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。     

一种基于单水听器宽带信号自相关函数的水下目标定位稳健方法

在浅海波导中, 未知声源的本征声线相对到达时延估计是非常困难的. 声源位置在邻域内变化和声速剖面扰动对本征声线相对达到时延的影响是类似的. 基于这种思想, 提出了基于单水听器宽带信号自相关函数的水下目标定位稳健方法. 通过设计邻域位置约束, 构造加权函数, 将宽带信号自相关函数包含的交叉干扰峰值转化为能够改善目标定位性能的有用信息. 该方法不仅不需要估计本征声线的相对到达时延, 而且对搜索网格失配和环境参数失配具有相当的宽容性. 利用典型浅海环境下的仿真数据和海上实验数据(Shallow Water 2006 experiments)对所提出方法的有效性进行了验证.     

基于稀疏重构的尾波干涉成像方法

尾波干涉成像是利用尾波时延和扩散近似敏感核来反演散射介质中微小速度扰动空间分布的技术.该问题本质上是一个欠定问题,一般无确定解,导致其难以精确定位介质中微小波速变化的区域.为解决上述缺陷,本文利用速度扰动分布在空间上具有稀疏性的特点,提出了一种基于压缩感知理论中稀疏重构算法的尾波干涉成像方法.该方法可在散射介质中较准确地获取速度扰动的空间位置和范围,同时具有较高的计算效率.数值仿真和实验结果表明:相比于现有的线性最小二乘差分成像方法,无论是单个还是多个扰动区域,该方法均能更精确地进行定位成像,同时明显减少了计算时间.     

随机多项式展开多特征向量约束-匹配场 声源定位算法*

多特征向量约束的自适应环境宽容匹配场算法可用于随机和不确知海洋声传播介质中的声源位置定位。该方法需要对拷贝场复声压的互谱矩阵进行估计。为了克服蒙特卡洛统计方法计算互谱矩阵较为耗时的缺点,文章将起伏介质中的随机或不确知声压表示为以正交的随机多项式为基底的级数,随机多项式基底的输入变量为描述环境随机性或不确知性的随机变量。利用随机多项式展开基底的正交性可快速估计拷贝场复声压互谱矩阵。仿真结果表明：在声源频率较低、浅海海水声速存在随机起伏的条件下,在计算效率上使用随机多项式展开方法估计拷贝场复声压互谱矩阵较蒙特卡洛统计方法可提高一个数量级;在高信噪比下,多特征向量约束匹配场声源定位算法在定位准确率和输出峰均比上优于线性匹配场和对角加载的最小方差匹配场声源定位方法。     

利用多途时延的被动目标定位方法

本文研究了在海洋波导环境中利用多途时延信息进行水下目标被动定位的方法。理论分析了在等声速理想海洋波导环境中,多途时延信息随时间变化的规律及其与目标运动状态之间的联系。分析结果表明,不需要已知声线类型而仅利用多途时延信息即可实现浅海波导环境中水下目标的被动定位。利用多途时延信息,当有两条声线到达时可以估计运动目标的归一化径向速度;当有三条声线到达时,可实现水下运动目标距离、径向速度的估计。最后利用仿真和实验数据对上述结论进行了验证。     

基于粒子群优化的核匹配追踪目标识别

提出了一种基于粒子群优化的用于目标识别的核匹配追踪算法.该算法用粒子群优化算法在基函数字典中选择最优的基函数,大大降低了基匹配追踪算法的计算复杂度.通过与标准核匹配追踪算法及基于遗传算法的核匹配追踪算法对UCI数据集及纹理图像的识别试验表明,核匹配追踪算法优良的分类性能以及粒子群优化算法高效的全局搜索能力使新算法能有效识别目标数据.     

融合全卷积神经网络和视觉显著性的红外小目标检测

为提高复杂背景和噪声干扰下红外小目标检测性能,提出了融合深度神经网络和视觉目标显著性的单阶段红外小目标检测算法.首先设计了基于编码器-解码器架构的轻量级全卷积神经网络对红外图像进行分割,实现背景抑制和目标增强;然后利用红外小目标的显著性特征进一步抑制虚警;最后采用自适应阈值法分离出小目标.网络结构中通过引入多个下采样层降低计算量并增大感受野;通过引入多尺度特征提升背景抑制能力;通过引入注意力机制提升模型训练效果.在真实红外图像上的测试表明,本文算法在检测率、虚警率和运算时间等方面都优于典型红外小目标检测算法,适合进行复杂背景下的红外小目标检测.     

