声速剖面反演对基阵倾斜失配的敏感性研究

通过推导基阵倾斜失配给声传播时间计算带来的误差,分析了这种参数失配对基于声传播时间的声速剖面反演结果的敏感性。研究结果表明,小角度倾斜时,由基阵倾斜所带来的声速剖面反演误差与倾斜俯仰角近似成正比,与声传播时间近似成反比。当基阵倾斜方位与声源一基阵连线方向一致时带来的误差最大,而垂直时误差最小。理论计算与仿真、实验结果在变化趋势和数量级上具有较好的一致性,为反演误差预报提供了参考。     

浅海复杂环境下等效声速剖面的构建方法*

针对浅海复杂环境声速剖面水平变化情况下的声传播损失预报及目标定位问题,提出了一种基于遗传算法的等效声速剖面重构算法。首先,将声速剖面进行时间和空间上的分解,从而将声速剖面抽象为对声速剖面前三阶正交函数系数的反演;其次,利用遗传算法,以先验声速剖面集为基础,进行参数反演。仿真结果表明,在浅海复杂条件下,传播损失预报受声速剖面及海洋参数的影响,不能直接运用接收或发射位置处的声速剖面进行传播损失预报,否则会对预报结果造成误差。通过构建具有声传播累积效应的等效声速剖面可以提高匹配场定位精度,完成目标定位,且在构建等效声速剖面时,接收位置处即本地声速剖面所占权重较大。     

采用小生境遗传算法反演浅海声速剖面研究*

针对浅海声速剖面反演问题,采用小生境遗传算法,结合声线搜索的最快本征声线匹配反演,实现浅海负跃层条件下的声速剖面估计。利用经验正交函数对声速剖面的多参数不确定性降维,依据声场计算模型获取的最快特征声线传播时延与观测声传播时长进行匹配,采用小生境遗传优化算法,获取最优经验正交函数估计,实现声速剖面反演。按上述方法反演处理浅海声传播实验数据,结果表明,该方法针能够有效反演浅海声速剖面,并且显著优于传统遗传算法反演结果。     

南海北部负跃层环境下海底参数声学反演

利用2015年南海北部声学实验的实验数据,对海底声学参数进行反演。在综合分析声速起伏及海底模型对海底反演影响的基础上,通过选择等效的海水声速剖面和海底模型,改进了多参量联合地声反演方法,使得其不仅能解决反演中的多值性问题,还能适用于负跃层起伏环境下的声学反演。即当用匹配场反演海底声速和用传播损失反演海底衰减时,如果温跃层内有内波等随机起伏,可使用传播路径上平均声速剖面和单层等效海底进行声场计算。反演得到的海底声速和密度结果与海底采样测量符合较好,拟合给出了海底衰减系数随频率的非线性经验关系式。反演结果可为南海北部声传播规律研究与应用提供海底参数。      

浅海声速剖面的匹配波束反演方法

为了快速反演获得浅海声速剖面,利用匹配波束构造了反演代价函数,在此基础上研究了浅海声速剖面的匹配波束反演方法(MBI)。并运用东中国海的实验数据进行实际反演,验证了MBI的可行性和鲁棒性。利用垂直线列阵接收的29个不同位置的爆炸声信号进行了声速剖面反演, MBI反演的结果与实验中直接测量的声速剖面一致,且反演声速剖面的均方根误差小于2 m/s。研究结果表明,MBI比常规匹配场反演(MFI)获得浅海声速剖面更快速、更准确,并且对底质参数的失配具有较高的鲁棒性。     

强非线性时间演化声速剖面的序贯反演

受海面波浪起伏、降雨和内波等海洋动力学过程的影响,浅水声速剖面的时间演化具有高度非线性,针对该问题提出使用改进的粒子滤波方法进行声速剖面序贯反演.该方法通过建立声速剖面的经验正交模型(EOF)以及描述声速剖面时间演化特征的状态空间模型,将声速剖面反演问题建模为状态跟踪问题,利用不敏粒子滤波(UPF:Uncented Particle Filter)算法进行声速剖面序贯反演。仿真试验通过实测声速剖面数据和先验地声参数信息产生接收声场数据,再利用模拟声场数据估计声速剖面的时间变化.结果表明,相比于集合卡尔曼滤波(EnKF:Ensemble Kalman Filter),在计算效率等同的情形下,该方法可以在状态参数的时间跳变点保持良好的跟踪性能,一定程度上克服了现有反演算法在跳变点发散的问题,可以有效提高声速剖面反演精度,尤其在声速剖面时变性较强时具有显著优势.      

