基于亮点模型的典型水下目标回波信号仿真

本文对典型水下目标回波信号进行了仿真研究。此仿真基于声纳目标回波的亮点模型理论,通过成分及时序分析,针对具有球冠形头部和圆柱壳体的典型水下目标的结构特征,建立计算模型并仿真回波信号。仿真结果与湖海试实验结果的对比表明此仿真模型与实际情况基本一致,可以为声纳信号处理、目标识别等方面的研究提供支持。     

水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码研究

针对水下集群目标及敌我目标识别的难题,该文提出了一种基于水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码原理及方法。推导了水中4层弹性球壳目标散射声压的简正级数解,并与有限元结果进行了对比验证。通过构造高频主动声呐的探测脉冲信号,与4层弹性球壳声传递函数的简正级数解做卷积运算,获得了目标的时域回波脉冲序列。研究了分层弹性球壳的厚度、各层材料属性、排布顺序等对时域回波特征的影响规律,提出了基于时域回波特征的声学编码方法。研究表明：利用水中分层弹性球壳目标高频时域回波特征能够实现声学编码,回波结构稳定,且不受限于探测方向。通过携带或安装这种分层弹性球壳结构,有望识别水下航行体/悬浮体等目标。该文的研究对水下目标的主动探测身份识别及导航等具有一定的参考价值。     

混响背景下低秩矩阵恢复的目标亮点特征提取

有源声呐探测水下目标时,混响干扰增加了从目标回波信号中提取目标亮点特征的难度.依据目标回波与混响在时频域上能量分布的相关性不同,采用自适应核时频分析方法将目标回波信号变换到时频域上进行分析.通过低秩矩阵恢复方法将目标回波与混响分到稀疏矩阵和低秩矩阵中,从而分离目标回波与混响,降低混响对回波信号的干扰.针对稀疏矩阵采用Hough变换提取回波中的亮点峰,得到目标的亮点特征。通过仿真和实验数据证明在较低信混比情况下通过低秩矩阵恢复方法能够在时频域上进一步区分目标回波与混响,达到抑制混响的目的,便于获取目标亮点特征。      

基于线性预测倒谱的被动声纳目标特征提取技术

从声纳员的角度出发，被动声纳目标可以被看作为一个发声体，利用线性预测倒谱从声纳目标噪声中分离出目标作为发声体的冲激响应在倒谱域中的表示，提取一组识别特征，设计神经网络分类器，对三类目标进行分类。实测数据验证了基于线性预测倒谱的被动声纳目标特征提取方法是可行的。     

基于调频信号子带相关性分析的回波特征提取方法

利用两种典型调频信号(LFM及HFM)的波形特点,本文提出了一种基于目标回波子带相关性的特征分析方法,并提取了回波统计特征。仿真与海上试验数据分析结果表明,该方法提取的回波统计特征对于识别水下人造金属目标与非目标具有较好的可分性。     

水下体积目标宽带阵列尺度估计

通过研究目标声纳窄带离散回波模型,论文建立了水下体积目标宽带离散回波模型。并结合均匀线性阵列信号模型,推导出了基于散射亮点形状、距离、方位角等反映目标尺度信息参量的体积目标宽带离散线性均匀阵列回波模型,为水下体积目标探测与尺度估计提供了可靠的理论依据。仿真与实验对比结果证明了模型的正确、有效性,说明了其实用价值。     

近程声呐亮点回波的识别与跟踪

根据目标近距离水下航行时的亮点动态分布规律,提出用两级聚类分析和边缘特征提取的图象识别方法,从声呐回波动态历程图象中识别和跟踪目标回波,并从目标动态回波图象的多个亮点中,提取和跟踪了指挥塔亮点轨迹．     