浅海小目标前向散射的非互易时反检测方法

将无源非互易时反(NRTR)用于浅海小目标前向散射探测海上实验研究,提出了一种基于频域加权松弛的信道估计算法(WRELAX)和时反方法相结合的小目标探测算法(WRELAX-NRTR)。该算法采用高精度的信道响应估计实现信道的空-时匹配,利用目标引起的时反声场结构的畸变检测前向散射信号对声场的扰动实现目标探测,并通过阈值法实现目标判决。在15~30 kHz的信号频率范围内进行海上实验,数据的处理结果表明,提出的WRELAX-NRTR探测算法与传统的NRTR算法相比,环境背景的扰动幅度从10 dB减小到4 dB,从而降低了虚警率,另外该算法对海洋环境噪声、目标聚焦深度、目标穿越距离和信道动态变化等均具有良好的鲁棒性。      

两端开口空间的声场研究

研究了两端开口空间中声压分布同封闭空间和长空间中的不同,比较传统赛宾公式、改进赛宾公式和声线法对这种空间的估计准确度,同时对其中出现非指数衰变曲线进行讨论,分析其产生的原因、影响因素和规律。文中使用声线法进行数值计算,并且通过实验来和数值结果比较,验证结论。研究表明:两端开口空间中的稳态声压分布与封闭空间和长空间明显不同,混响时间的计算不能再使用传统赛宾公式,声线追踪法无法完全准确地估计稳态声压;其中出现非指数衰变曲线的原因经分析为空间内各不同活跃度的小区域之间的声能量耦合造成,而能否被观察到取决于能否满足耦合空间理论中对于双斜率衰变曲线出现的要求,直观上只要观察点和声源距离相差不远,并且不都在空间中央便可观察到明显的双斜率衰变曲线。      

环境扰动约束下的稀疏贝叶斯定位方法

针对匹配场被动定位技术对海洋环境扰动敏感的问题,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法。该方法通过分析环境扰动情况下的声场构成,建立了海洋环境扰动模型,同时结合水下定位问题的稀疏性,将匹配场被动定位问题表述为稀疏信号重构问题。然后,使用稀疏贝叶斯学习方法迭代更新目标位置及模型失配权向量,收敛至最优稀疏解作为目标定位结果。最后使用仿真数据和北厄尔巴岛的海试数据对算法进行了验证,仿真和实验结果表明:该算法在海洋环境模型失配情况下也能够准确定位,且能分辨水平间距为100 m的两个目标。因此,基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法能够有效利用海洋环境扰动声场结构和水下定位稀疏特性,以增强匹配场处理的稳健性和定位精度,并且具有应对多源定位问题的能力。      

一种考虑声线弯曲的温度场重建算法

声波在非均匀温度场中传播时会由于声波的折射而产生声线弯曲现象。为提高非均匀温度场声学CT (Computer Tomography)重建精度,提出一种考虑声线弯曲的重建算法。首先用最小二乘法获得一个不考虑声线弯曲的重建温度场,然后用打靶-插值法确定本征声线出射角,用三角形前向展开法追踪声线,获得此温度场中声波发射/接收器间的本征声线,建立本征声线上声波传播时间与温度分布间的关系,进而实现考虑声线弯曲的最小二乘法温度场重建。单峰、双峰温度场仿真重建结果表明:所采用的本征声线追踪法计算简单运行速度快;考虑声线弯曲后,可明显提高温度场重建精度。因此所提重建算法能更好地适应实际温度场重建需求。      

Target detection and localization in shallow water: an experimental demonstration of the acoustic barrier problem at the laboratory scale

This study demonstrates experimentally at the laboratory scale the detection and localization of a wavelength-sized target in a shallow ultrasonic waveguide between two source-receiver arrays at 3 MHz. In the framework of the acoustic barrier problem, at the 1/1000 scale, the waveguide represents a 1.1-km-long, 52-m-deep ocean acoustic channel in the kilohertz frequency range. The two coplanar arrays record in the time-domain the transfer matrix of the waveguide between each pair of source-receiver transducers. Invoking the reciprocity principle, a time-domain double-beamforming algorithm is simultaneously performed on the source and receiver arrays. This array processing projects the multireverberated acoustic echoes into an equivalent set of eigenrays, which are defined by their launch and arrival angles. Comparison is made between the intensity of each eigenray without and with a target for detection in the waveguide. Localization is performed through tomography inversion of the acoustic impedance of the target, using all of the eigenrays extracted from double beamforming. The use of the diffraction-based sensitivity kernel for each eigenray provides both the localization and the signature of the target. Experimental results are shown in the presence of surface waves, and methodological issues are discussed for detection and localization.     

