浅海相干声场不确定性研究

提出一种采用随机响应面法求解浅海中含不确定参数波动方程的方法.将海洋环境不确定参数表示为标准随机变量,利用Hermite多项展开式表示相干声场的随机响应,用概率配点法求解随机多项式系数后,获得相干声场的近似表达式.通过与Monte Carlo法、声场位移法比较,表明本文方法计算精度和效率较高.     

浅海不确定声场的随机多项式展开法研究

为获得求解浅海不确定声场的普适模型,建立了随机多项式展开法与Helmholtz方程的非嵌入式耦合模型,其间运用概率配点法求解多项式系数。针对仅当海水深度不确定时的Pekeris波导、声速剖面和海深均不确定时的Pekeris波导以及下限深度不确定温跃层等几种情形,计算了传播损失概率密度分布。结果表明所建模型对声场计算模型普适性强,计算精度和计算效率高,可用于研究含多个不确定环境参数、声速剖面复杂的浅海环境中声传播的不确定性。      

嵌入随机多项式的抛物方程不确定声场快速算法

为了得到准确且高效计算起伏海洋介质中随机声场的算法,本文将随机多项式展开嵌入到宽角抛物方程声场计算模型(简称RAM模型)中,发展了一种不确定声场的快速算法.其计算结果比使用嵌入随机多项式的窄角抛物方程准确,计算时间小于作为参考的蒙特卡洛方法.在仿真算例中,随机多项式展开法对声强均值、方差、概率密度的计算准确;在一定的随...     

海洋—声学耦合过程不确定性快速预报

针对海洋声速空间非均匀和时变条件下的声场不确定性快速预报问题,根据海洋-声学耦合模式预报声速场时空变化过程,获取声速垂直结构不确定性分布规律,提出经验正交函数-随机多项式展开方法,以降低不确定参数维度,得到声场不确定性分布.数值计算表明该方法在保证同等精度的同时可大幅减少计算量,相比常规随机多项式展开方法计算效率可提高2个数量级,且计算量不随声速剖面复杂程度变化而改变.经海上实验验证,结果表明该方法可实现环境不确定性条件下的声场及其不确定性的快速预报。      

多项式混沌展开的浅海水声环境参数敏感度分析*

水下声场是海洋环境参数的非线性函数,因此环境参数的不确定性必然会引起水下声场预测的不确定性,从而导致与声场预测相关的声呐探测和水声通信等设备性能的下降。该文将Sobol敏感度指数的计算与多项式混沌展开方法相结合,将敏感度指数表达为环境条件的函数,利用Q范数约束的双曲截断方案来减少多项式项数,有效地分析了设定的"浅海负梯度温跃层"信道中8个环境参数及其交互效应对水下声传播的影响。结果表明,沉积层声速是低频远距离声场不确定性分布的最主要贡献参数,同时对于下发下收的情况,声源深度的影响程度随着声源频率增加而逐渐增大。最后应用射线理论从海底反射的角度解释了各个环境因素影响程度差异的具体原因。该文的研究对水声通信和探测系统在浅海不确定环境下的性能预报研究具有重要的参考意义。     

概率盒框架下混合认知不确定声场的响应预测

针对含概率盒-证据混合认知不确定参数声场的响应预测问题,提出了一种概率盒框架下的改进区间蒙特卡洛方法。该方法首先将混合认知不确定参数转换为纯概率盒形式,然后结合有限元方法推导出混合认知不确定声场的盖根鲍尔多项式代理模型,再采用蒙特卡洛方法求解代理模型得到声压响应。以含概率盒-证据混合认知不确定参数的二维管道声场模型和卡车乘客舱声腔模型为例,计算结果表明混合认知不确定参数影响下的声压响应为概率盒形式,其包括声压响应极值和相应的概率信息,并且所提方法较常规混合离散方法效率更优,较基于一阶摄动法的区间蒙特卡洛方法准确性更高。研究结果表明:所提方法可以有效预测混合认知不确定声场的声压响应,并可进行声学性能的风险和保守估计。      

