水声环境对声纳作用距离影响的一种定量分析方法

本文分析了目标参数估计误差对声纳作用距离预报的影响,在此基础上,提出了一种预防方法,以减小目标参数估计误差,较客观地反映水声环境对声纳作用距离的影响。     

一种基于多普勒频移的被动合成孔径声纳探测方法*

由于自主小平台声纳孔径有限,对声纳探测的分辨率的提高有所限制。小平台的机动可以有效的与声纳探测方法相结合来提高声纳探测性能。针对这一特点,提出一种基于多普勒频移技术的被动合成孔径声纳探测方法。该方法根据自主小平台的机动所引起声纳的接收信号多普勒频移的变化,进行目标的频率与方位联合估计。本文将自主小平台的机动引入到波束形成技术当中形成一种新的被动合成孔径技术。数值仿真表明,该方法可以有效的进行目标方位估计,并且获得较高的方位分辨率,改善了自主小平台的探测性能。     

基于改进动态规划的主动声纳序列图像检测方法

动态规划是序列图像小目标检测的常用方法，该方法假设各帧图像间目标转移过程为马尔可夫过程，将能量累积计算量由原本的按图像帧数幂指数增长变为成倍增长，大大减小了计算量，使计算目标多帧累积能量变为可能。为了提高算法检测能力，该文根据动态规划算法原理及惩罚函数特点对算法进行了改进，使原本的二阶规划过程变为三阶，使指标函数更加有效地累积，有效提高了相同虚警概率下的检测概率。还利用该算法设计了主动声纳序列图像检测过程，并进行了仿真，验证了算法的有效性。     

印度洋中北部声速剖面结构的时空变化及其物理机理研究

海洋的声速结构对水下声传播有重要影响,在印度洋中北部复杂多变的海洋物理和水文环境中, 获取声速剖面的时空统计分布规律对水下目标探测和水下声通信有重要意义. 由于垂直梯度法在声速结构分析中的局限性及其在印度洋中北部海域的适用性问题, 采用多元统计分析中的最优分割法对声速跃层进行分析,并应用最近10年的地转海洋学实时观测阵 数据对印度洋中北部海域声速剖面的特征量进行了计算,获得了声速跃层的垂直结构特征和时空变化规律; 还利用经验正交函数(EOF)表示方法,分析了印度洋中北部声速剖面拟合精度随EOF阶次的分布特点. 根据印度洋的海洋物理特征,揭示了声速剖面特征量时空演变的内在物理机理.研究结果表明: 最优分割法是适合印度洋声速结构的跃层判断方法,并提出了相应的判断准则参数; 声速剖面拟合精度随EOF阶次变化的区域性分布特征较明显,其季节性变化较小; 印度洋中北部的深海声道轴只在5°S以南明显存在,在15°S---25°S 附近海域存在三个跃层;印度洋中北部声速剖面结构可分为单跃层、双跃层Ⅰ型、 双跃层Ⅱ型和三跃层四种类型以及春夏秋冬四个季节模态. 声速剖面的分析结果对于水声传播和声纳系统的使用具有一定参考意义.     

高分辨侧扫及合成孔径声纳图像与回波中类似水雷目标计算机检测与分类

计算机辅助目标识别与分类技术有可能可靠地在海底发现水雷及其它感兴趣的目标,高效省时,一致性强,不受操作员个体因素影响。自90年代以来,是多个研究部门的热点课题。近年来,合成孔径侧扫声纳技术日趋成熟,能提供更高分辨率的声图,更是促进了自动识别与分类的发展。 本文综合评述了高分辨侧扫及合成孔径声纳图像与回波中类似水雷目标- MLO (Mine Like Object)-计算机检测与分类-CAD/CAC（Computer Aided Detection/ Computer Aided Classification）-研究的发展,现状及趋向。     

声纳信号宽容性检测指数的初步分析

自上世纪六十年代以来,信号的宽容性(Robust,Robustness)处理就开始在统计数学与信号处理领域受到关注。由于声纳使用的水声环境的特殊复杂性,从事声纳信号处理和声纳设计的学者对环境适应性处理和宽容性水声信号处理开展了大量的研究。主要的目的是探索水声环境效应以及对声纳信号处理的影响,企图寻求一种适应环境的宽容性信号处理方法。本文初步探讨水声信号处理领域宽容性检测的基本概念,给出一种度量宽容性性能的数量指标。同时推导在不同声速剖面下声纳检测宽容性指标和所使用频率的关系。对文中所提出的理论方法与国内外实际海试的某些实例进行了分析比较。     