声呐目标散射的源场关系和亮点模型

试图从线性循场关系出发，并把回波过程看成是线性时变散射过程，根据信道理论讨论高频近场目标声散射的亮点模型，指出目标可看成是由少数几个强相干亮点和许多弱小随机非相关散射的亮点之和的模型．还讨论了目标相对运动情况下的亮点回波结构变化特征，指出强亮点回波是移动亮点回波，不同亮点有不同的多普勒，而随机亮点回波呈现广义平稳特性．最后还初步讨论了不同亮点回波的可压缩性和可积累性．     

水下目标亮点拓扑特征提取及自动识别方法

针对水下目标逆合成孔径声呐(Inverse Synthetic Aperture Sonar,ISAS)图像识别问题中观测角度随机多变,目标结构相互遮挡问题,提出一种基于多亮点拓扑矢量特征的ISAS水下目标识别方法。通过分析ISAS成像过程中散射点位置由三维空间向二维成像平面的投影关系,表明了横向定标后的声呐图像中强亮点之间的距离仅由目标散射结构之间的物理距离决定,据此基于强亮点之间的相互距离,构造能稳定描述不同观测角度下目标的拓扑矢量特征。然后通过K-means聚类获取多聚类中心以克服目标结构互相遮挡造成的亮点缺失问题。最终采用最近邻分类器实现目标识别。水池缩比模型实验表明,该方法对于水下目标的识别率达到84.0%。      

主动声纳方程和传播损失及混响级的定义

A.Ainslie发表文章指出传统定义的被动声纳方程严格应用起来与实际情况存在一定的偏差,某些情况下会带来严重的错误。该偏差需通过接收水听器与声源处介质的特征阻抗比来校正。主动声纳方程中存在同样的问题,其与实际情况的偏差需要用接收水听器与声源处的介质特征阻抗比的平方来校正。本文给出主动声纳方程中传播损失和混响级的重新定义,并且给出相应的两种主动声纳方程,两种方程都消除了这种不期望的特征阻抗比偏差。     

水下目标弹性声散射信号分离

水下目标弹性声散射与其他声散射成分在时域和频域上均存在混叠, 现有信号处理方法受分辨力限制无法在混叠状态下识别目标弹性声散射特征. 针对这个问题, 提出了一种目标弹性声散射信号分离方法. 以目标回波亮点模型为基础, 分析了线性调频信号入射时目标声散射成分的信号特性, 提出了一种目标声散射成分向单频信号的映射方法, 并理论推导出了目标声散射结构与映射结果之间的线性对应关系, 实现了通过窄带滤波分离出目标弹性声散射成分. 仿真与消声水池实验数据处理结果表明, 该方法基本可以完全分离出目标回波信号中的弹性声散射成分, 分离出的弹性声散射具有与理论一致的信号特征, 验证了该分离方法的有效性.     

水声信号处理领域新进展

本文介绍近30年来水声信号处理领域理论研究的新进展和在声纳设计中的应用。包括水声信号建模、声场匹配、海洋波导和内波现象的探索和研究、声矢量场信息获取和处理,低频水声信道的时/空相关特性,水下目标辐射噪声的不变特征量提取和检测技术,水下语音、图像传输和抗干扰技术。同时概述,声纳设计的前沿领域:大孔径拖曳线列阵声纳、高分辨力合成孔径声纳、深海传呼机等的发展情况。     

水中目标窄带噪声识别的听觉外周模型

为解决听觉外周模型特征在具有工程背景的水中目标声信号分类研究中识别率下降问题,提出了一种外周模型Gammatone滤波器组修正方法,获得的窄带噪声特征可明显提高水中目标识别性能。首先,分析了识别率下降原因,发现声学工程应用中多通道数据采集,导致信号频率范围变窄,而引起声信号的时频特征发生变化。其次,根据听觉模型用Gammatone滤波器组模拟人耳基底膜频率分解特性、低频信息包含水中目标噪声信号的重要类别特征,对原有的听觉模型特征进行插值,对滤波器组的通道数与中心频率进行适应性修正,得到目标噪声在较窄频带的27维特征,修正后的模型能够更精细地反映出目标时频特性。最后,采用神经网络分类器进行实验。结果表明,修正后的听觉模型保留了原较宽频带特征的主要信息,而且进一步提高了对实际目标的分类能力,识别率由原来的82.59%提高到88.80%。本文提出根据工程应用平台的有效接收频带优化听觉外周模型Gammatone滤波器组的设计,采用阵元级的多通道数据进行分析,侧重于工程应用,解决了多通道数据采集中,由于频带变窄,导致信号的特征信息量下降,进而引起声特征识别性能下降的问题,修正后的听觉模型特征,有效地提高水中目标辐射噪声的识别效果。本文对从事无源声呐目标识别、有源声呐目标识别、带宽受限的多通道声数据采集的时频特性分析研究人员具有一定的参考价值。      