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。     

不确定海洋声场中的检测性能损失环境敏感度度量

现有的检测算法在实际的不确定海洋环境中会出现失配情况, 进而导致检测性能下降, 但是定量分析这种检测性能损失的工作却很少见, 因此本文定义了检测性能损失敏感度函数, 并给出了基于蒙特卡罗方法的计算方法.检测性能损失敏感度是一个表征海洋环境不确定度的物理量, 它反映了海洋参数变动和检测性能损失之间的关系.利用地中海某处海洋环境进行仿真, 针对各个海洋环境参数, 计算了全海域的检测性能敏感度. 结果表明: 1)检测性能损失呈现了很强的空间性, 在20 km处, 水面声速有4 m/s的变化下, 检测损失最小为1%, 而最大达到60%.声信道中的检测性能较为稳定, 其在远距离上更是如此; 2)各个海洋环境参数对检测性能损失有不同的影响, 水体声速剖面和第一层海底介质的声速和厚度是对检测性能影响最大的量; 3)环境参数敏感度呈现很强的频率特性, 海底底质参数包括底质厚度、密度和吸收系数等随着频率的升高对检测性能的损失影响变小. 关键词： 检测性能损失 环境敏感度 不确定海洋环境     

工艺参数扰动下互连线时延的随机点匹配评估算法

提出了一种基于工艺参数扰动的随机点匹配时延评估算法.该算法通过Cholesky分解将具有强相关性的工艺随机扰动转化为独立随机变量,并结合随机点匹配方法和多项式混沌理论对耦合随机互连线模型进行时延分析.最后,利用数值计算方法给出互连时延的有限维表达式.仿真实验结果表明,该算法与HSPICE仿真时延的相对误差不超过2%,且相比于HSPICE显著降低了电路模拟时间. 关键词： 工艺参数扰动 随机互连模型 随机点匹配方法 多项式混沌理论     

基于 L-曲线参数优化的均匀声场重建算法

为了得到最小二乘法声场重建问题的稳定解,通常需要引入Tikhonov正则化方法。然而正则化程度取决于正则化参数的选择。针对这一问题,提出了一种基于L-曲线法参数选择的均匀声场重建算法。该算法根据重建误差与扬声器功率计算得到L-曲线,该曲线上曲率最大的点所对应的参数值作为Tikhonov正则化参数的选值。确定正则化参数后可进一步得到扬声器权系数以及重建均匀声场。针对不同正则化参数取值方法,对控制区域进行均匀声场重建以及重建性能仿真。仿真结果及实验表明,L-曲线法实现了重建误差与扬声器驱动信号功率之间的平衡。     

The rapid uncertainty prediction of the ocean-acoustic coupled model

Focusing on the rapid prediction of acoustic field uncertainty in environment with temporal and spatial sound speed perturbation, evolvement of sound speed structure over time is predicted based on the ocean-acoustic coupled model to obtain the uncertainty distribution of the vertical structure of sound speed. Further, a method combining the arbitrary polynomial chaos expansion with the empirical orthogonal function is proposed to reduce the dimensionality of uncertain parameters and to obtain the uncertainty distribution of the acoustic field. Simulations have shown that the computational complexity can be reduced by 2 orders of magnitude compared to the conventional polynomial chaos expansion while ensures the same precision.Moreover, the computational complexity is not influenced by the complexity of the sound speed profile. The acoustic field and uncertainty predicted in uncertain environment by proposed method also have been tested with the experimental data.     

A High-Efficiency Spectral Method for Two-Dimensional Ocean Acoustic Propagation Calculations

The accuracy and efficiency of sound field calculations highly concern issues of hydroacoustics. Recently, one-dimensional spectral methods have shown high-precision characteristics when solving the sound field but can solve only simplified models of underwater acoustic propagation, thus their application range is small. Therefore, it is necessary to directly calculate the two-dimensional Helmholtz equation of ocean acoustic propagation. Here, we use the Chebyshev–Galerkin and Chebyshev collocation methods to solve the two-dimensional Helmholtz model equation. Then, the Chebyshev collocation method is used to model ocean acoustic propagation because, unlike the Galerkin method, the collocation method does not need stringent boundary conditions. Compared with the mature Kraken program, the Chebyshev collocation method exhibits a higher numerical accuracy. However, the shortcoming of the collocation method is that the computational efficiency cannot satisfy the requirements of real-time applications due to the large number of calculations. Then, we implemented the parallel code of the collocation method, which could effectively improve calculation effectiveness.     