浅海周期起伏海底环境下的声传播

海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响.利用黄海夏季典型海洋环境,分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性,结果表明:由于海底周期起伏的存在,对于低频(<1 kHz)、近程(10 km)的声信号,传播损失可增大5—30 dB.总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律.当海底起伏周期不变时,起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大;当起伏高度不变时,随着起伏周期变大,其对声传播的影响逐渐变小.用射线理论分析了其影响机理,由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角,导致海底的反射损失增大;另一方面,声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量,由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减.在浅海负跃层环境下,声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大.周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化,一些大角度声线能量衰减加大,多途结构变少.多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱,会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响.所以,声呐在实际浅海环境中应用时,应对起伏海底的影响予以重视.此外,研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.     

基于Contourlet域HMT模型的声纳图像去噪

声纳图像预处理是声纳图像目标识别与跟踪的前提;声纳图像对比度低,特性信息弱,为此,提出Contourlet域HMT模型(CT-HMT)的声纳图像去噪算法。Contourlet域中,不同方向间子带系数的相关性体现于DFB分解中,相邻尺度间父节点对应的4个子节点分布在2个可分离的方向子带上,父、子节点状态"持续性"采用Markov模型建模,尺度内Contourlet系数的"聚集性"采用混合高斯模型建模;最后,用贝叶斯准则估计无噪图像的Contourlet系数,实现声纳图像去噪。实验结果从视觉效果和定量分析两方面验证表明,本文算法能有效地抑制噪声,提取声纳图像的弱特征信息,较好地保全了图像的边缘和轮廓信息。     

基于侧扫声纳的船舶吨位测量技术研究及应用

在自动化测量技术迅速发展的今天,国内外对船舶吨位的测定却主要依据船舶图纸及证件,存在着诸多弊端。为解决上述问题,本文在对侧扫声纳成像原理分析后,认为侧扫声纳对水面目标同样可以成像,设计了利用侧扫声纳测量内河航道过闸船舶实载总吨位的测量方案。为了对测量方案进行验证,本文使用Starfish 450F型侧扫声纳于常州魏村船闸开展实地测量实验,所得理论计算结果与实际丈量结果误差较小,证明了本文提出的船舶吨位测量技术的可行性,对船舶吨位自动化测量的实现具有一定的价值。     

声纳——水中耳目

 雷达,对我们每个人来说并不陌生.在电影中,我们看到呼呼旋转的雷达天线,或高踞于军舰之顶,或矗立于群山之巅,十分壮观而引人注目.但是这个发现空中之物的眼睛,探测风云雷电、预报气象的有力工具,在水中却成了“近视眼”.而利用声波传递信息的声纳成了船舶舰艇的水中耳目.什么是声纳“声纳”(SONAR)一词是第二次世界大战期间由声音(SOund)、导航(NAvigation)和测距(Ranging)三个英文字母的字头构成的.当时的声纳系统确实只限于导航和测距的功能.但经过四十多年的发展,今天声纳的定义就大大扩充了.我们应当把声纳理解为“利用水下声波判断海洋中物体的存在、位置及类型的方法和设备”.     

浅海动态环境下蛙人探测声呐布放深度优化技术

蛙人探测声呐的探测性能及作用距离不仅与目标海区的声速剖面和自身性能参数有关,还与其布放深度有关,其布放深度的选择对于水下目标探测具有重要意义。以射线跟踪理论为基础,建立了基于探测概率感知的声呐性能评估模型;提出了一种声呐布放深度自适应优化算法,该算法以不同准则进行两次筛选优化后可得到声呐最佳布放深度。仿真结果表明：在不同水文情况下,所提优化算法可以有效选择最优布放深度,进而提高声呐对目标的探测性能。     

噪声中的线谱检测及自动提取研究

线谱是水中目标检测与识别的重要特征,其自动提取对于水中无人探测系统至关重要。采用统计信号分析方法得出了线谱检测的接收机工作特性曲线,理论分析了线谱自动提取时一定虚警概率下的峰高门限,并提出一种自动门限以适应不同背景方差的变化。实测数据分析表明,本文方法在不同噪声背景下自动提取线谱的效果较好。     

