水下爆炸声源辅助声呐系统的目标定位和参数估计

系统阐述了利用水下爆炸声源作为发射声源,辅助声呐系统实现水下目标定位和目标方位、距离参数估计的方法。研究了目标散射信号的窄波束混响模型,以及混响背景下的目标方位参数的估计方法。对目标参数估计误差进行研究,证明方位参数、距离参数的估计误差近似满足高斯分布,并推导了距离参数估计误差方差的表达式。利用仿真实验对目标距离参数估计误差及其标准差进行研究,得出了一系列提高距离参数估计精度的措施。仿真和湖试数据处理结果显示,在存在一定爆炸声源距离误差的条件下,本文方法可实现对远距离水下目标的准确定位。      

温跃层及其变化对被动声纳检测概率的影响

根据被动声纳工作原理,构建被动声纳探测水下目标物概率数学模型。利用声学调查实测数据,综合考虑传播损失、环境噪声、和水文环境分布及季节变化,研究温跃层垂直分布及季节变化对声纳检测概率的影响。结果表明:温跃层对被动声纳影响巨大,逆温跃层环境中,声纳检测概率从海表向下逐渐减小;正温跃层对声纳总的影响与逆温跃层相反,在正温跃层上界,检测概率从表层向下先减小后增大;逆温跃层对被动声纳检测概率的影响随目标物与声纳距离的增大而增大,正温跃层影响相反。     

多普勒计程仪作用距离估计

多普勒计程仪已成功应用于多种载体的导航,而其最大作用距离对于设计和使用都具有重要的意义。根据声纳方程各项的定义并根据多普勒计程仪工作时的特点,推导出不同条件下声纳方程中各项的计算公式,从而对多普勒计程仪的最大作用距离进行估计,最后将某型多普勒计程仪的相关参数代入推导的公式中,并进行计算得到理论计算值。同时还计算了多普勒计程仪在不同条件下的作用距离。     

海豚声纳信号的脉冲分解及特征分析

提出一种海豚声纳目标探测脉冲串信号的脉冲分解方法,在此基础上对海豚声纳脉冲信号的特征进行了分析,其中包括脉冲宽度、脉冲间隔以及脉冲的时间分辨率和频率分辨率,并采用耳蜗滤波对海豚声纳脉冲串信号的时频特征进行了分析。分析结果表明,探测目标的过程中,根据目标距离的不同,海豚会自适应调节脉冲信号的发射频率和信号形式。     

声纳方程的瞬态形式讨论

本文提出用瞬态信号的能谱级代替稳态信号的声强级来定义声纳参数，并以短柱声散射为例，运用数值模拟方法，验证用能谱级定义声纳参数，声纳方程是比较有效的，这为应用声纳方程处理瞬态声信号从而获得目标强度提供了一种有效可行的方法。     

周视搜索系统对点目标的作用距离分析

提出了影响周视搜索系统对点目标的作用距离的具体参数,从目标特性、大气背景特性及系统本身光机电特性等角度推导了作用距离的数学公式,针对点目标,分别基于靶面照度、靶面对比度、探测概率、虚警率及系统带宽等参数推导了一定目标、大气及系统特性条件下周视搜索系统的作用距离的计箅公式.该公式分析表明目标辐射强度与作用距离争近似上升抛物线关系,大气消光系数与作用距离量下降段抛物线关系,系统焦距与作用距离呈正比关系,目标固有对比度与作用距离呈非线性关系.针对给定虚警率的特定搜索任务,系统信噪比与作用距离呈近似下降段抛物线关系,系统驻留时间则与作用距离呈近似正比关系.最后通过仿真实验证明,当目标辐射强度值达70 J/(s·sr),目标固有对比度达到4以上且大气消光系数在0.1以内时,500 mm焦距的周视可见光搜索系统对点目标的作用距离达100 km以上,周视红外搜索系统对点目标的作用距离达60 km以上.     