基于射线跟踪技术的浅海波导中目标回声计算

基于浅海波导中目标回声计算的射线声学方法,将数值模型推广到任意声速剖面的情况,发展了基于射线跟踪技术的浅海波导中复杂目标回声的数值计算方法。应用HAPRO声线模型跟踪计算本征声线,并结合板块元方法计算浅海波导中的目标声散射。算例比较了冬、夏两季典型声速剖面和细沙、黏土海底等不同浅海环境情况下的目标回声特性。计算表明,浅海波导中球体和横向放置的长圆柱体的等效目标强度ETS与自由空间中的目标强度TS很接近,声速剖面和海底底质对这类目标的ETS影响很小,传统意义上的声呐方程基本上成立。竖向放置的长度/波长比远大于1长圆柱以及benchmark潜艇等复杂形状目标的ETS与自由空间中的TS差别较大,传统的主动声呐方程存在较大误差。      

Evaluation of the smoothed interference pattern under conditions of ray chaos

A ray-based approach has been considered for evaluation of the coarse-grained Wigner function. From the viewpoint of wave propagation theory this function represents the local spectrum of the wave field smoothed over some spatial and angular scales. A very simple formula has been considered which expresses the smoothed Wigner function through parameters of ray trajectories. Although the formula is ray-based, it nevertheless has no singularities at caustics and its numerical implementation does not require looking for eigenrays. These advantages are especially important under conditions of ray chaos when fast growing numbers of eigenrays and caustics are the important factors spoiling applicability of standard semiclassical approaches already at short ranges. Similar factors restrict applicability of some semiclassical predictions in quantum mechanics at times exceeding the so-called "logarithm break time." Numerical calculations have been carried out for a particular model of range-dependent waveguide where ray trajectories exhibit chaotic motion. These calculations have confirmed our conjecture that by choosing large enough smoothing scales, i.e., by sacrificing small details of the interference pattern, one can substantially enhance the validity region of ray theory. (c) 2000 American Institute of Physics.     

Periodic and chaotic behaviour in a reduced form of the perturbed generalized Korteweg–de Vries and Kadomtsev–Petviashvili equations

The dynamical behaviour of a reduced form of the perturbed generalized Korteweg–de Vries and Kadomtsev–Petviashvili equations (extension of the Korteweg–de Vries equation to two space variables) are studied in this paper. Harmonic solutions of non-resonance and primary resonance are obtained using the perturbation method. Chaotic motion under harmonic excitations is studied using the Melnikov method.A wide range of solutions for the reduced perturbed generalized Korteweg–de Vries equations, in which non-linear phenomena appearing within transition from regular harmonic response (periodic solutions) to chaotic motion, are obtained using the time integration Runge–Kutta method. When chaos is found, it is detected by examining the phase plane, the Poincaré map, the sensitivity solution of the solution to initial conditions, and by calculating the largest Lyapunov exponent.     

Spatial field shifts in ocean acoustic environmental sensitivity analysis

This article examines the effects of spatial field shifts in ocean acoustic environmental sensitivity analysis. Acoustic sensitivity studies are typically based on comparing acoustic fields computed for a reference environmental model and for a perturbed model in which one or more parameters have been changed. The perturbation to the acoustic field due to the perturbed environment generally includes a component representing a spatial shift of the field (i.e., local field structure remains coherent, but shifts in range and/or depth) and a component representing a change to the shifted field. Standard sensitivity measures based on acoustic perturbations at a fixed point can indicate high sensitivity in cases where the field structure changes very little, but is simply shifted by a small spatial offset; this can conflict with an intuitive understanding of sensitivity. This article defines and compares fixed-point and field-shift corrected sensitivity measures. The approaches are illustrated with examples of deterministic sensitivity (i.e., sensitivity to a specific environmental change) and stochastic sensitivity (sensitivity to environmental uncertainty) in range-independent and range-dependent environments.     

分层海洋介质中本征声线的快速计算

本文提供一种在恒定水深的水平分层海洋中快速计算本征声线的方法，该方法引入声线跨度的概念，将本征声线分解为若干声线跨度的组合，并以声线常数为自变量建立声线组合方程。利用牛顿下山法迭代求解该方程得到本征声线，极大地提高了计算效率，给定海深，声剖面，声源距离、深度及接收器深度等参数时，应用本方法可计算出若干条本征声线的出射角、到达接收位置时的入射角和传播时间。若附加声源的辐射频率和海底底质等信息，还可     

含非线性微扰项的二阶动力学系统的一阶近似守恒量的一种新求法

从一阶近似守恒量的性质出发,把受微扰系统视为未受微扰系统与微扰项的迭加,提出一种分三步求得一阶近似守恒量的新方法:先选择合适的方法求得未受微扰系统的守恒量I0,再考虑微扰项对守恒量I0的影响,最后利用一阶近似守恒量的性质求得一阶近似守恒量.用该方法研究了一实际的受非线性微扰作用的两自由度动力学系统,得到4个稳定的一阶近似守恒量.用坐标变换法和微扰法得到系统一阶近似解的表达式,并讨论4种特殊情况下的一阶近似解.     

液体可视图象序列中杂质小目标的检测方法

在分析红外图象和视图象差异的基础上，研究了一种适用于可视图像序列的运动小目标检测算法。受目标影响的象素点具有较弱的时间相关性，即相对普通象素点有较大的时间方差，根据此特征，用管道更新的方法产生新方差图象序列，再用管道更新的方法累积，增加信噪比，然后用基于统计均值的自适应门限方法分割出目标，最后将原图象的梯度倒数作为象素点强度的加权，有效地抑制灰度突变边界的传感器噪音，保存目标点。