题,首先利用平均声强器估计声源方位；其次,通过分离简正模的声压和水平振速分量联合处理获得运动声源相对速度,进一步基于垂直声能流中简正模相干项特征频率不变性以及长时间窗口中多快拍信号的统一处理,建立WARPING变换频谱作为代价函数的搜索处理器,估计该段信号的初始距离,进而获得各时刻声源距离,所提出的方法避免了对拷贝声场和引导声源的依赖；最后,利用多阶简正模相干项与非相干项能量模基处理方法,当声场中存在三阶以上简正模时,可对声源深度进行匹配估计。仿真分析表明,单个矢量传感器能够给出声源的方位、距离及深度估计结果。     

一种基于简正波模态频散的远距离宽带海底参数反演方法

在浅海环境中, 海底环境参数对声传播有着重要的影响. 由于利用单个宽带声源进行海底参数反演时, 随着距离的增大, 误差变大, 本文提出利用warping变换对在浅海波导中传播的, 不同距离上的两个宽带爆炸声源进行简正波的有效分离, 实现了宽带爆炸声源的远距离海底参数反演. 采用全局寻优遗传算法对提取出的模态频散到达时间差与理论计算的模态频散到达时间差进行匹配处理, 并结合随距离连续变化的声传播损失, 实现了利用单水听器进行海底参数的反演. 实验结果表明: 运用反演出的海底参数提取模态频散时间差和实测数据提取出的模态频散时间差吻合得较好; 而通过传播损失反演得到的海底衰减系数与频率呈指数关系. 最后, 对反演结果进行了后验概率分析, 并将本组爆炸声源的反演结果用于另一组不同距离上爆炸声源时仍然有效, 来评价反演结果的有效性.     

运动小孔径水平基阵估计目标深度

针对浅海动态声场,基于简正波模型提出了一种利用运动小孔径水平基阵估计目标深度的方法。通过合成孔径算法将运动小孔径水平基阵扩展成虚拟的大孔径水平基阵,利用稀疏近似最小方差准则可以在相对较小的合成孔径上估计各阶简正波模态能量,不同深度的模态匹配度由Camberra距离的负指数度量,目标深度估计结果是模态匹配度最大值对应深度。数值仿真与实验结果表明,在简正波声场结构基础上,声源频率越低则实现目标深度估计需要的合成孔径距离越小,当声源与阵列端射方向成一定角度时,对所需合成孔径的影响与其相对速度变化时的影响相同,在典型浅海水平分层波导中,当单阵元输入信噪比为10 dB时,准确估计200 Hz和350 Hz声源的深度,分别要求合成孔径大于12倍和16倍波导深度。利用实验数据验证了该方法对水下低频线谱声源的深度估计能力。      

一种基于模态提取的深度和距离可变的时反聚焦方法

提出了一种基于模态提取的深度和距离同时可变的时反聚焦方法。首先,通过模态提取方法从时反阵列接收的探测信号中提取出波导中传播的模态函数信息,并且进一步地从中获得一个包含探测声源深度信息的对角阵以及一个包含探测声源距离信息的向量;然后,利用模态提取获得的信息对探测声源深度信息矩阵和距离信息向量进行调整,重新构造出时反阵列的一个接收声场向量信息,使得时反发射声场聚焦的深度和距离发生变化。这种方法克服了传统时反处理只能在探测声源位置聚焦的局限性,通过对探测声源深度信息矩阵和探测声源距离向量信息进行适当的调整,可以将时反发射的声场聚焦到探测声源以外的某个期望位置上。针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真试验验证了该方法的有效性。      

一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在模态匹配和匹配场处理定位方法的基础上,提出了一种适用于具有液态半无限空间海底的浅海波导中声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以对脉冲声源接收信号的各阶简正波实现有效分离,由此得到各阶简正波的频域信号.海底相移参数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,而各阶简正波的水平波数可以通过含有海底相移参数的表达式来表达.此外,由于声速剖面对简正波的各阶水平波数具有相近的影响,因此通过对任意两阶简正波进行联合处理,可以近似消除声速剖面对简正波水平波数差的影响.任意两阶简正波的水平波数差只近似用于海底相移参数、海深以及波导中平均声速三个参数有关,可以简单、快速地计算相应拷贝场,然后通过建立代价函数并对简正波模态进行匹配,可以实现对水下脉冲声源的被动测距.与传统的模态匹配定位方法相比,本文提出的方法既不需要使用水听器阵,又可以简单、快速地计算出拷贝场.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.     

