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相似文献
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1.
总体最小二乘算法模波束形成方法研究   总被引:1,自引:0,他引:1  
易锋  孙超 《声学学报》2013,38(1):35-41
研究了模波束形成处理算法,并在此基础上提出了一种总体最小二乘算法模波束形成技术。该方法利用总体最小二乘算法修正了从垂直接收基阵数据中提取出的简正波模态函数信息,准确估计出各阶简正波模态系数,提高了对目标检测和定位的性能。针对典型的浅海波导环境,进行了计算机仿真实验,结果表明:在低频远程目标条件下,该方法与常规最小二乘算法模波束形成相比,估计出的简正波模态系数更精确,具有旁瓣低,分辨率高,定位性能好的优点。   相似文献   

2.
基于水平合成阵列的简正波波数估计   总被引:1,自引:0,他引:1  
黄勇  李宇  朱沛胜  李峥  黄海宁 《声学学报》2009,34(3):229-233
针对浅水声波导中简正波模数估计的孔径约束问题,提出了一种基于运动合成孔径高分辨谱分解的简正波波数估计方法。该方法先利用短水平阵运动合成大孔径虚拟阵列,再通过合成阵列进行高分辨谱分解来进行简正波波数估计。数值仿真结果和海试数据测试表明,孔径运动合成技术的应用,解决了水平阵进行简正波模数估计时孔径不足的问题;拖曳阵在远离目标水平运动的过程中,做垂直向机动可以提高简正波模数估计精度。   相似文献   

3.
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。   相似文献   

4.
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.  相似文献   

5.
针对深海波导中的水下声源检测,结合声传播与接收特性,提出了一种基于简正波模态信息降维处理的窄带声源检测方法,运用广义似然比(generalized likelihood ratio,GLR)方法导出了深海波导中的特征值检测器和恒虚警率特征值检测器(下统称为GLR检测器).理论分析表明,给定阵列输入信噪比下,GLR检测器的输出信噪比随接收数据空间维度的减小而增大.根据简正波理论,阵列接收信号声场位于由各阶采样简正波模态信息张成的空间(简称模态空间).由于阵列孔径尺寸的限制,在深海波导中常会出现"有效模态空间"维度小于阵元域接收数据空间维度的情况.基于此性质并根据阵列采样的简正波模态信息,提取"有效模态空间"以构造降维矩阵,分别导出了使用垂直线列阵和水平线列阵时的降维GLR检测统计量.数值仿真给出了GLR检测器的检测性能分析与对比,验证了降维GLR检测器的性能改善效果,同时表明水平线列阵接收声场位于更低维的"有效模态空间","有效模态空间"维度随阵元间距和声源频率的增大而减小.  相似文献   

6.
郭晓乐  杨坤德  马远良  杨秋龙 《物理学报》2016,65(21):214302-214302
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.  相似文献   

7.
浅海大孔径水平阵信号估计近端射的低频声源方位时, 常规波束形成会产生明显的波束偏移和分裂现象, 从而造成单声源方位估计偏差。针对这一问题, 提出一种基于块稀疏压缩感知的声源方位估计方法。根据简正模理论, 将水平阵接收声场表示为方位角空间的块稀疏信号模型, 并通过块正交匹配追踪算法进行方位估计。仿真和2011年北黄海实验数据结果表明所提块正交匹配追踪方法可实现浅海波导环境下低频近端射的单个声源方位的准确估计。  相似文献   

8.
识别与提取简正波的一种简化方法   总被引:1,自引:0,他引:1  
本文提出了一种识别与提取浅海简正波的简化方法。海上实验时我们利用同一个水听器,在不同深度接收固定距离上的爆炸信号,实验室回放时爆炸声信号经高频(8kHz)与低频(<0.8kHz)带通滤波,并用高频信号作为低频信号时间采样的起点。理论与实验表明,这样得到的不同接收深度的低频信号相当于一个垂直水听器阵接收的结果。对不同接收深度的低频信号分别按简正波本征函数或按本征函数的符号加权相加,较好地分离出前二号简正波。  相似文献   

