参数未知的舰船辐射噪声检测方法

舰船辐射噪声的检测方法已有广泛研究,其中线谱特征是检测的重要依据。基于线谱特征的舰船辐射噪声检测方法常需要线谱数目、频率等参数作为检测的先验信息,这些信息不准确或无法确知时,检测方法的性能会受到显著影响。针对实际应用中对于未知舰船无法获得其参数信息的情况,研究基于连续谱谱峰特征的更为一般性的信号存在性检测方法。将窄带信号瞬时频率分析的思想扩展到舰船辐射噪声这类宽带信号,从信号频率与能量分布的角度推导得到宽带信号"瞬时频率"的近似表示式。构建宽带信号的瞬时频率检测器,并对其性能进行理论分析,结果表明该检测器的性能主要受舰船辐射噪声瞬时频率方差以及接收信噪比影响。通过计算机仿真和实际数据对算法的性能进行了验证。      

基于超指向性多极子矢量阵的水下低频声源方位估计方法研究

针对水下低频声源的方位估计问题,基于基元紧密排列的二维矢量阵,建立了一种超指向性波束形成方法.根据矢量基元差分运算构建各阶多极子模型,获得了几乎与频率无关的模态函数,并经加权计算可在低频条件下实现超指向性波束,以解决阵列孔径对波束性能的限制.同时,结合输出信噪比最大准则所得波束,分析了超指向性波束形成算法的稳定性与波导的影响程度,探索模态阶数与阵列参数的选取原则.通过阵列性能的仿真计算与实际阵列的测量数据表明,该算法可在小尺寸阵列孔径下获得良好的阵列波束,兼具了水下线型超指向性阵和环形超指向性阵的优点,可有效实现水下低频声源的水平方位估计;且波束性能可通过调节模态阶数与基元间距以达到最佳,并受水下声波导多途与频散效应影响有限.     

声呐员听音移频操作客观规律研究*

声呐员在听音过程中,可以对收听到的声音进行移频操作,通过这一操作,声呐员可以将信号调制到自己认为合适的频段以便检测识别信号,而移频的具体频段没有定量的参考依据,这使声呐员移频操作较为盲目。本文从心理声学的角度对声呐员的移频操作进行研究,给出了移频前后信号的响度差值的变化规律和信号尖锐度的变化规律。研究结果表明,经过移频操作,响度移频前后在2000-5000 Hz左右存在最大值,而尖锐度随着移频频率和信号的频率的升高而升高,本文所得出的结论可为声呐员对舰船辐射噪声被动听音移频操作提供参考依据。     

微弱信号源的和波束定向方法与分裂波束定向方法的性能比较

本文讨论水下辐射噪声源的精确定向问题，给出被动声纳和波束定向与分裂波束定向方法的性能比较。指出在一定信噪比下，分裂波束精确测向技术比和波束定向技术具有较高的定向精度。但是，随着信噪比的下降，两者趋于一致。推导了估计定向精度的分析表达式，给出在直线阵和圆弧阵情况下，延时估计和声源入射角偏差之间的换算公式和数值模拟结果。同时给出数字式声纳用以计算入射信号左波束和右波束数据的互谱来实现分裂波束定向的方法。     

前视声呐圆弧接收阵列结构优化设计

针对前视声呐线阵波束形成各向同性较差及半圆阵有效孔径受限的问题,提出了一种优化的圆弧接收阵列结构设计方法。根据不同的成像开角,设计圆弧接收阵圆心角使全部阵元参与所有来波方向的波束形成。建立圆弧接收阵的远近场聚焦模型,并推导圆弧接收阵的指向性函数,根据边界波束栅瓣阈值条件计算具有最佳波束性能的圆弧接收阵半径。对圆弧阵、线阵及半圆阵在不同扇区开角下的波束性能及扫查开角120°、纵深100 m的仿真图像对比表明,在成像开角为90°到130°时,圆弧接收阵主瓣性能提升了8%,边界波束栅瓣级优化了4%,交叉向分辨深度相对线阵与半圆阵分别增加了20 m和45 m,同时参数存储量仅为线阵的2.7%。该阵列兼具有效孔径大、波束各向同性的优点,能有效提高前视声呐系统探测性能,并降低算法实现难度。      

Extraction of small boat harmonic signatures from passive sonar

This paper investigates the extraction of acoustic signatures from small boats using a passive sonar system. Noise radiated from a small boats consists of broadband noise and harmonically related tones that correspond to engine and propeller specifications. A signal processing method to automatically extract the harmonic structure of noise radiated from small boats is developed. The Harmonic Extraction and Analysis Tool (HEAT) estimates the instantaneous fundamental frequency of the harmonic tones, refines the fundamental frequency estimate using a Kalman filter, and automatically extracts the amplitudes of the harmonic tonals to generate a harmonic signature for the boat. Results are presented that show the HEAT algorithms ability to extract these signatures.     