有限波束作用下掩埋球体的散射声场计算

计算并分析了海底掩埋物体的三维散射声场。采用“等效垂直线列阵”方法来进行有限波束的建模,并将浅海波导中点声源散射声场的波数积分计算方法,推广到有限波束作用下海底掩埋物体的散射场计算,本文导出了物体位于沉积层中的散射声场计算公式。计算结果表明,在波导中垂直面内的散射声场,与沉积层中点源形成的声场非常相似;当距离较远时,散射声波呈柱面波衰减。文章还分析利用海面反射以提高散射能量的可能性,表明波束指向性及波束宽度对散射声场有较大影响。     

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.     

基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法

浅海波导运动声源定位研究中,在声源距离未知时估计声源深度一直是个具有挑战性的问题.现有深度估计方法对声源未知初始距离敏感,且要求声源运动形成的水平合成孔径长度远大于模态干涉长度.针对这两个问题,本文提出一种基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法,首先将垂直阵接收声压数据在深度和水平合成孔径方向分别进行波束形成变换到波束-波数域,波束-波数平面的峰值幅度仅包含与声源深度有关的模态激励,峰值位置与模态传播角和水平波数相对应;然后,在波束-波数平面内提取各峰值幅度,并与拷贝计算的模态深度函数进行非相干匹配,实现声源深度估计.所提方法在波束-波数二维平面内进行模态分离,消除了声源距离相关项,提高了模态分辨能力,可在声源初始距离未知和水平合成孔径长度小于模态干涉长度的情况下实现声源深度估计.仿真和SWellEx-96实验数据处理结果验证了所提方法的优越性能.     

水平变化双层波导声传播问题的耦合简正波解

为了验证现有模型的精度,导出了全反射下边界双层波导中简正波耦合矩阵的解析表达式,并将其应用到全局矩阵耦合简正波模型(Direct Global Matrix Coupled-Mode)中,使得该模型可以提供水平变化双层波导问题的标准解。文中首先利用COUPLE的简正波及耦合矩阵数值解验证了该简正波及耦合矩阵解析表达式的正确性;其次,采用改进的DGMCM模型求解了双层波导海山声传播损失,结果表明,改进后的DGMCM模型可以非常精确地求解水平变化双层波导问题,可作为求解此类问题的标准模型使用。     

一种水平变化可穿透波导中声传播问题的耦合简正波方法

通过利用标准简正波程序KRAKEN计算本地简正波解及耦合矩阵, 进一步发展了求解水平变化波导中声场的全局矩阵耦合简正波方法(Luo et al., "A numerically stable coupled-mode formulation for acoustic propagation in range-dependent waveguides," Sci. China-Phys. Mech. Astron. 55, 572 (2012)), 使得该方法可以处理具有可穿透海底及随深度变化声速剖面等实际问题, 并提供声场的完全双向解. 本文还给出了双层波导中耦合矩阵的解析表达式, 并利用其验证了本方法中耦合矩阵数值算法的精度. 最后, 利用改善后的全局矩阵耦合简正波模型(DGMCM)计算了美国声学学会(ASA)提出的可穿透楔形波导标准问题, 将所得数值解与参考解比较, 结果表明DGMCM方法可以精确处理水平变化波导中声传播实际问题. 关键词： 耦合简正波理论 全局矩阵方法 可穿透楔形波导     

Matched-field depth estimation for active sonar

This work concerns the problem of estimating the depth of a submerged scatterer in a shallow-water ocean by using an active sonar and a horizontal receiver array. As in passive matched-field processing (MFP) techniques, numerical modeling of multipath propagation is used to facilitate localization. However, unlike passive MFP methods where estimation of source range is critically dependent on relative modal phase modeling, in active sonar source range is approximately known from travel-time measurements. Thus the proposed matched-field depth estimation (MFDE) method does not require knowledge of the complex relative multipath amplitudes which also depend on the unknown scatterer characteristics. Depth localization is achieved by modeling depth-dependent relative delays and elevation angle spreads between multipaths. A maximum likelihood depth estimate is derived under the assumption that returns from a sequence of pings are uncorrelated and the scatterer is at constant depth. The Cramér-Rao lower bound on depth estimation mean-square-error is computed and compared with Monte Carlo simulation results for a typical range-dependent, shallow-water Mediterranean environment. Depth estimation performance to within 10% of the water column depth is predicted at signal-to-noise ratios of greater than 10 dB. Real data results are reported for depth estimation of an echo repeater to within 10-m accuracy in this same shallow water environment.     

