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。      

A passive source ranging method based on the frequency warping transform of the vertical intensity flux in shallow water

The phase of cross-correlation function of two different normal modes contains source range information, which can be extracted by warping transform due to the dispersive characteristics of the shallow water waveguide. The autocorrelation function of the received pressure or particle velocity contains both modal autocorrelation component(MAC) and modal cross-correlation component(MCC), with the former part usually treated as interference for source ranging. Because the real part of the vertical intensity flux(RPVIF) only contains MCC, a passive impulsive source ranging method based on the frequency warping transform of RPVIF with a single vector receiver in shallow water is presented. Using a waveguide-invariant-based frequency warping operator, the cross-correlation components of two different modes in the vertical intensity flux are warped into separable impulsive sequences, the time delays of which are subsequently used for source ranging. The advantages of source ranging based on warping the vertical intensity flux compared with warping the pressure autocorrelation function are pointed out, and the experiment results are also presented.     

Frequency invariability of acoustic field and passive source range estimation in shallow water

The frequency invariability of the warped modal signal and the warped signal autocorrelation function in shallow water is discussed.A method is proposed for passive source-range estimation based on the frequency invariability and warping transform of signal autocorrelation function received by a single hydrophone in a range-independent or weak range-dependent shallow water environment.In the method,a guided source with a known range is employed to provide the crucial and relative invariant scaled features.The experimental data in shallow water with an iso-speed profile and a fluctuated thermocline are used to verify this approach.The relative errors of the source range estimation are basically less than 10%.     

一种基于warping变换的浅海脉冲声源被动测距方法

针对浅海波导中脉冲声源被动测距问题, 提出了一种利用接收信号的能量密度函数进行warping变换的声源被动测距方法. 对于浅海波导, 接收信号的能量密度函数中不同号简正波相干部分, 经warping变换后输出结果的频谱中包含与声源和接收器位置无关的不变性频率特征. 这些特征频率在数值上等于理想波导中相干的两号简正波的截止频率差, 与海底参数无关, 因此仅需已知海水中的平均声速和海水深度便可计算出特征频率值. 当声源距离未知时, 利用特征频率的提取值与真实特征频率之间的关系可以实现快速测距, 极大地提高了计算速度. 为了验证方法的有效性, 对2011年11月黄海海域水声实验的接收脉冲数据进行了处理, 测距结果与实测距离符合良好, 平均测距误差在8%以内.     

基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题, 提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法. 在浅海波导中, 声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳定的频率特征. 声压和水平振速的自相关卷绕谱具有相同的准线谱特征, 垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征, 与声压自相关卷绕谱相比, 其尖峰个数比更多, 且尖峰宽度更宽. 利用引导源, 本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法. 利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理, 结果表明, 该方法能够实现气枪声源的有效测距. 与传统单声压水听器被动测距方法相比, 该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度.     

浅海波导中折射类简正波的warping变换

Warping变换可以实现单水听器浅海低频声波导的简正波分离.本文讨论了海水声速随深度线性减小浅海波导中折射类简正波的warping变换.理论推导了海水折射类简正波水平波数、频域相位及瞬时相位的表达式,由此提出了相应的时域和频域warping变换算子,并由仿真数据进行了验证.本文的理论推导过程同样适用于海水声速线性增大或海水折射系数的平方随深度线性变化的浅海波导.     

一种基于β-warping变换算子的被动声源距离估计方法

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.     

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.     

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。      

利用波导不变量的浅海负跃层声源深度判别

在夏季负跃层水文条件下,声源激发的声场同时存在折射类和反射类简正波,导致通过分离简正波进行深度判别的方法性能下降甚至失效·提出了一种利用波导不变量判别声源深度的方法。当接收器位于负跃层以下时,水面声源和水下声源的波导不变量数值不同。在本文的仿真条件下,水面声源波导不变量约等于1,当声源位于负跃层以下时,波导不变量大于1.利用频域warping变换从干涉结构中提取与实际距离成线性关系的时域脉冲,可以在未知声源距离的情况下,从声场干涉结构中获得声源激发声场的波导不变量,从而在夏季负跃层水文条件下进行声源深度判别。方法无须声源与接收器存在最近经过距离,可适用于单水听器或水平阵波束形成后输出的LOFAR谱.仿真结果证明,方法可以提取水面目标和水下目标的时延轨迹并计算干涉条纹的波导不变量。最后,对海试实验数据进行分析处理,从水面声源的干涉条纹中提取波导不变量,证明了方法的有效性。      

一种基于单水听器的浅海水下声源被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在群延迟理论的基础上,与warping变换处理相结合,提出了一种适用于浅海波导中宽带声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以实现对脉冲声源接收信号各阶简正波的分离提取,对分离后的简正波进行时频分析处理可以得到各阶简正波到达时刻和频率之间的关系,即各阶简正波的频散曲线,从而得到任意两阶简正波到达接收水听器的时延差.海底相移参数P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,在海底环境参数未知而P已知的情况下,利用P和简正波水平波数之间的关系可以求得任意两阶简正波的?S_(g,mn)(群慢差).根据群延迟理论,利用得到的任意两阶简正波的时延和?S_(g,mn)可实现利用单水听器对水下声源进行被动测距.本文提出的测距方法测量简单、计算方便,具有较强的实用意义.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.     

