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。     

扰动声线声压敏感核用于浅水前向散射小目标定位

针对收发合置声呐在浅水信道中对小目标的定位能力受强混响制约的问题,开展了利用目标前向散射的声屏障实验研究,通过计算扰动声线的声压敏感核实现了在自然环境中、非等声速条件下的小目标定位。扰动声线的声压敏感核反映的是因目标进入探测区域而扰动到的声线所包含的目标位置信息.首先,从众多本征声线中确定可以用于目标定位的扰动声线;然后,利用扰动声线的声压敏感核的空间特性实现定位。将该定位算法用于湖试数据,实现了利用20~28 kHz的线性调频信号对直径0.4 m目标球的定位。并且通过比较不同参数假设下的计算结果,发现该定位算法对于目标材质和尺寸的失配均具有较好的鲁棒性.      

水平分层低马赫数运动介质中的声传播

针对海流对水声传播的影响,基于高斯波束追踪方法,利用高频近似的低马赫数亥姆霍兹方程,建立了三维低马赫数运动介质下的声传播模型,并将该模型应用于浅海与深海水平分层介质下的声传播问题。仿真结果表明,海流能定性定量地改变声传播模式。浅海环境下,声速梯度大于流速梯度,导致顺逆流声线反转点的差别随着距离增加而增大;此外声线到达结构也会发生较大改变。深海环境下,流速梯度大于声速梯度,顺流方向表面声道消失,使得表层顺逆流传播损失相差10 dB以上,同时水平分层环境中也会产生三维声传播效应。因此在流速梯度与声速梯度相当甚至更大时,海流对声传播的影响不能被忽略。     

深海海底反射区声场的相干结构及其有源声呐估距

有源声呐在探测深海海底反射区的目标时,由于声线大掠射角弯曲且声速沿声线传播路径不断变化,造成了常规估距方法产生较大的误差。有效声速法是减小常规估距方法误差的有效途径,但由于需要预先计算空间每一位置点的"声线时延有效声速"对,复杂度高,实时性差。针对有效声速法的实时性问题,本文基于深海海底反射区声场的相干结构,提出一种改进的有效声速估距方法.首先指出深海声场能量沿声源出射角强弱相间变化及其引起的海底反射区离散声呐可探测区现象,并利用深海近水面声源的声线干涉效应解释了该现象的物理机理,建立了声呐可探测区与高能量声线的量化关系。在此基础上,计算声呐可探测区边界位置的"声线时延-有效声速"对,并线性拟合出可探测区所有位置点对应的值。经仿真验证,该方法与传统的有效声速法均可实现对常规估距方法估距误差的有效校正。虽然该方法估距精度较传统的有效声速法略有增大,但计算复杂度和计算时间显著减小,实时性好,具有良好的工程应用前景。      

基于波前传播时间插值的三维声线追踪算法

研究了先正向计算波前传播时间,再根据波前传播时间反向确定声线路径的三维非均匀介质声线追踪算法.在正向步骤,根据程函方程,使用基于水平集的GMM(Group Marching Method)波前扩展算法,从声源开始,逐步计算离散介质网格节点上的波前传播时间.在反向步骤,利用正向步骤计算出的网格节点上的波前传播时间,从接收点开始,向声源方向逐单元追踪声线路径.在每个长方体单元内,首先把任意点上的波前传播时间用该单元网格节点上的已知波前传播时间的线性插值函数来表示,再根据Fermat原理,提出了确定三维声线路径的方法.实验结果表明,本文方法提高了三维声线追踪的精度和计算速度.     

深海海底声反射区多途时延差分析与近海面声源定位

深海海底反射声工作方式下的声场主要由4条一次海底反射声线路径构成。根据4条声线路径到达接收点的时间不同,可以得到6个不同的声线到达时延差值,当声源位于近海面时, 6条声线路径的时延差曲线随接收深度近似呈线性变化。本文基于虚源理论推导了海底声反射区的多途到达时延结构,给出了6条声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离和深度之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海海底声反射区近海面声源距离与深度的方法,仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在10～33 km时,距离估计结果和深度估计结果都同实际声源距离和深度吻合较好,估计误差不超过15%,验证了该方法的有效性。     

求三维本征声线的一种新方法

本文采用“自动搜寻”法求海洋中均匀声速背景上有三维声速扰动时的本征声线。与传统方法比较,这种方法计算声线的次数减小约二个数量级。     

非均匀声速场中高精度逐次逼近声源定位方法

针对非均匀声速场中传统飞行时间法无法直接计算声源到各声接收点的精确距离从而影响定位精度的问题,提出了一种基于逐次逼近方法的高精度声源定位方法。建立二维平面模型,推导证明了均匀声速场和固定声接收阵型中逐次逼近定位理论的正确性。然后,在任意分布的非均匀声速场和接收阵型条件下,仿真证明逐次逼近法的有效性,以及迭代次数和接收点个数与定位精度的关系。结果表明,该算法可用于非均匀声速场中任意位置声源的声学定位,在125 m×125 m水平区域中,声速起伏范围为±5 m/s,当迭代次数大于26次时,定位误差可小于1 mm,且定位精度随着迭代次数和接收点个数的增加而提高。     

稳健声线扰动特征用于浅海小目标定位*

针对海洋环境中的信道起伏变化对基于扰动声线声压敏感核的水下小目标定位算法影响较大的问题,提出了基于稳健声线扰动特征的目标定位方法,该方法首先对海洋环境中接收声场的到达结构进行分析,提取稳态的到达成分;然后通过观测稳健声线对应的接收信号在目标穿越过程中的扰动特征提取扰动声线;最后应用扰动声线类定位方法得到水下目标的定位模糊图实现定位。在浅海港口环境中开展了蛙人穿越实验,发射信号为中心频率为22.5kHz,带宽为15kHz的线性调频信号,实验数据的处理结果表明,直达路径和一次水底反射路径受信道起伏的影响较小,通过筛选稳健声线可以将扰动声线的定位方法用于自然的海洋环境。     

基于混合气体分子复合弛豫模型的一氧化碳浓度检测算法

研究了声波通过混合气体时，复合弛豫声吸收和声速与气体各成分浓度和声频率之间的依赖关系.以一氧化碳气体、水蒸气、氮气和氧气的混合气体为例，分别建立了弛豫声吸收和声速与气体浓度的三维模型，以及弛豫声吸收与声频率的二维模型.完成了通过测量弛豫声吸收和声速计算一氧化碳气体浓度的算法推导，提出了一种依据弛豫声吸收和声速检测气体浓度的简化算法.仿真实验结果不仅证明了算法的理论可行性，还给出了算法的最佳适用声频率范围，并估计了将算法应用于实验的误差原因，证明了算法具有实际可行性. 关键词： 气体浓度声学检测 一氧化碳浓度检测 复合弛豫声吸收 声速