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.     

波导不变量谱值及其分离方法

波导不变量有两种定义方式,按照干涉条纹斜率的定义适合工程应用,按照简正波频散的定义适合理论分析.在有跃层的波导中,这两种定义方式并不完全一致.由于简正波频散特性差异,按照频散特性定义的波导不变量β会有许多不同的取值,这些β被称为波导不变量的β谱.此时声场干涉结构应该用多个β来描述,而以往的β提取算法只能给出一个最佳估计值,导致一些信息的丢失.借鉴图像处理中的积分投影概念,将声强图像按照角度进行积分投影,以分离不同斜率的条纹成分;然后对投影曲线进行傅里叶变换,以分离不同间距的条纹成分,最终实现各个β谱值的分离.仿真和实验结果表明,β谱分离算法可以从声场干涉结构中有效地提取不同条纹成分的β,并将其映射到二维平面内,具有更强的噪声抑制能力,所以能在更低的信噪比条件下使用.     

利用简正波频散特征映射方法进行海洋环境参数反演

浅海波导中传播的脉冲信号可以通过频散特征映射方法(warping变换)进行简正波的有效分离,这使得频散曲线的获取更加容易和准确.利用简正波频散特征映射方法分析2010年南海声层析实验中单个阵元接收的声学信号,有效分离出各号简正波,并进一步通过Wigner-Ville分布处理提取出波导中各号简正波的频散曲线.将提取的频散曲线与理论计算到达时差进行匹配,实现了利用单水听器信号的海洋环境参数反演.实验结果表明:将简正波分离与Wigner-Ville分布相结合可有效消除Wigner-Ville分布在估计多分量信号时的交叉干扰,提取的频散特征可很好地用于同时反演海水和海底声速剖面。为评价反演结果的有效性,对反演结果进行了后验概率分析,并将一小时内的海水声速剖面反演结果与温度链实测值作对比,二者符合较好.      

基于和频与差频级联的全光单光子波长变换

基于周期极化铌酸锂波导,提出了一种采用和频产生与差频产生级联的全光单光子波长变换方案.在海森堡绘景下,通过非线性变换过程的哈密顿量求解了目标单光子信号的湮灭算子,进而根据变换前后的光子数算符之比得到了单光子波长变换的效率.分析了和频产生过程以及差频产生过程中单光子的转换效率与泵浦功率之间的关系,证明了存在最佳泵浦功率使得量子态能够完全转移.数值分析结果表明,当上变换(和频产生)泵浦光功率为65 mW、下变换(差频产生)泵浦光功率为150 mW时,由1550 nm到1530 nm的单光子波长变换可达到61％的转换效率.给出了级联单光子波长变换的实验装置,包括周期极化铌酸锂波导、泵浦激光、准单光子信号源、滤波等光学元器件、单光子探测器和同步线路.     

窄频带Lamb波频散特性研究

利用连续小波变换对从铝合金板结构中俘获的Lamb波信号进行分析,获得波信号在时间-尺度域的等高线和等高线脊线.根据Lamb波的频散特征、时间-尺度域等高线脊线的斜率和波在不同尺度下的到达时间,识别了Lamb波信号中各信息包的模式,并匹配出基础阶模式窄频带Lamb波在铝合金板结构中传播的实际频散曲线.对试验的Lamb波信号分析的结果表明该方法对于研究和应用窄频带Lamb波的频散特性是有效的. 关键词： 连续小波变换 Lamb波 频散     

基于频散补偿和分数阶微分的多模式兰姆波分离

由于兰姆波的多模和频散特性,实际检测时在同一激发频率下存在多种模式的混合信号,而各模式信号有不同的频散特性,使得在时频混叠的情况下兰姆波的检测变得十分复杂.本文在频散补偿的基础上,通过时延函数建模,依靠不同模式频散趋势的差异性,将时频混叠信号的分离问题转化为部分模式混叠信号的分离问题.基于分数阶微分的理论,用信号幅值谱分数阶微分极大值和对应频率分别与微分阶次拟合多项式实现特征参数的提取并依靠特征参数重建幅值谱.结合相位谱重构时域信号以实现部分混叠信号中频散补偿后的模式的分离.最后恢复频散获得分离后的兰姆波信号.仿真和实验结果表明,本文方法不仅可以实现时频混叠多模式兰姆波信号的分离,更能保证分离精度,有助于复杂多模式频散信号的分离与处理的进一步研究.     