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。     

水中目标窄带噪声识别的听觉外周模型

为解决听觉外周模型特征在具有工程背景的水中目标声信号分类研究中识别率下降问题,提出了一种外周模型Gammatone滤波器组修正方法,获得的窄带噪声特征可明显提高水中目标识别性能。首先,分析了识别率下降原因,发现声学工程应用中多通道数据采集,导致信号频率范围变窄,而引起声信号的时频特征发生变化。其次,根据听觉模型用Gammatone滤波器组模拟人耳基底膜频率分解特性、低频信息包含水中目标噪声信号的重要类别特征,对原有的听觉模型特征进行插值,对滤波器组的通道数与中心频率进行适应性修正,得到目标噪声在较窄频带的27维特征,修正后的模型能够更精细地反映出目标时频特性。最后,采用神经网络分类器进行实验。结果表明,修正后的听觉模型保留了原较宽频带特征的主要信息,而且进一步提高了对实际目标的分类能力,识别率由原来的82.59%提高到88.80%。本文提出根据工程应用平台的有效接收频带优化听觉外周模型Gammatone滤波器组的设计,采用阵元级的多通道数据进行分析,侧重于工程应用,解决了多通道数据采集中,由于频带变窄,导致信号的特征信息量下降,进而引起声特征识别性能下降的问题,修正后的听觉模型特征,有效地提高水中目标辐射噪声的识别效果。本文对从事无源声呐目标识别、有源声呐目标识别、带宽受限的多通道声数据采集的时频特性分析研究人员具有一定的参考价值。      

水下蛙人被动探测测向实验研究

为了对携带开式呼吸器的水下蛙人进行被动探测,本文采用四个水听器组成的十字阵在浅海水域对水下开式蛙人进行了被动探测、测向实验。结果表明:蛙人辐射噪声具有周期性特征,其周期与蛙人的呼吸频率有关;另外,蛙人呼吸辐射噪声具有显著频带,并且其频带与蛙人携带的呼吸器有关。根据蛙人辐射噪声的显著频带和周期性特征,设计信号处理算法实现了对蛙人的被动声学探测识别。使用互相关方法处理一对水听器的接收信号,可以确定蛙人的方位,但是根据理论分析会出现一个假方位。对比十字阵中两对水听器的测向结果可确定蛙人的准确方位。     

基于遗传算法的不等间距阵优化方法

阵元数一定情况下,针对不等间距拖线阵高频信号处理存在的空间增益和无栅瓣兼容问题,提出一种基于遗传算法的不等间距拖线阵阵型优化方法。该方法以频带交互下最大旁瓣级最小作为约束因子,通过模拟生物自然进化过程搜索全局最优解,得到优化后的阵元位置。优化后阵型在保证低频信号处理空间增益不变情况下,实现对高频信号高空间增益、无栅瓣处理。计算机仿真结果表明：相比未优化阵型,在高频信号处理方面,优化后阵型在无栅瓣情况下,空间增益提升值近似理论值提升值;在低频信号处理方面,优化后阵型具有相同的空间增益。为实际不等间距拖线阵阵型优化和应用提供了一种思路。     

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。     

Precise bearing and automatic target tracking in digital sonar

I.IntroductionItiswellknownthatthepreciseestimationofDOA(DirectionOfArrival)oftargetisanimportantthesisinpassivesonardesign.TheoptimumestimationaccuracyexpressionforlinearrayispresentedbyLewisalldothersll-3].Basedonthepointofviewoftime-delayestimation,Carteretal.showthattheaccuracyoftime-delayestimationofreceivedsignalbetweentwodifferentchannelscanreachtheoptimumCramer-RaolowboundI4-6].Forthedigitalsonarthebearingbeamdirectionisusuallyequal-spaceddistributedwithino-36o".Inordertofindthep…     

编码式光纤光栅传感阵列解调方案的论证

介绍了编码式光栅传感阵列的结构及其传感信号的特点。采用梳状结构对编码式光纤光栅传感阵列进行解调，利用被测光谱通过阵列波导光栅不同通道时输出的不同光强的比值确定被测光的波长。该文分别从理想状态和存在背景反射的状态论证了本文提出的方案的可行性，分析了噪声引起的误差。该系统不但适合于解调大容量的波长信息，而且在解调时不存在任何机械移动部分便可以快速、同时测量多个波长。     