南海北部海域声速剖面水平变化环境声学层析

为获取水平变化的海水声速分布,在等效平均海水声速反演基础上,提出了一种声速剖面水平变化环境声学层析方法。首先利用经验正交函数结合匹配场处理方法反演不同距离下的等效平均声速剖面,进而通过逐步迭代重构出随水平距离变化的声速场分布,并通过数值仿真及海上实验两方面验证了声速剖面水平变化环境声学层析方法的可行性及其准确性。结果表明:声速剖面水平变化环境声学层析结果与实验测量声速剖面均方根误差小于0.8 m/s,利用声传播信号基本能较为准确地重构出随距离水平变化的海水声速分布,为进一步层析中尺度三维结构及声呐水声环境保障应用奠定了基础。      

利用随机多项式展开的海底声学参数反演方法

为了提高地声反演算法的计算效率,探索克服地声反演结果多值性问题,本文利用宽带、多收发位置的传播损失数据结合传播损失在地声参数先验搜索区间内的随机多项式展开系数矩阵,反演得到海底纵波声速、吸收率和密度比重.使用随机多项式展开近似传播损失时,展开系数的自变量为声波频率、收发位置等参数,随机多项式的自变量为表示声速、吸收率、比重在各自搜索区间内均匀分布的随机变量.传播损失的展开系数通过嵌入随机多项式的声学宽角抛物方程结合盖辽金投影、最小角度回归算法计算求得.在低频、一定声传播水平距离以内和地声参数搜索区间长度适中时,使用随机多项式展开近似传播损失的相对误差在1%以下.仿真发现,在浅海环境中使用低频、一定声传播水平距离以内的传播损失数据,在接收信号信噪比较高、声源和水听器相对位置误差较小时,选择合适的随机多项式展开截断幂次可较准确地反演海底声速、吸收率和密度比重,且计算效率比网格遍历搜索方法提高一个数量级以上.     

接收基阵垂直指向性引起的附加声传播损失

具有垂直方向指向性的接收基阵对入射声波有方向加权效应，本文在该类基阵声纳方程的基础上，导出了附加声传播损失的具体表式，讨论了深度一声速梯度对附加传播损失的影响，最后给出包声速梯度条件下的算例，计算结果与海上试验吻合较好。     

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

海洋声学环境下水中声源的时延估计法定位精度分析

水中声源的定位精度受到海洋声学环境的重要影响。结合海上试验的实际应用,分析了水下观测平台采用时延估计法对声源的定位精度问题。根据理论分析,计算了时延估计误差、海洋中声速不均匀、平台非稳性、及声传播起伏等因素引起的俯仰角和方位角误差。利用误差传递公式,获得了上述因素引起的不同平台深度下,不同距离声源的定位误差。比较了采用平面阵与立体阵、是否补偿声线弯曲效应等条件下定位误差的变化,并通过海上试验结果进行了部分验证。研究结果表明,海洋声速不均匀对定位误差的贡献最大。采用立体阵代替平面阵、测量海洋声速剖面并补偿声线弯曲引起的定位误差,在1000m距离上可使定位相对误差从最大30%降低到约10%,有效提高了较远距离上的定位精度。研究结果对于采取措施提高水中声源的定位精度有指导意义。      

基于倾斜阵的距离与方位联合估计*

针对阵列倾斜引起的阵不变量方法定位精度下降的问题,该文结合倾斜阵声源定位的三维模型提出一种基于倾斜阵的距离与方位联合估计算法。该算法通过联合自校正方位距离联合估计方法对阵列倾角在声源-接收平面的投影量进行估计和补偿,改善目标距离估计误差的同时,利用匹配出的阵列倾角投影量反向估计目标方位,获得对声源二维位置的估计。通过仿真验证了该算法能够在阵列倾角较小时实现目标方位与距离的联合估计。     

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.     

利用海洋环境噪声估计浅海海底表层声速

为提高反演效率,提出一种快速估计浅海海底表层声速的方法。根据噪声能流理论,垂直阵接收的海洋环境噪声数据能够用于无源提取海底反射损失,反射损失曲线中具有明显的临界角效应,从而接估计海底表层声速。以射线模型为基础,推导了噪声提取的反射损失与理论值之间的差异,并讨论实际阵列波束形成在不同角度和频率下的性能。考虑到非等声速环境下声线会发生弯曲,需对角度进行修正以提高方法的广泛适用性。不同频率的临界角与有效深度之间存在对应关系,黄海某海区数据处理结果表明,在临界角不变的有效深度内,海底表层可以视为等声速层,该海区海底表层0.5 m内声速估计结果为1547 m/s,与有源反演结果相近。      