一种浅海声简正波近场分离方法

针对浅海环境下声简正波的近场分离问题,提出了一种基于频率-波数(Frequency-Wavenumber,F-K)变换的分离方法。该方法通过对由近场水平多道接收信号所组成的水声信号矩阵进行F-K变换,将二维接收信号矩阵从时间-空间域转换至频率-波数域,由提取频率-波数域上各阶简正波各频点的波数实现对信号中各阶简正波的分离及频散特性提取。数值模拟和水池实验对本方法在实际研究中的可靠性和有效性进行了验证,表明在500 m距离内利用本方法能可靠分离Pekeris波导中200 Hz以下各阶简正波。      

脉冲激光在镀层圆柱表面激发的表面波

分别从理论和实验上研究了脉冲激光在快、慢镀层圆柱表面激发的表面波声场.脉冲激光线源在镀层圆柱周向上激发超声波信号并利用激光干涉仪检测.对钢基底锌镀层圆柱和锡基底铜镀层圆柱试样表面波的理论频散和实验信号估计频散进行了比较,瞬态位移场则利用留数定理与FFT技术数值仿真得到并与实验波形进行对比.结果显示:理论频散和仿真波形与...     

双层声波导乐甫波传感器的质量敏感度分析

本文推导了双层声波导结构乐甫波传感器的频散方程和质量敏感度。首先,根据连续边界条件求解声波波动方程,并推导双层声波导结构下乐甫波传播的频散方程;然后根据微扰理论推导乐甫波传感器的质量敏感度。文中并最后给出基于ST-90°X石英基片的乐甫波传感器的算例分析。基片表面依次覆盖二氧化硅和金两层声波导,根据上述推导式子计算出乐甫波相速度及质量敏感度随着声波导层厚度变化的特性。结果表明:声波导层厚度增加时,乐甫波相速度减小,乐甫波模式增多,控制波导层厚度可以获得单一的乐甫波模式;选择波导层的厚度,乐甫波传感器可获得最大质量敏感度。     

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     

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.     

A modified warping operator based on BDRM theory in homogeneous shallow water

In this paper, a modified warping operator for homogeneous shallow water based on the Beam-Displacement Ray-Mode (BDRM) theory is presented. According to the BDRM theory, the contribution of the beam displacement and the time delay to the group velocity can be easily considered in a shallow water waveguide. A more accurate dispersion formula is derived by using the cycle distance formula to calculate the group velocity of normal modes. The derived dispersion formula can be applied to the homogeneous shallow water waveguide. Theoretically, the formula is related to the phase of the reflection coefficient and suitable for various bottom models. Furthermore, based on the derived dispersion relation, the modified warping operator is developed to obtain linear modal structures. For the Pekeris model, the formulae for the phase of the reflection coefficient are derived in this work. By taking account of the effect of the bottom attenuation on the reflection coefficient, the formula for the phase of the reflection coefficient including the bottom attenuation is obtained for the Pekeris model with a lossy bottom. Performance and accuracy of different formulae are evaluated and compared. The numerical simulations indicate that the derived dispersion formulae and the modified warping operator are more accurate.     

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.     

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。      

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。      

Passive source range estimation with a single receiver in shallow water

An approach for long-range passive impulsive source ranging with a single receiver in shallow water is proposed,which utilizes the frequency spectrum of the warped signal autocorrelation function via warping transform.For an ideal waveguide,there are invariable frequency features both in the frequency spectrum of the warped signal corresponding to modal cut-off frequencies and the warped signal autocorrelation function due to modal interference.These intrinsic frequency features can be used to passive source ranging.So,the approximate relationship between the frequency of warped signal at an unknown source range and the intrinsic frequency extracted by the time warping transform is derived.These rules can be generalized to an actual shallow water waveguide.Employing an acoustic model to offer the invariable frequency spectrum features,the impulsive signal data collected by a single hydrophone in the North Yellow Sea in December 2011 are analyzed to verify the proposed source ranging approach.The estimated ranges are in good agreement with the ranges measured by GPS,and the mean relative error of range estimation is less than 10%.     

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。      

基于模式能量比的海底声衰减系数反演

简正波的分离性能对简正波频散曲线、模式能量比等物理量的提取至关重要,这些物理量可以用来反演海底地声参数。本文分析了短时傅里叶变换(STFT)和warping变换两种方法在简正波分离上的性能的差异,并利用该两种方法提取模式能量比来反演海底声衰减系数。仿真实验和2018年冬季北海实验数据处理表明,warping变换在简正波分离上具有较大的优势,尤其是在近距离接收上。