A unified model for reverberation and submerged object scattering in a stratified ocean waveguide

A unified model for reverberation and submerged target scattering in a stratified medium is developed from wave theory. The advantage of the unified approach is that it enables quantitative predictions to be made of the target-echo-to-reverberation ratio in an ocean waveguide. Analytic expressions are derived for both deterministic and stochastic scattering from the seafloor and subseafloor. Asymptotic techniques are used to derive expressions for the scattering of broadband waveforms from distant objects or surfaces. Expressions are then obtained for the scattered field after beamforming with a horizontal line array. The model is applied to problems of active detection in shallow water. Sample calculations for narrow-band signals indicate that the detection of submerged target echoes above diffuse seafloor reverberation is highly dependent upon water column and sediment stratification as well as array aperture, source, receiver, and target locations, in addition to the scattering properties of the target and seafloor. The model is also applied to determine the conditions necessary for echo returns from discrete geomorphologic features of the seafloor and subseafloor to stand prominently above diffuse seafloor reverberation. This has great relevance to the geologic clutter problem encountered by active sonar systems operating in shallow water, as well as to the remote sensing of underwater geomorphology.     

水下目标回波盲分离性能的瞬时频率特征评价方法

在水下主动声呐目标回波与混响盲分离中,针对分离结果顺序不确定性以及缺乏分离有效性衡量手段的问题,提出了以信号瞬时频率特征为指标的盲分离性能评价方法。推导了目标回波与混响的时频分布特性,理论表明目标回波在瞬时频率序列的中心偏离程度以及整体随机程度上低于混响,据此提取信号的瞬时频率方差与瞬时频率熵两种信号特征,并将二者作为从盲分离结果中识别目标回波的依据。海试数据结果表明,在盲分离得到的所有分离信号中,目标回波具有最小的瞬时频率特征值,并且该特征值越小,目标回波与混响的盲分离程度就越高。      

Demonstration of the invariance principle for active sonar

Active sonar systems can provide good target detection potential but are limited in shallow water environments by the high level of reverberation produced by the interaction between the acoustic signal and the ocean bottom. The nature of the reverberation is highly variable and depends critically on the ocean and seabed properties, which are typically poorly known. This has motivated interest in techniques that are invariant to the environment. In passive sonar, a scalar parameter termed the waveguide invariant, has been introduced to describe the slope of striations observed in lofargrams. In this work, an invariant for active sonar is introduced. This active invariant is shown to be present in the time-frequency structure observed in sonar data from the Malta Plateau, and the structure agrees with results produced from normal mode simulations. The application of this feature in active tracking algorithms is discussed.     

Highlight model of echoes from sonar targets

I.IntroductionTheecho-rangingapproachistheonlycffectiveapproachfordetectionandidentifi-cationofunderwatertargetifitisasilcntobkct.Echoformationisaphysicalprocessinwhichthetargetisexcitcdbyincidentwavc.Byechothecharactcristicinformationsoftargethavebcencarricd.Suchinformationsarejustfundamentalsofdetectionandiden-hficationappliedbyactivesonars.Classificationandidentificationareimportantdevelopmentsofreccntsonarsin-c1udingthehomersoftorpedocs.Thisneedsadecpunderstandingrcferredtoechobe-haviors…