一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

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.     

浅海宽带简正模相干/非相干能量比值特征匹配的源深估计

无源声源深度估计一直是水声领域的一个难题。针对浅海波导中低频宽带脉冲声源深度估计问题,提出了利用单水听器接收信号中多阶简正模相干项能量与非相干项能量比值的特征匹配处理方法,不仅消除了声源未知激发谱的影响,而且由于在预先估计声源距离基础上实现对声源深度的独立估计,运算量小。同时,由于利用了实测数据与拷贝声场中具有相同简正模贡献的相干能量特征进行匹配,参数估计具有较高的稳健性。首先通过向量线性相关数学理论,在理想波导条件下讨论了简正模数目与源深估计单值性的关系,证明了仅利用两阶简正模时源深估计具有多值性,而声场含有三阶以上简正模时源深估计存在唯一解。进一步的仿真分析表明,当信噪比高于0 dB时源深估计结果的平均误差整体上在5 m之内。分析了水文参数、沉积层声学参数及声源距离失配时方法的鲁棒性。最后,利用浅海垂直阵采集的低频宽带脉冲实验数据对方法进行验证,声源深度估计结果绝对误差小于5 m的概率在79.1%以上。方法可推广应用于浅海水平或垂直基阵对低频宽带声源的深度估计。      

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.     

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。      

浅海水声信道响应的盲估计

在难以得到发射源信号的水下声场环境中,利用单水听器或单个波束的接收数据可以进行浅海信道响应的盲估计。首先运用径向高斯核时频分析方法进行源信号重构,再利用接收数据和所重构的源信号,通过高精度时延估计的WRELAX算法,估计出水声信道响应。所提出的盲估计方法经过海洋实验数据验证,估计结果准确,表明这种方法在水声领域具有广泛的应用前景。     

用垂直阵和单水听器测量水下目标辐射噪声的误差分析及其修正方法

文章给出了水声波导模型下垂直阵和单水听器测量水下目标辐射噪声的误差和修正方法,以便使两种测量结果一致和统一。在设定典型水声波导的参数后,用波数积分方法计算出声源到垂直阵各阵元的信道传输函数,再推导出垂直嵌套阵聚焦波束的信道传输函数,从而得到单水听器和垂直嵌套阵的测量误差。数值计算表明在70 m海深条件下,不同深度单水听器测量单频信号频谱级起伏达15 dB以上,总声级测量误差的均值为3 dB,而垂直嵌套阵测量单频信号频谱级起伏仅4 dB,总声级测量误差的均值趋于0 dB。海上实验测量单频信号声源级的结果与数值计算的起伏一致,海试中垂直阵获得较高的空间增益。结论是在浅海条件下垂直阵的测量精度高于单水听器的测量精度,用单水听器测量的目标总声级需要修正时可以修正,而用单水听器测量的单频信号声源级则难以修正。     

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.     

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。     

利用简正波频散特征映射方法进行海洋环境参数反演

浅海波导中传播的脉冲信号可以通过频散特征映射方法(warping变换)进行简正波的有效分离,这使得频散曲线的获取更加容易和准确.利用简正波频散特征映射方法分析2010年南海声层析实验中单个阵元接收的声学信号,有效分离出各号简正波,并进一步通过Wigner-Ville分布处理提取出波导中各号简正波的频散曲线.将提取的频散曲线与理论计算到达时差进行匹配,实现了利用单水听器信号的海洋环境参数反演.实验结果表明:将简正波分离与Wigner-Ville分布相结合可有效消除Wigner-Ville分布在估计多分量信号时的交叉干扰,提取的频散特征可很好地用于同时反演海水和海底声速剖面。为评价反演结果的有效性,对反演结果进行了后验概率分析,并将一小时内的海水声速剖面反演结果与温度链实测值作对比,二者符合较好.      

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.     

半经验关系与匹配场联合处理的爆炸声源快速定位

爆炸声源位置的快速准确获取对声源级测量和声传播计算具有重要意义。为了解决利用单一水听器进行爆炸声源定位时难以获得较好的定位效率和精度的问题,提出了一种基于半经验关系与匹配场联合处理的爆炸声源快速定位方法。首先通过爆炸声源满足的半经验关系,对爆炸位置进行预估,缩小匹配参数的搜索范围;同时,在基于多途时延差匹配定位理论的基础上,利用爆炸声源的半经验关系建立联合匹配定位方法,引入气泡脉动周期和冲击波峰值增加匹配物理信息,实现爆炸声源深度和距离精确反演。仿真分析与2013年南海水下爆炸声试验数据分析结果表明,一次气泡脉动周期与多途时延差的联合匹配可提高对爆炸声源深度的估计精度;冲击波峰值与多途时延差的联合匹配可提高对距离的估计精度。额外匹配量的引入减少了估计精度对接收阵元个数的依赖,能够实现用单阵元快速准确地进行爆炸源位置的估计。      

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.     

Interfering modes and an axial wave in an underwater sound channel

Experiments on long-range propagation of low-frequency sound that were conducted starting from the mid-1980s indicate a complex character of propagation in an underwater sound channel, in which a source and a receiver are located close to the channel axis. A burst of energy propagating along the axis follows early arrivals, which are well described by the formulas of geometrical acoustics, in plots of acoustic intensity as a function of propagation time and hydrophone depth. This energy burst cannot be described using geometrical acoustics because of caustics with caustic beaks located near the channel axis. Very complex interference processes occur near these caustics. As the distance from the source grows, the dimensions of the interference vicinity increase and start to overlap producing a peculiar “axial wave.” For an arbitrary two-dimensional underwater sound channel, the axial wave can be represented as a sum of the first normal modes and a residue. This conclusion is based on the use of two representations for an acoustic field. The first of them includes the sum of ray components and an axial wave. The second representation consists of ray addends, the sum of the first normal modes, and a residue. Numerical results are obtained for a canonical profile of sound velocity at the frequency of 200 Hz for the distances of 1600–1650 km.     

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。     

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.