9.
水平阵信号压缩感知用于简正波分离   总被引:2,自引:0,他引:2       下载免费PDF全文
针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20~200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97~1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82~0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。   相似文献   

10.
一种基于β-warping变换算子的被动声源距离估计方法   总被引:6,自引:0,他引:6       下载免费PDF全文
戚聿波  周士弘  张仁和  任云 《物理学报》2015,64(7):74301-074301
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.  相似文献   

11.
使用稀疏贝叶斯学习的水声多途信道盲估计   总被引:1,自引:0,他引:1       下载免费PDF全文
提出了一种使用稀疏贝叶斯学习(SBL)的多途信号盲解卷积方法对水声多途信道的信道脉冲响应(CIR)进行盲估计。该方法利用垂直阵和多频SBL获得宽带舰船声源在不同垂直到达角上的复数域多频点信号,取其相位对垂直阵接收信号匹配滤波,得到每条路径上的CIR,将多路径CIR相干叠加得到最终的多途CIR结果。仿真与海试数据处理结果表明,相比于原有的基于交替投影的多途信号盲解卷积方法,所提出方法有以下几个好处:(1)无需准确预估多途信号数目;(2)分离的多途信号的方位更准确且信号相位更可靠;(3)有效获取了舰船与阵列之间的CIR.并且将弱路径CIR的平均时间估计误差从4.7 ms缩小到1.0 ms.显著提高了弱路径CIR的时间估计精度。使用稀疏贝叶斯学习的多途信号盲解卷积方法能够有效提高多途环境下水声信道盲估计的性能。   相似文献   

12.
A method for time reversal focusing with variable depth and range based on mode extraction was proposed.First,the normal modes of acoustic propagation in the shallow water are extracted by modal decomposition from the probe signals received by a source receiver array.Furthermore,a diagonal matrix and a vector determined separately by the depth and the range of the probe source are extracted from the received acoustic field data.And time reversal focusing at different depths and ranges can be achieved by modulating the depth-dependent diagonal matrix and the range-dependent vector properly.Then the diagonal matrix and the vector are modulated separately according to the depth and the range of the expected focal location to construct a new acoustic field vector.When this new acoustic field vector is retransmitted by the source receiver array in time reversal order(or phase conjugation in frequency domain),focusing of the resulting acoustic field at the expected location rather than the origin of the probe source can be obtained.Numerical simulations in typical shallow water environment demonstrate the effectiveness of the proposed method.  相似文献   

13.
A method for extracting the normal modes of acoustic propagation in the shallow ocean from sound recorded on a vertical line array (VLA) of hydrophones as a source travels nearby is presented. The mode extraction is accomplished by performing a singular value decomposition (SVD) of individual frequency components of the signal's temporally averaged, spatial cross-spectral density matrix. The SVD produces a matrix containing a mutually orthogonal set of basis functions, which are proportional to the depth-dependent normal modes, and a diagonal matrix containing the singular values, which are proportional to the modal source excitations and mode eigenvalues. The conditions under which the method is expected to work are found to be (1) sufficient depth sampling of the propagating modes by the VLA receivers; (2) sufficient source-VLA range sampling, and (3) sufficient range interval traversed by the source. The mode extraction method is applied to data from the Area Characterization Test II, conducted in September 1993 in the Hudson Canyon Area off the New Jersey coast. Modes are successfully extracted from cw tones recorded while (1) the source traveled along a range-independent track with constant bathymetry and (2) the source traveled up-slope with gradual changes in bathymetry. In addition, modes are successfully extracted at multiple frequencies from ambient noise.  相似文献   

