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。     

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。      

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。      

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.      

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。      

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.     

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。      

不确定海洋环境中的模态子空间重构稳健定位方法

实际的海洋是一个不确定的声传播环境,常规的匹配场方法在进行目标定位时会遇到环境失配的问题,导致定位性能下降.在不确定的海洋环境中,声场传播中的一部分简正波模态受到声场不确定性的影响较小.基于此,本文提出了一种模态子空间重构的稳健定位方法.该方法使用稳定的模态来重构拷贝场向量,相比于常规匹配场定位方法中使用全阶模态来构造拷贝场向量,其定位结果更加稳健.利用计算机仿真数据和海试数据进行了定位性能分析,并给出了常规匹配场定位方法和稳健最大似然定位方法作为对比.研究结果表明:1)不确定海洋环境中,常规匹配场定位方法即使在较高的信噪比条件下其定位性能也较差.2)模态子空间重构定位方法的性能优于常规匹配场定位方法和稳健最大似然方法.     

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。     

基于高分辨谱估计方法的快速运动目标分析*

水下运动目标产生的声场由一系列不同模态的简正波组成,不同模态简正波具有不同的多普勒频率移动,携带了运动目标速度、频率等参数的信息。针对快速运动目标水下辐射声场的这一特点,采用高分辨谱估计Burg算法估计不同模态简正波多普勒频移,进而获得运动目标的速度、频率参数估计。数值仿真结果表明,高分辨谱估计Burg算法获得了高频率分辨率,在较短的观测时间或是阵元不足的情况下,较准确地估计了多普勒频移,获得了目标运动速度和初始频率等运动参数。     

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。      

虚拟接收目标定位技术中引导声源对目标声源的信噪比补偿

目标声源的低信噪比是目标定位技术中的瓶颈。在浅海近似均匀环境中,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。通过数值模拟和实验数据处理,比较了在虚拟接收方法声源测距中不同信噪比的引导声源对目标声源测距的结果。提高引导声源的信噪比,可以一定程度上提高于涉条纹清晰度,从而提高测距准确度。提高引导声源的信噪比可作为目标声源的信噪比补偿是利用虚拟接收方法的目标定位技术的又一个优点。      

失配情况下匹配模处理方法研究

匹配场处理是一种水声学和物理学相结合的信号处理技术,其在水下目标定位方面的高精度特点使得该方法受到广泛关注。匹配模处理是工作在模态空间的匹配处理方法。相对于匹配场处理方法,匹配模处理方法通过选取受环境失配影响较小的模态参与匹配处理(然而匹配场处理方法使用了全部声场数据),减小环境失配对定位性能的影响。本文研究了简正波模型下的匹配模处理器,讨论了环境失配时匹配模处理器的性能,通过选取受失配影响较小的模态组合,得出的定位结果更加精确。     

三维绝热简正波-抛物方程理论及应用

复杂海域通常存在环境参数的水平变化,这会导致声波在传播过程中发生水平折射,呈现出三维效应.利用绝热简正波-抛物方程理论进行三维声场建模,在垂直方向上使用标准简正波模型KRAKEN求解本征值和本征函数,水平方向上使用宽角抛物方程模型RAM求解简正波幅度.该模型物理意义清晰,计算效率高,但由于忽略了各号简正波之间的耦合,只适用于环境参数水平变化缓慢的问题.使用该模型分析了内波环境和大陆架楔形波导中的声波水平折射现象,结果表明,声波的水平折射将水平平面分为不同区域,每个区域内的声场结构明显不同.此外,声强在水平平面内的分布与声源频率和简正波号数有关,这种依赖关系是导致声信号频谱变化、波形畸变以及声场时空扰动的主要原因.     

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.     

基于模式能量比的海底声衰减系数反演

简正波的分离性能对简正波频散曲线、模式能量比等物理量的提取至关重要,这些物理量可以用来反演海底地声参数。本文分析了短时傅里叶变换(STFT)和warping变换两种方法在简正波分离上的性能的差异,并利用该两种方法提取模式能量比来反演海底声衰减系数。仿真实验和2018年冬季北海实验数据处理表明,warping变换在简正波分离上具有较大的优势,尤其是在近距离接收上。     

利用自相关函数warping变换的浅海声源深度判别

针对浅海波导声源深度判别问题,提出了一种利用warping变换提取接收信号简正波相关项的深度判别方法。对接收信号自相关函数做warping变换,分离其简正波相关项,利用能量占主导的简正波相关项特征频率之间的比例关系,确定其号数,从而分辨水面声源和水下声源。公式推导和数值仿真结果说明:不同深度声源激发的能量占主导的简正波相关项特征频率不同,可以用于判别声源深度。海试实验结果证明:在海水声速随深度不变或缓变的水文环境,低频条件下,该方法可以分离简正波相关项并确定其号数,在未知声源距离的情况下有效进行声源深度判别,且无须声源相对接收器运动。      

基于简正波分解的不同阵列匹配场定位性能分析

针对利用不同阵列对浅海环境中水下目标的定位问题,基于简正波分解方法,对组合阵的目标声源定位性能进行了研究,着力解决在实际实验环境下定位性能不够高的问题,并降低实验设备布放难度.在浅海环境下,基于匹配场理论的声接收阵可实现目标的定位,但定位性能受阵形、阵元数目等影响.通过研究不同声接收阵的简正波分解矩阵,可以有效辨别不同阵形定位性能的优劣.仿真实验表明,当某一子阵简正波分解效果较差时,会降低组合阵的定位性能.基于实际实验的需求,在对短垂直阵和组合阵性能的研究中发现,由于水平阵对接收声场的定位模糊度函数中的旁瓣有抑制效果,从而造成模糊度函数表面上旁瓣较低,定位目标的主旁瓣比有所提升的现象.仿真实验表明,不同组合阵形的定位准确度均在90%以上,基于实际应用的考虑,组合阵无疑是对定位性能和实验复杂度的折中选择.     

基于压缩拷贝场向量的空域滤波器设计

近几十年来,匹配场处理技术得到了广泛深入的研究,并针对实际应用提出了一系列的具体处理算法.当感兴趣的水下目标信号被水面强干扰信号掩蔽时,对水下目标的匹配场处理定位性能显著下降.现有的广义空域滤波器可以抑制水面强干扰,但计算速度较慢并且内存消耗较大.提出了一种基于压缩拷贝场算法的空域滤波器设计方案,并通过非相干叠加处理宽带问题.相对于现有的空域滤波器,当接收阵元数N大于波导中有效简正波号数Q时,该滤波器可以大幅度缩减计算时间、节约运行内存,并且保持了对水面强干扰的抑制性能.针对近岸浅海环境进行了仿真计算,并给出了一些近岸浅海海域试验数据处理结果,验证了该空域滤波器的性能和对计算速度的提升.结果表明,应用基于压缩拷贝向量的矩阵滤波器对强干扰下的弱目标进行宽带非相干匹配场定位,可实现水下目标的有效区分.     

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。