失配情况下匹配模处理方法研究

匹配场处理是一种水声学和物理学相结合的信号处理技术,其在水下目标定位方面的高精度特点使得该方法受到广泛关注。匹配模处理是工作在模态空间的匹配处理方法。相对于匹配场处理方法,匹配模处理方法通过选取受环境失配影响较小的模态参与匹配处理(然而匹配场处理方法使用了全部声场数据),减小环境失配对定位性能的影响。本文研究了简正波模型下的匹配模处理器,讨论了环境失配时匹配模处理器的性能,通过选取受失配影响较小的模态组合,得出的定位结果更加精确。     

不确定海洋环境中的模态子空间重构稳健定位方法

实际的海洋是一个不确定的声传播环境,常规的匹配场方法在进行目标定位时会遇到环境失配的问题,导致定位性能下降.在不确定的海洋环境中,声场传播中的一部分简正波模态受到声场不确定性的影响较小.基于此,本文提出了一种模态子空间重构的稳健定位方法.该方法使用稳定的模态来重构拷贝场向量,相比于常规匹配场定位方法中使用全阶模态来构造拷贝场向量,其定位结果更加稳健.利用计算机仿真数据和海试数据进行了定位性能分析,并给出了常规匹配场定位方法和稳健最大似然定位方法作为对比.研究结果表明:1)不确定海洋环境中,常规匹配场定位方法即使在较高的信噪比条件下其定位性能也较差.2)模态子空间重构定位方法的性能优于常规匹配场定位方法和稳健最大似然方法.     

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。      

基于环境扰动的线性匹配场处理方法

匹配场处理面临的挑战主要是拷贝场失配。常规线性匹配场处理方法虽然对失配较宽容,但旁瓣较高,定位正确率依赖于失配的程度,且很容易受到强干扰的影响而失效。自适应匹配场处理可以获得较高的定位精度和旁瓣抑制性能,但环境参数失配、距离／深度空间欠采样、基阵及环境的波动所造成的误差等因素,均会导致其性能严重下降。环境扰动约束可提高自适应匹配场处理器的稳健性,基于这种思想,提出了基于环境扰动的线性匹配场处理方法,它不仅在环境失配的条件下比常规线性方法的定位正确率更高,而且在阵列采样数据存在幅度与相位随机误差的条件下,比自适应匹配场方法的稳健性更强．针对环境失配条件下的强干扰问题,还提出了一种线性匹配场干扰抑制算法,可有效地抑制水面干扰。典型浅海环境下的数值仿真和实测数据分析验证了方法的有效性．     

不确实海洋环境下的贝叶斯匹配场处理

讨论了一种不确实海洋环境下贝叶斯匹配场处理方法.该方法在不确实环境下匹配场处理时,对不确实知识进行建模,同时,充分利用阵接收的空时数据,找到了匹配场处理时一种结合模基和数据驱动的机制.经理论推导、仿真分析以及实验海试数据验证,结果表明: (1)最小方差无偏响应(MVDR)、Bartlett等匹配场处理器是贝叶斯处理器的基本单元; (2)贝叶斯匹配场处理是对应的MVDR匹配场处理、Bartlett匹配场处理器等匹配场处理方法的后验概率加权和; (3)不确实海洋环境下,贝叶斯方法比对应的MVDR处理器和Bartlett处理器能更准确地对目标进行定位; (4)贝叶斯方法能较有效地抑制旁瓣.     

环境适应处理方法*

水声传播与海洋环境密切相关,环境效应是制约水声应用的关键因素之一。文章总结了作者及其合作者近十年在环境适应处理方法方面的相关研究及其相关国内外研究,包括数据驱动匹配场处理、波导不变量应用及其数据驱动格林函数提取与单边声场聚焦方法,强调方法间的相互联系和理论条件,并讨论了各种方法存在的问题及可能的研究方向。     

声速剖面对不同深度声源定位的影响

在对一次试验数据进行匹配场定位处理时发现, 选取声速剖面有轻微失配的情形下, 水面弱声源显现, 水下强声源反而消失. 基于该现象研究了声速剖面失配对不同深度声源定位的影响. 首先通过仿真试验排除海上试验中不确定因素的影响, 进一步得出深处声源定位受声速剖面失配影响较大的结论, 并针对夏季负跃层情形进行跃层深度失配的仿真, 初步得出在跃层下边界以下10 m附近处的声源对声速剖面失配最敏感. 最后从简正波的角度进行理论分析, 分两点对这一现象进行了合理解释.     

浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦研究*

为了提高低频垂直相控阵声场聚焦的环境适应性,增强环境失配情况下的声场聚焦效果,提出一种多模声场聚焦方法。该方法利用环境失配对低阶模态影响相对较小的特点,只利用前3阶模态进行发射权系数的计算。仿真结果表明,多模声场具有较大的聚焦跨度,在环境失配情况下仍能在期望的聚焦位置实现良好的聚焦效果。进一步地,根据巴斯微扰理论计算分析了多模声场的混响特性。由于多模声场聚焦将能量集中到了掠射角较小的低阶模态中,因此比最优权系数聚焦具有更低的混响平均强度。多模聚焦对聚焦深度进行扫描可以实现目标的深度分辨,这在水下目标探测方面具有较高的应用前景。     

浅海时变声速环境下的自适应匹配场定位算法实现*

针对浅海环境下声速剖面失配引起的匹配场处理器失配问题,提出了一种自适应匹配场定位算法在声速剖面时变环境下的实现方式。将先验声速剖面集简化为经验正交函数表示,结合蒙特卡洛方法与环境扰动约束算法对当下时刻的目标声源进行匹配场定位。本文以某次试验获取的连续20小时的声速剖面数据为研究对象,通过仿真试验对该算法进行验证,结果表明：在先验声速剖面集的半小时之后,利用自适应算法的距离和深度定位成功率较常规匹配场算法有较大提升,其中,深度正确定位概率相对较低。     

浅海波导环境失配下的协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计

实际浅海波导中环境噪声为相干噪声,最小方差匹配场声源功率估计方法能在相干噪声背景下准确估计声源辐射功率,但该方法受环境不确定性影响较大;此外,由于最小方差匹配场声源功率估计方法使用信号幅度作为中间量估计声源功率,信号幅度估计误差会二次放大并传递到声源功率估计结果中。本文提出一种协方差矩阵拟合稳健最小方差匹配场声源功率估计方法,该方法引入信道传递函数不确定集,结合协方差矩阵拟合思想将声源功率估计问题建模为在信道传递函数不确定集约束下对函数取极值的问题,使用Lagrange乘子法求解该问题得到信道传递函数估计值和声源辐射功率估计值。环境失配影响声源辐射功率估计性能的根本原因在于信道传递函数偏差较大,协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计方法有效减小了环境失配时信道传递函数的偏差,从而显著提升环境失配稳健性。此外,该方法使用权值直接估计声源功率,无需使用信号幅度作为中间量,避免了估计误差的传递。仿真验证了协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计方法的环境失配稳健性。     

On array design for matched-field processing

Conventional plane-wave beamforming array design guidelines are motivated by the desire to obtain particular beampattern characteristics, such as main lobe width and side lobe levels. These design guidelines are appropriate for arrays employed for beamforming, where a plane-wave signal model is utilized to derive both the array design parameters and the beamforming algorithm. However, matched-field processing utilizes full-field acoustic propagation models to exploit the complexities of ocean acoustic propagation. As a result, there may be more appropriate design guidelines for arrays employed for matched-field processing. In this paper, general guidelines for matched-field processing array design utilizing a normal mode propagation model are proposed. Various line array configurations are evaluated with respect to source localization performance, and the results suggest that arrays designed for matched-field processing should provide a unique representation of each propagating mode along the extent of the array. Further, the empirical analyses support the guidelines suggested by the theoretical analyses and show that arrays which are far from meeting conventional beamforming array design requirements may be more than sufficient for matched-field processing.     

高斯射线束方法在深海匹配场定位中的应用

匹配场定位作为一种水声被动定位方法,其拷贝场计算方法的精度和速度对定位效果和定位效率有着直接的影响。尤其在深海,目前浅海中常用的拷贝场计算方法如简正波法、抛物方程近似等在深海中往往存在计算效率不够、内存需求大、难以满足实际应用的需求。高斯射线束方法具有计算速度快,物理意义清晰,易于并行化处理等优点,非常适合于深海近程声场计算。通过数值仿真算例和海上实验数据的处理验证了高斯射线束方法用于拷贝场计算的有效性。仿真和实验数据处理结果表明,采用高斯射线束方法计算拷贝场在深海匹配场定位中有很好的定位效果.      