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.     

Passive source range estimation with a single receiver in shallow water

An approach for long-range passive impulsive source ranging with a single receiver in shallow water is proposed,which utilizes the frequency spectrum of the warped signal autocorrelation function via warping transform.For an ideal waveguide,there are invariable frequency features both in the frequency spectrum of the warped signal corresponding to modal cut-off frequencies and the warped signal autocorrelation function due to modal interference.These intrinsic frequency features can be used to passive source ranging.So,the approximate relationship between the frequency of warped signal at an unknown source range and the intrinsic frequency extracted by the time warping transform is derived.These rules can be generalized to an actual shallow water waveguide.Employing an acoustic model to offer the invariable frequency spectrum features,the impulsive signal data collected by a single hydrophone in the North Yellow Sea in December 2011 are analyzed to verify the proposed source ranging approach.The estimated ranges are in good agreement with the ranges measured by GPS,and the mean relative error of range estimation is less than 10%.     

一种水平变化波导中声传播问题的耦合模态法

针对介质参数及海底边界水平变化波导中的声传播问题,本文基于多模态导纳法提出一种能量守恒且便于数值稳定求解的耦合模态方法.将声压表示为一组正交完备的本地本征函数之和,对声压满足的Helmholtz方程在本地本征函数上作投影,推导出关于声压模态系数的二阶耦合模态方程组.耦合矩阵直观描述水平变化因素对模态耦合的贡献.为避免直接求解二阶耦合模态方程组可能遇到的数值发散问题,将其重构为两个耦合的一阶演化方程组,引入导纳矩阵并使用Magnus数值积分方法获得稳定的声场解.利用该耦合模态方法数值计算水平变化波导中的声场,并与COMSOL参考解比较,结果表明该耦合模态理论能够精确求解水平变化波导中的点源及分布源传播问题.     

Frequency invariability of acoustic field and passive source range estimation in shallow water

The frequency invariability of the warped modal signal and the warped signal autocorrelation function in shallow water is discussed.A method is proposed for passive source-range estimation based on the frequency invariability and warping transform of signal autocorrelation function received by a single hydrophone in a range-independent or weak range-dependent shallow water environment.In the method,a guided source with a known range is employed to provide the crucial and relative invariant scaled features.The experimental data in shallow water with an iso-speed profile and a fluctuated thermocline are used to verify this approach.The relative errors of the source range estimation are basically less than 10%.     

Waveguide invariant analysis for modeling time-frequency striations in a range-dependent environment

The waveguide invariant is a useful parameter for understanding the behavior of interference patterns (e.g., striations in time-frequency plots) resulting from broadband acoustic sources in shallow water waveguides. It is possible to model these striations for range-dependent environments using conventional parabolic equation methods; although this approach can be computationally intensive as a full field must be created for each frequency and azimuthally dependent geometry. This letter discusses the formulation and use of a range-dependent waveguide invariant distribution that can be used to describe spectral striation patterns using a fraction of the computing power required by parabolic equation methods.     

Low frequency coupled mode sound propagation over a continental shelf

A two-way integral equation coupled mode method is applied to a continental shelf ocean waveguide proposed for a special session devoted to range-dependent acoustic modeling at the 141st meeting of the Acoustical Society of America. The coupled mode solution includes both sediment trapped and continuum modes. The continuum is approximated by a finite number of leaky modes but neglects the branch cut contribution. Mode coupling matrix elements and the range evolution of the modal amplitudes show the nature of the mode coupling. Transmission loss versus range at 100 Hz predicted by the integral equation approach is compared to the transmission loss predicted by a wide angle parabolic equation method. While there is very good agreement, one observes small differences that can be interpreted as backscattering predicted by the integral equation solution.