深海声影区时频谱干涉结构与声源定位

被动声呐探测位于深海声影区的水面舰船辐射噪声时,接收信噪比通常较低,导致声源被动定位方法的性能较差。针对这一问题,提出一种利用接收信号时频谱干涉结构的声源距离和径向速度联合估计方法。首先根据射线声学理论,建立时频谱沿频率轴和时间轴的干涉条纹周期与声源距离和径向速度的关系,然后对接收信号时频谱进行二维傅里叶变换和多频带处理以估计上述干涉条纹周期,最后解算声源距离和径向速度。仿真和海试数据处理结果表明,相比于现有利用接收信号自相关的声源距离估计方法,该文利用时频谱二维傅里叶变换的声源定位方法具有较好的稳健性,比较适用于低信噪比条件下的声源被动定位。     

水下目标被动测距的一种新方法:利用波导不变量提取目标距离信息

水声学中波导不变量的研究是近30年来引人注目的课题之一。水下目标辐射噪声的直达波和海面、海底反射波之间的干涉现象中隐含有下水目标的距离信息。提取这种距离信息就为水下目标的被动测距提供了一种新的途径。理论分析和实际海试都证明,甚至单水听器的LOFAR(Low Frequency Analysis Record)图都隐含着目标的距离和运动信息。本文给出利用波导不变量提取目标距离信息的理论推导,证明了在形成干涉条纹的外界条件具备时,利用多个水听器构成的基阵也能以较大增益提供目标距离信息。虽然组成基阵的每一水听器出现干涉条纹的条件是有差异的。这种差异在波束成形时可以加以利用和补偿。本文提出的理论和部分仿真、海试结果为水下目标被动测距和目标识别提供了一种新的途径。      

A new method of passive ranging for underwater target:distance information extraction based on wave guide invariant

The study of wave guide invariant in underwater acoustics is one of attracted topics in recent 30 years.The interferences of direct wave and reflect wave from sea surface and sea bottom of underwater target radiated noise inherent the information of target distance.Extraction of these distance information will provide a possible new way in passive ranging for underwater target.The theoretical analysis and the results of at sea experiments show that the LOFAR(Low Frequency Analysis Record) figure inherently contains the range and moving information of passive acoustic sources,even in the situation that the receiver is only one single hydrophone.The theoretical analysis of extraction of target distance information by using wave guide invariant is presented in this paper.It is shown that,based on the interference striation pattern of target,the hydrophone array system is possible to extract the distance information with quite high array gain.Although the mathematical constrain conditions in forming interference striation pattern are different for individual array element,but it is proved that the differences of time delays between array elements can be used in compensation of beamforming.The theoretical analysis,system simulation and some results of at sea experiment show a new way in passive ranging and target recognition.     

水声波导中包络线谱强度数值预报

为了预报声呐远距离检测包络线谱的性能,本文分析在辐射噪声传播过程中包络线谱强度衰减的原因及提出在水声波导中包络线谱强度的数值预报方法。依据周期性局部平稳过程对舰船辐射噪声建模,推导出无噪声干扰及有噪声干扰下的包络线谱强度的数学表达式,获得了包络线谱强度传播衰减的规律,在水声波导中包络线谱声级传播规律与平稳谱一致,但包络线谱高出连续谱的强度的衰减取决于随信噪比变化的调幅深度修正因子。包络线谱强度数值预报方法如下:先利用传播衰减的数值方法例如用简正波方法波数积分方法PE方法等求出平稳辐射噪声的传播衰减,再求信噪比,最后依据调幅深度修正因子获得包络线谱强度降低的分贝数,预报出在水声波导中任意一点包络线谱信号高度。该理论和数值预报方法具有创新性,实用,简单,适合工程应用。      

基于主副瓣比加权的未知线谱目标检测方法研究

针对目标辐射线谱信号未知时的目标检测问题,依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征,该文提出了一种基于波束形成主副瓣比加权的宽带波束形成目标检测方法。该方法首先用二阶锥优化各频带波束形成,得到低旁瓣高增益波束形成;其次利用各频率单元波束形成主副瓣差异形成加权因子;然后利用加权因子对各频率单元波束形成进行加权统计,可以抑制背景噪声能量干扰,增强目标检测信噪比增益,克服传统线谱检测四维显示难点。理论分析和实验结果表明：该方法可以较好地增强目标线谱单元能量、抑制噪声、提高信噪比,改善能量累积检测法在远程目标检测方面的性能。     

Optimum beam steering of optical phased arrays using mixed weighting technique

In this paper, we present a novel technique for high precision optical beam steering of optical phased arrays (OPA) using mixed weighting method. Optimal OPA parameters are determined to obtain the best beam directivity by minimizing the main lobe width and eliminating grating lobes of the far field diffraction pattern. The quantitative analysis for a fibre-type optical phased array is given. The calculation results demonstrate that the grating lobe level can be distinctly reduced from 80% to 20% of the main lobe level. Thus, the mixed weighting technique proposed in this paper can substantially improve the beam steering efficiency and the beam quality.