带缝隙矩形腔的屏蔽效能传输线法修正及扩展分析

为研究入射电磁波与缝隙参量对矩形腔体屏蔽效能的影响,提出基于透射定律结合等效传输线方法对腔体的电磁屏蔽特性进行分析。详细推导了经缝隙透射进腔体内的电场,将透射电场作为等效电压源并对传统的传输线模型进行了修正,使之能计算任意方位入射的电磁波及缝隙偏离体壁中心时的情况;并对此方法的计算公式进行了扩展,使其能分析不同形状、孔阵、孔距及损耗等参量对腔体屏蔽效能的影响。研究表明:缝隙位于体壁中心时的屏蔽效能比靠近体壁边沿时差;相对入射角和方位角而言,极化角对腔体的屏蔽效能影响较大;在保持孔阵总面积不变的情况下,通过减小孔径来增加孔的数目或增大孔间距都可提高腔体的屏蔽效能;屏蔽体内损耗因子越大,则对腔体内的谐振频率抑制效果越明显。通过与腔体内谐振频率理论值、数值方法结果的比对分析表明,修正和扩展的解析方法结果可信,且利于各参量对腔体屏蔽效能的分析,适用范围更广。     

菲涅尔区域的乳腺三维超声成像技术*

本文提出了一种基于菲涅尔区域的乳腺三维超声成像技术,可实现病变组织早期的定性诊断与定量监测。主要研究内容包括：采用透射方式,以慢度作为反演参量,将正演与反演的透射时间差作为迭代判据,基于菲涅尔区域法实现乳腺组织的二维反演成像;根据柱面传感阵列的分布特点,将乳腺三维超声成像问题转为二维成像问题,进而实现乳腺三维超声成像;计算三维病变成像声速及尺寸误差,并分析了菲涅尔区域法的成像分辨率以及入射频率对成像分辨率的影响。本文研究结果证明基于柱面传感阵列的菲涅尔区域法可实现乳腺三维超声成像并有效实现病变早期监测与诊断。     

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验

为评估基于单矢量水听器的方位估计能力,在黄海海域对矢量水听器进行实验。矢量水听器吊放于接收船尾部,采用平均声强器和复声强器方位估计方法,并提出以概率密度值最大的方位角作为目标方位估计值的具体处理准则,对恒定方向、匀速行驶的目标船方位进行估计,并求出两种方法的方位估计误差。结果表明,水听器布放深度10 m时,对正横距离为0.42 km的航速10 kn的目标船,平均声强器方法的水平方位角估计误差18°,极角估计误差为5°,可以在离目标船最远1.17 km处估计其方位;复声强法的水平方位角估计误差为13°,极角估计误差为8°,可以在离目标船最远2.35 km处估计其方位。在有接收船的噪声干扰情况下,复声强器比平均声强器方法估计的方位更准确,可以对更远处的噪声源进行方位估计。     

Tracking-positioning of sound speed profiles and moving acoustic source in shallow water

An ensemble Kalman filter(EnKF) approach is proposed to perform sequential tracking of water column sound speed profile(SSP) using a moving acoustic source. First,the SSPs are discretized in depth and range, and are expressed by the empirical orthogonal functions(EOFs). Second, the acoustic source state information and the first three orders of EOF coefficients are expressed as the state variable, and the acoustic field information received by the vertical line array are the measured values. Successively, the state variables and measured values are used to establish the state-measure model. Last, the EnKF is utilized to track the state variables. The simulation results show that the root mean square error of SSP and the absolute error of source are all small, and thus the acoustic source tracking-positioning has high accuracy. Moreover, increasing the number of sample collection, the signal-to-noise ratio and the number of receiving elements can improve the tracking-positioning results. The method is verified using the experimental data of the East China Sea.     

浅海时变声速环境下的自适应匹配场定位算法实现*

针对浅海环境下声速剖面失配引起的匹配场处理器失配问题,提出了一种自适应匹配场定位算法在声速剖面时变环境下的实现方式。将先验声速剖面集简化为经验正交函数表示,结合蒙特卡洛方法与环境扰动约束算法对当下时刻的目标声源进行匹配场定位。本文以某次试验获取的连续20小时的声速剖面数据为研究对象,通过仿真试验对该算法进行验证,结果表明：在先验声速剖面集的半小时之后,利用自适应算法的距离和深度定位成功率较常规匹配场算法有较大提升,其中,深度正确定位概率相对较低。     

反射式光学电压互感器光路建模及偏振误差分析

光路系统的偏振误差极大地制约着准互易反射式光学电压互感器的准确度.借助琼斯矩阵,建立了分立光学器件及光纤熔接点的传输模型,推导出完整的电压互感器光路系统的数学模型.以此模型为基础,对电压互感器中的偏振误差进行了仿真分析.结果表明：光源偏振度、起偏器消光比及起偏器与相位调制器的对轴角度主要影响系统的检测灵敏度|法拉第准直旋光器的旋光角度、法拉第准直旋光器与BGO晶体的对轴角度误差是主要的偏振误差源,影响系统的测量准确度及稳定性|根据电子式电压互感器IEC60044-7 0.2S级标准,法拉第旋光角度误差应该小于1.6°,旋光器与BGO晶体对轴角度误差小于1.85°.该研究对准互易反射式光学电压互感器光路设计和误差抑制具有一定的参考价值和指导意义.