海洋声场中分布式无源定位系统的节点配置方法

为了提高海洋声场中分布式无源定位系统的定位精度,提出一种基于自适应遗传算法的节点配置方法。首先,基于到达时间TOA(Time of Arrival)定位算法推导出均匀物理场与海洋声场中定位误差的CRLB(Cramer Rao Lower Bound)。之后,利用BELLHOP模型对海洋声场进行建模,获得任意位置处目标声源与节点接收信号相关的传递函数并对等效声速进行计算.以目标声源在观测区域内服从均匀分布为例,将定位误差的平均CRLB最小为优化准则,采用自适应遗传算法对节点进行优化配置。结果表明,该方法能够有效降低海洋声场中分布式无源定位系统的定位误差,并给出定位误差随节点个数增加呈非线性递减的变化趋势,可为工程应用提供理论指导。      

认知不确定二维声场的响应特性数值分析

针对声学参数存在认知不确定性的问题,为实现认知不确定声场声压响应的预测。提出了解决二维认知不确定声场的有限元法(Evidence Theory-based Finite Element Method,ETFEM),引入证据理论,采用焦元和基本可信度的概念来描述认知不确定参数,基于摄动法的区间分析技术,推导了认知不确定声场声压响应的标准差、期望求解公式。为验证本文方法的可行性。以认知不确定参数下的二维管道声场模型和某轿车二维声腔模型为例进行了数值计算,对比离散随机变量得到认知不确定参数的声场分析结果和相应的随机声场所得分析结果,研究表明:该方法能够有效的处理认知不确定参数下的二维声场,为工程问题中噪声预测提供可靠的分析模型。      

Numerical analysis of the 2D acoustic field with epistemic uncertainty

Aiming at the problem that the epistemic uncertain parameters exist in an acoustic field,an evidence theory-based finite element method(ETFEM) is proposed by introducing the evidence theory,in which the focal element and basic probability assignment(BPA) are used to describe the epistemic uncertainty.In order to reduce the computational cost,the interval analysis technique based on perturbation method is adopted to acquire the approximate sound pressure response bounds for each focal element.The corresponding formulations of intervals of expectation and standard deviation of the sound pressure response with epistemic uncertainty are deduced.The sound pressure response of a 2D acoustic tube and a 2D car acoustic cavity with epistemic uncertain parameters are analyzed by the proposed method.The proposed method is verified through the comparison of the analysis results of random acoustic field with that of epistemic uncertain acoustic field.Numerical analysis results show that the proposed method can analyze the 2D acoustic field with epistemic uncertainty effectively,and has good prospect of engineering application.     

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。      

Acoustic field and array response uncertainties in stratified ocean media

The change-of-variables theorem of probability theory is applied to compute acoustic field and array beam power probability density functions (pdfs) in uncertain ocean environments represented by stratified, attenuating ocean waveguide models. Computational studies for one and two-layer waveguides investigate the functional properties of the acoustic field and array beam power pdfs. For the studies, the acoustic parameter uncertainties are represented by parametric pdfs. The field and beam response pdfs are computed directly from the parameter pdfs using the normal-mode representation and the change-of-variables theorem. For two-dimensional acoustic parameter uncertainties of sound speed and attenuation, the field and beam power pdfs exhibit irregular functional behavior and singularities associated with stationary points of the mapping, defined by acoustic propagation, from the parameter space to the field or beam power space. Implications for the assessment of orthogonal polynomial expansion and other methods for computing acoustic field pdfs are discussed.