浅海波导中水平接收阵被动时反混响抑制方法研究

使用基于射线简正波异地混响理论建立的水平接收阵接收海底混响模型,提出了水平阵被动时反混响抑制方法。以水平接收阵接收回波信号的某一时刻作为开始,分别对其前一时刻和后一时刻的回波信号做时反算子分解获得两个混响子空间,将这两个混响子空间的平均作为该时刻的混响子空间的一个估计,然后利用投影处理来抑制该时刻接收信号中的混响成分。该方法可以在一定程度上克服由于海底粗糙引起的局部时间(距离)段内接收回波信号的不平稳性,使得估计得到的混响子空间更加接近真实混响子空间。因此,利用其进行被动时反混响抑制可以增强回波信混比,提高对目标的检测和方位估计能力。针对典型浅海波导环境开展的仿真验证了本文方法的有效性。      

前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强方法研究

结合时反算子分解和时反混响置零方法,提出了一种前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强新方法.利用目标回波出现时刻及其出现前后时刻的回波信号,通过时反算子分解获得目标距离对应的一个二维信号子空间和目标前后距离附近的海底聚焦权向量,根据该信号子空间和海底聚焦权向量,以目标前后距离附近的海底声场置零、目标处最大为约束条件,导出了时反阵的一个约束最优激励权向量.该方法解决了现有直接时反处理、混响置零方法以及时反选择性聚焦方法存在的局限性,可以在没有探测声源、没有目标和海底散射强度谁大谁小的先验知识的条件下,实现声场在目标处聚焦,同时在目标距离附近海底处设置混响凹槽,进一步增强回波信混比.针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真验证了所提方法的有效性及其改进的信混比增强能力.     

水平变化浅海声波导中模态特征频率与声源距离被动估计

针对水平变化浅海声波导中声源宽容性被动测距问题,理论分析了海底地形水平缓变浅海波导中卷绕变换基础上的低频声场特征频率.推导了绝对硬海底时水平变化波导中声场模态时频到达结构以及模态瞬时相位的表达式,由该表达式给出了特征频率与收发距离的变化关系,进而提出了水平变化浅海波导中声源距离被动估计的修正方法,通过仿真和实验对理论与方法进行了验证.     

基于信道传播理论的多基地远程海底混响研究

针对浅海多基地远程海底混响, 以声传播的线性信道近似理论为基础, 通过确定海底界面的不均匀起伏特性, 对入射声波的远距离异地混响脉冲响应函数进行求解. 对非水平分层介质的浅海波导, 利用绝热简正波求解信道的传输函数, 得出了小角度斜坡海底的远程海底混响强度, 以下坡海底为例, 分析对比了不同海底倾角斜坡海底对远程异地混响强度及其衰减规律的影响. 理论仿真表明, 波导的传输效应对多基地远程海底混响强度的影响不可忽略.     

运动平台低频混响的方位-多普勒谱特性研究

运动平台混响场的空频耦合结构对于改善主动声呐低速目标检测性能是十分关键的。本文通过对波束域混响采用高分辨谱分析方法(如MUSIC法和Capon法)在一定程度上突破了发射脉宽的制约,可以更为精确地给出低频混响场的方位-多普勒扩展估计。对南海实验数据的分析表明浅海低频混响场精确地符合运动多普勒规律,并且在一定距离方位分辨单元内的具有混响强度越高,频率扩展越小的特点。进一步的,利用运动多普勒关系给出偏航条件下左右舷混响在方位多普勒平面上沿不同曲线分布的规律,实验数据与理论预测符合良好。      

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。      

深海大接收深度海底混响研究

海洋混响对主动声纳工作性能的影响不可忽略,一直是水声学研究中的一个重要课题.在南海实验中获取了深海混响实验数据,包含近海底大接收深度的混响信号,其强度随时间变化存在锯齿形结构.为对混响数据进行深入分析,基于射线理论提出了一种深海海底混响模型,能够计算本地混响和异地混响强度,并可解释深海混响信号的产生过程.该模型首先对海底散射体进行网格式划分,然后根据每个网格内散射体产生混响信号的准确时间进行混响计算,对于传播路径丰富的深海环境比传统按圆环或椭圆环处理散射体的方式更加精确.在多种收发距离和接收深度条件下,将数值模拟结果与实验数据进行比较.结果表明:对于大接收深度,混响整体吻合较好;而靠近海面处的混响,二者的一致性下降.分析结果表明,使用的海底散射系数参数适用于该实验海区,同时验证了该散射系数模型对于小掠射角海底散射更加准确,对应深海大接收深度混响.     

浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。     

浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。      

浅海平均声场角度谱分析法与回波混响比的距离、深度结构

浅海平均声场角度谱分析法以Ray-mode理论为基础。引进平均声场角度谱的概念以后,可使浅海传播衰减、远程混响和空间相关等平均特性的一些计算变得较为简单。用该法在浅海负梯度和均匀层情况下,计算了远程混响和回波、混响比的距离、深度结构。理论证明,在非均匀层浅海远程探测中,深度可变声呐比固定声呐有较为明显的优越性。本方法和结果将有助于分析小掠角海底(面)散射的角度、频率依赖关系。     

Waveguide invariance structure for low frequency monostatic bottom reverberation mitigation in shallow water

The stable range-frequency interference structure(waveguide invariance) of the low frequency monostatic bottom reverberation in shallow water is derived theoretically in this paper by using ray-normal mode coherent reverberation model and separable bottom scattering model.And combined the concept of spectral subtraction,a reverberation forecasting and mitigating method based on the waveguide invariance is presented.According to the waveguide invariance,the reverberation intensity for a detecting range can be estimated from the reverberation returns scattered from some other range cells nearby the detecting range with frequency shift.Then the reverberation component for the detecting range in the echo can be canceled mostly by using the estimated reverberation intensity,so as to enhance the echo-to-reverberation ratio and improve the detection capability of the active sonar.Simulations in typical horizontal layered shallow water environment show the stability of waveguide invariance structure in the low frequency monostatic bottom reverberation and the efficiency of the reverberation forecasting and mitigating method based on the waveguide invariance.     

浅海近程混响的振荡现象*

研究浅海近程混响特性对于评估和提高主动声纳性能具有重要意义。多次浅海混响实验显示,近程混响强度存在稳定的振荡现象,脉宽基本对振荡的幅度和周期没有影响。为解释这一现象,本文基于射线理论和小斜率近似给出了浅海近程混响模型,仿真与实测数据结果基本吻合。数值仿真结果表明：海底反射声场对单站声纳接收到回声信号的贡献远小于海底近垂向大掠射角散射声场的作用;混响强度振荡现象是海底近程散射声场的多途现象造成的,并由此给出了振荡周期与海深及收发深度的关系。     

浅海海底界面混响平均强度特性仿真

海底粗糙界面是产生混响的主要因素之一。本文通过理论分析和数值仿真的方法,根据浅海全波动混响模型对不同海底粗糙界面所引起浅海混响平均强度特性进行研究,主要考虑Goff-Jordan谱、Gauss谱和指数谱三种不同粗糙界面条件下的海底反向散射强度和混响平均强度特性。计算结果表明:海底粗糙界面会引起海底反向散射强度的频率特性的差异,进而导致海底平均混响强度的频率特性的差异,但随入射角度的变化不大。即使界面起伏的方差和相关长度相同,不同的粗糙度谱也会引起平均混响强度的差异。     

An oscillation phenomenon of low frequency reverberation in the shallow water and its physical explanation

~~An oscillation phenomenon of low frequency reverberation in the shallow water and its physical explanation1 Zhang, R.. Jin. G. Normal-mode theory of average reverberation intensity in shallow water, Journal of Sound and Vibration, 1987 19(2):215-223 2. Ellis, D. D., A shallow-water normal-mode reverberation model, J. Acoust. Soc, Am., 1995, 97(5): 2804-2814. 3. McDaniel, S. T., Seafloor reverberation fluctuations, J. Acoust. Soc. Am., 1990, 88(3): 1530-1535. 4. Abraham, …     

Reverberation of Wideband Signals in Shallow Water when Using Sound Focusing

Within the framework of the normal mode approximation, expressions are obtained for calculating bottom reverberation signals recorded by a horizontal array in an inhomogeneous shallow-water waveguide in a wide frequency band. These expressions can be used to simulate bottom-scattered signals both for a monostatic and bistatic geometry, as well as in the case when sound focusing is applied. The constructed model is used to numerically study the structure of bottom reverberation in a waveguide with different parameters and characteristics of the receiver and source systems. The considered bottom inhomogeneities are the slope of the bottom, change in thermocline depth, and wind waves. The study demonstrates the promise of using sound focusing as time reversal using a single receiver–transmitter element to enhance the reverberation signal arriving from a given bottom area.     

浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化

在浅海,尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导,海底界面反向散射是浅海混响的主要来源.经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性,而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷,但同时也引入了其受地声模型约束的问题.本文结合了海底反射系数的三参数模型,对浅海远场海底反向散射模型进行了简化,以减少地声模型的输入参数.理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用,无需任何海底地声参数的先验知识.通过对海底反向散射模型近似简化,结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同:在临界角附近,海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关;对于甚小掠射角,海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关,其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.     

Low frequency seabed scattering at low grazing angles

Low-frequency (LF) seabed scattering at low grazing angles (LGA) is almost impossible to directly measure in shallow water (SW), except through inversion from reverberation. The energy flux method for SW reverberation is briefly introduced in this paper. The closed-form expressions of reverberation in an isovelocity waveguide, derived from this method, indicate that in the three-halves law range interval multimode/ray sea bottom scattering with different incident and scattering angles in forming the reverberation may equivalently be represented by the bottom backscattering at a single range-dependent angle. This equivalent relationship is used to derive the bottom backscattering strength (BBS) as a function of angle and frequency. The LF&LGA BBS is derived in a frequency band of 200-2500 Hz and in a grazing angle range of 1.1°-14.0° from reverberation measurements at three sites with sandy bottoms. This is based on three previous works: (1) The closed-form expressions of SW reverberation [Zhou, (Chinese) Acta Acustica 5, 86-99 (1980)]; (2) the effective geo-acoustic model of sandy bottoms that follows the Biot model [Zhou et al., J. Acoust. Soc. Am. 125, 2847-2866 (2009)] and (3) A quality database of wideband reverberation level normalized to source level [Zhou and Zhang, IEEE J. Oceanic Eng. 30, 832-842 (2005)].     

深海本地界面混响平均强度模型与规律分析

为揭示深海多途传播效应及界面参数对本地界面混响强度的影响规律,将界面混响表述为不同多途混响衰落过程的非相干叠加结果,并结合界面散射的若干物理机制,建立了以海面海底物理参数为变量的混响强度模型.通过数值仿真和理论分析研究了不同多途混响强度的衰落特性、到达角的空间分布及部分物理参数对混响强度的影响,并利用南海海盆(典型泥质海底)实验数据对模型有效性进行验证.仿真结果表明,界面混响强度随时间变化呈现多峰结构,峰值时间与多途混响的到达时间分布一致。声源与接收器均位于近海面处时,首峰的峰值强度及其衰落过程由海面风速决定,其它峰的峰值强度由海面海底参数共同决定,但其衰落过程主要受到底质参数的影响.      

Finite element modeling of reverberation and transmission loss in shallow water waveguides with rough boundaries

A finite element model for the reverberation and propagation in a shallow water waveguide with a sandy bottom was calculated for five different environments at a center frequency of 250 Hz. The various environments included a rough water/sediment interface, a rough air/water interface, roughness at both interfaces and downward and upward refracting sound speed profiles with roughness at both interfaces. When compared to other models of reverberation such as ray theory, coupled modes, and parabolic equations, finite elements predicted higher levels of reverberation. At early times, this is due to the "fathometer" return, energy that is normally incident on the boundaries at zero range. At later times, the increased reverberation was due to high angle scattering paths between the two interfaces. Differences in reverberation levels among the environments indicated that scattered energy from the air/water interface is transmitted into the bottom at steep angles. This led to a large decrease in reverberation for a rough air/water interface relative to a rough water/sediment interface. Sound speed profile effects on reverberation were minimal at this frequency range. Calculations of the scintillation index of the different environments indicated that most of the reverberation was relatively Rayleigh-like with heavier tailed distributions at longer ranges.