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

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.     

利用信号自相关函数warping变换的浅海水下移动观测平台机动优化方法

水下移动观测平台的机动航路对纯方位目标运动分析方法的使用性能具有重要的影响。针对此问题,提出了一种利用信号自相关函数warping变换的浅海水下移动观测平台机动优化方法。该方法利用warping变换从接收信号自相关函数中提取与目标距离相关的简正波相干项的特征频率,进而估计距离特征量,再根据预估的目标初始距离范围估计目标运动态势范围。针对观测平台机动方式为匀速转弯运动的情况,以目标方位变化率为评价指标得到了观测平台在所估计的目标运动态势范围下的最优转弯角速率。在浅海Pekeris波导环境下的数值仿真结果和实验数据处理结果表明:方位变化率与纯方位扩展卡尔曼滤波算法的性能密切相关;利用warping变换可以有效地估计距离特征量;观测平台根据以方位变化率为评价指标得到的最优转弯角速率进行机动可以获得较好的目标跟踪性能,收敛时间较短,目标位置估计误差较小。      

浅海中运动声源径向速度与距离的无源估计

针对浅海波导中声源距离的无源估计问题,提出了一种环境参数和声场模型无关的、不依赖于引导声源的运动声源径向速度以及距离估计方法。该方法首先通过双水听器低频声场强度距离波数谱变换(R-K)的相位差获得干涉简正波水平波数,对水平波数轴定标来估计运动声源的径向速度。进一步地,对接收信号自相关函数进行WARPING变换得到运动声源距离的无源估计。对于反射类简正波为主的声场,在某一假定距离下根据某两时刻接收信号WARPING变换后干涉简正波谱峰频率与假定距离的关系估计距离;对于反射类或折射类简正波为主的声场,根据两个时刻接收信号的β-WARPING变换后干涉简正波的脉冲时延估计距离的值。数值仿真分析了等声速、负梯度以及温跃层3种水文环境下的噪声以及环境宽容性,结果表明径向速度与距离的估计不依赖于环境参数。利用2005年北黄海实验数据验证了方法的可行性,径向速度与距离的估计值与实际值符合良好。      

Modal depth function estimation using time-frequency analysis

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.     

浅海矢量声场干涉结构形成机理及试验研究

浅海低频声场的微观结构特征在于具有可用波导不变量表征的 稳定空间-频率干涉结构.声场兼具标量场和矢量场, 波导条件下二者联合决定声场的全部特性. 本文研究浅海声场空频干涉结构的矢量场特征. 理论分析了声压谱、动能密度谱、声强流谱等矢量场干涉结构的形成机理, 探讨了矢量场干涉结构的波导不变量表征, 数值仿真研究了Pekeris波导中能量和能流密度的干涉特性, 进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性及表征的海上试验.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明: 中近程和中远程声场均能模态相干, 有稳定的空频干涉结构, 并且矢量声场空频干涉结构存在多种形式, 除各种能量和能流密度谱图外, 相干系数谱也呈现干涉特征, 这些形式的空频干涉结构均可用波导不变量理论有效表征. 关键词： 矢量声场 干涉结构 波导不变量 浅海低频声场     

一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法

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.     

利用自相关函数warping变换的浅海声源深度判别

针对浅海波导声源深度判别问题,提出了一种利用warping变换提取接收信号简正波相关项的深度判别方法。对接收信号自相关函数做warping变换,分离其简正波相关项,利用能量占主导的简正波相关项特征频率之间的比例关系,确定其号数,从而分辨水面声源和水下声源。公式推导和数值仿真结果说明:不同深度声源激发的能量占主导的简正波相关项特征频率不同,可以用于判别声源深度。海试实验结果证明:在海水声速随深度不变或缓变的水文环境,低频条件下,该方法可以分离简正波相关项并确定其号数,在未知声源距离的情况下有效进行声源深度判别,且无须声源相对接收器运动。      

浅海宽带简正模相干/非相干能量比值特征匹配的源深估计

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。      

一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.