14.
Acoustic propagation in shallow water is characterized by a set of depth-dependent modes, the modal depth functions, which propagate in range according to their horizontal wavenumbers. For inversion purposes, modal depth function estimation in shallow water is an issue when the environment is not known. Classical methods that provide blind mode estimation rely on the singular value decomposition of the received field at different frequencies over a vertical array of transducers. These methods require that the vertical array spans the full water column. This is obviously a strong limitation for the application of such methods in an operational context. To overcome these shortcomings, this study proposes to replace the spatial diversity constraint by a frequency diversity condition, and thus considers the case of a field emanating from an impulsive source. Indeed, because of the discrete nature of the wavenumber spectrum and due to their dispersive behavior, the modes are separated in the time-frequency domain. This phenomenon enables the design of a modal filtering scheme for signals received on a single receiver. In the case of a vertical receiver array, the modal contributions can be isolated for each receiver even when using a partial water column spanning array. This method thus eliminates the receiving constraints of classical methods of modal depth function estimation, although it imposes the use of an impulsive source. The developed algorithm is benchmarked on numerical simulations and validated on laboratory experimental data recorded in an ultrasonic waveguide. Practical applications are also discussed.  相似文献   

15.
A Doppler-based method for using a moving narrow-band source to extract the modes of acoustic propagation in a range-independent shallow ocean waveguide over a partial-water-column spanning vertical line array (VLA) is introduced. Because the modal components propagate at distinct frequencies in the case of uniform radial source motion, the modal depth functions may be isolated and extracted from a frequency decomposition of the field. Because Doppler broadening due to radial source accelerations degrades the effectiveness of the extraction method, the method incorporates a technique to compensate for Doppler broadening. As the basis for the compensation technique, a theory is introduced for describing the VLA field from an accelerating cw source. By connecting the range of the source at the time a signal feature is emitted (the retarded time) to the range of the source at the time the signal feature arrives at the receiver (the contemporary time), the theory incorporates the Doppler effects associated with the finite group velocities of the modal components. The mode extraction method and compensation technique are applied to simulation and ocean data.  相似文献   

16.
一种基于模态提取的深度和距离可变的时反聚焦方法   总被引:1,自引:0,他引:1  
郭国强  杨益新  孙超 《声学学报》2010,35(4):403-413
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。   相似文献   

17.
贾雨晴  苏林  郭圣明  马力 《物理学报》2018,67(17):174302-174302
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.  相似文献   

18.
该文利用基于射线的盲解卷积方法,从直达声区的水面舰船噪声中提取出船和锚系于海底的垂直接收阵之间的时域信道响应,并利用直达波在不同阵元相对于参考阵元的到达时间差,通过序贯方法,利用射线模型和声速剖面信息,对水面舰船距接收阵的距离进行了估计。通过处理海深约为580 m的2016年美国圣巴巴拉海峡的实验数据,对1.6~3.5 km直达声区范围内Anna Maersk商船与垂直阵之间的距离进行了估计,验证了测距方法的有效性,并将结果与系统测量值和几何方法的估计值进行了比较。由于该方法不需要对海底参数进行估计,所以在海底参数未知时要优于传统匹配场方法;在声速剖面存在跃层且海底为多层分布的复杂信道条件下,该方法仍能对距离进行有效估计,且与测量值的相对误差在6%以内,小于几何方法的估计误差,测距结果精度较高。  相似文献   

19.
A set of narrowband tones (280, 370, 535, and 695 Hz) were transmitted by an acoustic source mounted on the ocean floor in 10 m deep water and received by a 64-element hydrophone line array lying on the ocean bottom 1.25 km away. Beamformer output in the vertical plane for the received acoustic tones shows evidence of Doppler-shifted Bragg scattering of the transmitted acoustic signals by the ocean surface waves. The received, scattered signals show dependence on the ocean surface wave frequencies and wavenumber vectors, as well as on acoustic frequencies and acoustic mode wavenumbers. Sidebands in the beamformer output are offset in frequency by amounts corresponding to ocean surface wave frequencies. Deviations in vertical arrival angle from specular reflection agree with those predicted by the Bragg condition through first-order perturbation theory using measured directional surface wave spectra and acoustic modes measured by the horizontal hydrophone array.  相似文献   

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