第七讲侧扫声纳

侧扫声纳是探测海底地形地貌的重要工具，计算机技术的广泛应用极大地促进了侧扫声纳的发展．文章介绍了侧扫声纳的发展过程、典型应用、工作原理、声图成像特征及发展趋势。     

主动声呐恒包络波形设计及其性能分析

为主动声呐设计恒包络的伪随机编码MSK调制波形。通过分析MSK信号表达式,得到波形的复包络信号。使用遗传算法优化伪随机序列,降低波形的自相关旁瓣,可减小声呐的虚警概率。通过优化复包络信号的自相关函数旁瓣值和互相关函数值,得到自相关性能和正交性能优良的恒包络波形,可以缓解多部声呐间的同频干扰。通过仿真分析波形的模糊度图,波形具有良好的频率分辨率和距离分辨率,可以取代峰均比过高的编码调相信号,满足主动声呐对运动目标的探测需求。     

Cetacean population density estimation from single fixed sensors using passive acoustics

Passive acoustic methods are increasingly being used to estimate animal population density. Most density estimation methods are based on estimates of the probability of detecting calls as functions of distance. Typically these are obtained using receivers capable of localizing calls or from studies of tagged animals. However, both approaches are expensive to implement. The approach described here uses a MonteCarlo model to estimate the probability of detecting calls from single sensors. The passive sonar equation is used to predict signal-to-noise ratios (SNRs) of received clicks, which are then combined with a detector characterization that predicts probability of detection as a function of SNR. Input distributions for source level, beam pattern, and whale depth are obtained from the literature. Acoustic propagation modeling is used to estimate transmission loss. Other inputs for density estimation are call rate, obtained from the literature, and false positive rate, obtained from manual analysis of a data sample. The method is applied to estimate density of Blainville's beaked whales over a 6-day period around a single hydrophone located in the Tongue of the Ocean, Bahamas. Results are consistent with those from previous analyses, which use additional tag data.     

A passive acoustic monitoring method applied to observation and group size estimation of finless porpoises

The present study aimed at determining the detection capabilities of an acoustic observation system to recognize porpoises under local riverine conditions and compare the results with sighting observations. Arrays of three to five acoustic data loggers were stationed across the main channel of the Tian-e-zhou Oxbow of China's Yangtze River at intervals of 100-150 m to record sonar signals of free-ranging finless porpoises (Neophocaena phocaenoides). Acoustic observations, concurrent with visual observations, were conducted at two occasions on 20-22 October 2003 and 17-19 October 2004. During a total of 42 h of observation, 316 finless porpoises were sighted and 7041 sonar signals were recorded by loggers. The acoustic data loggers recorded ultrasonic signals of porpoises clearly, and detected the presence of porpoises with a correct detection level of 77.6% and a false alarm level of 5.8% within an effective distance of 150 m. Results indicated that the stationed passive acoustic observation method was effective in detecting the presence of porpoises and showed potential in estimating the group size. A positive linear correlation between the number of recorded signals and the group size of sighted porpoises was indicated, although it is faced with some uncertainty and requires further investigation.     

主动声纳方程和传播损失及混响级的定义

A.Ainslie发表文章指出传统定义的被动声纳方程严格应用起来与实际情况存在一定的偏差,某些情况下会带来严重的错误。该偏差需通过接收水听器与声源处介质的特征阻抗比来校正。主动声纳方程中存在同样的问题,其与实际情况的偏差需要用接收水听器与声源处的介质特征阻抗比的平方来校正。本文给出主动声纳方程中传播损失和混响级的重新定义,并且给出相应的两种主动声纳方程,两种方程都消除了这种不期望的特征阻抗比偏差。     

水声被动目标识别技术挑战与展望

低频水声探测和船舶减振降噪技术发展，使得传统水声目标识别技术性能逐渐下降。该文分析了声呐工作带宽、探测频率、船舶减振降噪给识别技术带来的挑战。针对低频声呐广泛使用的低频线谱识别，研究了低频线谱的识别能力问题；针对智能识别技术发展，研究了深度学习技术在船舶辐射噪声识别中的应用问题，并给出了数据试验结果，文章最后指出了水声被动目标识别技术亟需开展的研究内容和方向。     

基于舷侧阵声纳的鱼雷远程自导性能研究

针对鱼雷的远程自导问题,研究了恶劣水文条件下浅海波导中鱼雷舷侧阵声纳对主动声纳信号的探测能力和测向精度,计算结果表明:在潜艇反舰作战中,通过利用水面舰艇发射的主动声纳信号,可实现潜射鱼雷对目标的远程被动探测,其被动测向精度一般可满足自导精度要求。