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。     

Geoacoustic Inversion Based on a Vector Hydrophone Array

We propose a geoacoustic inversion scheme employing a vector hydrophone array based on the fact that vector hydrophone can provide more acoustic field information than traditional pressure hydrophones. Firstly, the transmission loss of particle velocities is discussed. Secondly, the sediment sound speed is acquired by a matchedfield processing （MFP） procedure, which is the optimization in combination of the pressure field and vertical particle velocity field. Finally, the bottom attenuation is estimated from the transmission loss difference between the vertical particle velocity and the pressure. The inversion method based on the vector hydrophone array mainly has two advantages： One is that the MFP method based on vector field can decrease the uncertain estimation of the sediment sound speed. The other is that the objective function based on the transmission loss difference has good sensitivity to the sediment attenuation and the inverted sediment attenuation is independent of source level. The validity of the inverted parameters is examined by comparison of the numerical results with the experimental data.     

基于双水听器的目标深度辨识

随着水下目标越来越安静,探测并区分水下目标变得越来越困难。现在对目标的深度辨识多采用匹配场的方法,但其需要大量的先验知识,由于海洋情况多变复杂,这种方法并不适合进行工程实践。本文旨在探索出一种适用于浅海波导的目标深度辨识方法,并减轻工程实践的复杂度。此方法基于Pekeris波导模型,应用了数值仿真技术对垂直双水听器声压互谱的有功分量进行了分析,发现当声源深度变化时互谱有功分量符号随之变化,这个变化规律可以用于目标深度辨识。本文总结了简正波阶数以及水听器深度变化对目标深度辨识结果的影响。通过实验验证,此方法可以较好的对浅海目标进行深度辨识,方法较为可靠,有一定的应用前景。     

一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法

在水平变化波导中,匹配场被动定位的计算量非常大,严重阻碍了其工程应用.本文提出了一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法,其抛物方程模型计算网格总数远小于匹配场处理,从而大大减小计算代价.与匹配场处理不同,虚拟时反实现方法是一个利用介质互易性和叠加性的后向传输过程.通过在各水听器位置放置虚拟声源,并在搜索区域产生相应的模糊平面,对各个模糊平面进行相应加权求和,获得的定位模糊平面.利用地中海浅海实验数据验证了虚拟时反实现方法的快速性能.     

高斯射线束法在深海声源定位中的应用

在深海匹配场(Matched Field Processing-MFP)声源定位中,拷贝场模型的计算精度和速度对声源的定位效果和定位效率有着直接的影响。针对这一问题,本文数值仿真研究了深海匹配场定位中采用高斯射线束理论作为拷贝场计算模型的可行性。高斯射线束理论具有计算速度快,物理意义清晰,并且适合并行化处理等优点。文中利用不同水文环境、不同频域范围的大量仿真实验来证明该模型的适用性。结果表明,高斯射线束模型在深远海的声源定位中有很好的定位精度,并且在较低频段同样有效,可以作为深远海声源定位的拷贝场计算模型。     

基于压缩拷贝场向量的空域滤波器设计

近几十年来,匹配场处理技术得到了广泛深入的研究,并针对实际应用提出了一系列的具体处理算法.当感兴趣的水下目标信号被水面强干扰信号掩蔽时,对水下目标的匹配场处理定位性能显著下降.现有的广义空域滤波器可以抑制水面强干扰,但计算速度较慢并且内存消耗较大.提出了一种基于压缩拷贝场算法的空域滤波器设计方案,并通过非相干叠加处理宽带问题.相对于现有的空域滤波器,当接收阵元数N大于波导中有效简正波号数Q时,该滤波器可以大幅度缩减计算时间、节约运行内存,并且保持了对水面强干扰的抑制性能.针对近岸浅海环境进行了仿真计算,并给出了一些近岸浅海海域试验数据处理结果,验证了该空域滤波器的性能和对计算速度的提升.结果表明,应用基于压缩拷贝向量的矩阵滤波器对强干扰下的弱目标进行宽带非相干匹配场定位,可实现水下目标的有效区分.     

水声信号处理领域新进展

本文介绍近30年来水声信号处理领域理论研究的新进展和在声纳设计中的应用。包括水声信号建模、声场匹配、海洋波导和内波现象的探索和研究、声矢量场信息获取和处理,低频水声信道的时/空相关特性,水下目标辐射噪声的不变特征量提取和检测技术,水下语音、图像传输和抗干扰技术。同时概述,声纳设计的前沿领域:大孔径拖曳线列阵声纳、高分辨力合成孔径声纳、深海传呼机等的发展情况。