基于多个小孔径基阵的水下目标宽带波达方位估计方法

本文将多小孔径基阵应用于声纳浮标阵对可疑海区进行快速搜索的研究中,提出了一种基于多个小孔径子阵的宽带目标方位估计方法.该方法采用一种新颖的降秩估计器的信号模型,对多个小孔径子阵的输出信息进行综合处理,然后使用近似意义上的降秩估计器对目标源进行方位估计.所建立的阵列模型中不需要包含有关小孔径子阵之间的任何位置信息,因此,有效地减小了因阵形估计带来的烦杂工作和估计误差对方位估计性能的影响.仿真结果表明,此方法提高了定向精度,给出了稳定的目标方位估计.     

连续隐马尔科夫模型在多基地目标识别中的应用

多基地声纳组网探测系统是目前大范围水下安保领域的研究热点。综合利用多基地系统中各个声纳节点的信息进行水下目标识别是亟待解决的问题。利用传统的多传感器融合的方法进行多基地水下目标识别,往往忽略了各声纳节点之间的相关性,效果并不理想。针对这一问题,本文提出了利用连续隐马尔科夫模型(CHMM)进行多基地水下目标识别的方法。首先利用RELAX算法提取了目标在不同分置角上回波的强散射点特征,组成观测向量,利用Baum-Welch方法对CHMM参数进行训练,然后计算待识别目标的特征值观测序列在不同模型下的似然概率。对所有目标重复此过程,取概率最大值对应的目标类别为最后的识别结果。在消声水池开展多基地模拟实验,对四类目标进行了识别,利用CHMM方法得到的多基地水下目标融合识别率比多基地声纳下单声纳节点的最高识别率提高了30%。     

声音目标被动定位算法的野值分析

阐述了基于四元平面十字阵的声音目标被动定位的原理.利用目标与基阵平台分布在不同平面的特点,采用简单的平面阵实现目标的三维定位,简化了布阵的复杂性.针对基于四元平面十字阵的声音目标被动定位算法,分析了野值产生的原因,并研究了水平方位角、垂直俯仰角、时延估计误差度、目标距离、基阵尺寸等因素对野值产生的影响.     

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验

为评估基于单矢量水听器的方位估计能力,在黄海海域对矢量水听器进行实验。矢量水听器吊放于接收船尾部,采用平均声强器和复声强器方位估计方法,并提出以概率密度值最大的方位角作为目标方位估计值的具体处理准则,对恒定方向、匀速行驶的目标船方位进行估计,并求出两种方法的方位估计误差。结果表明,水听器布放深度10 m时,对正横距离为0.42 km的航速10 kn的目标船,平均声强器方法的水平方位角估计误差18°,极角估计误差为5°,可以在离目标船最远1.17 km处估计其方位;复声强法的水平方位角估计误差为13°,极角估计误差为8°,可以在离目标船最远2.35 km处估计其方位。在有接收船的噪声干扰情况下,复声强器比平均声强器方法估计的方位更准确,可以对更远处的噪声源进行方位估计。     

深海海底反射区声场的相干结构及其有源声呐估距

有源声呐在探测深海海底反射区的目标时,由于声线大掠射角弯曲且声速沿声线传播路径不断变化,造成了常规估距方法产生较大的误差。有效声速法是减小常规估距方法误差的有效途径,但由于需要预先计算空间每一位置点的"声线时延有效声速"对,复杂度高,实时性差。针对有效声速法的实时性问题,本文基于深海海底反射区声场的相干结构,提出一种改进的有效声速估距方法.首先指出深海声场能量沿声源出射角强弱相间变化及其引起的海底反射区离散声呐可探测区现象,并利用深海近水面声源的声线干涉效应解释了该现象的物理机理,建立了声呐可探测区与高能量声线的量化关系。在此基础上,计算声呐可探测区边界位置的"声线时延-有效声速"对,并线性拟合出可探测区所有位置点对应的值。经仿真验证,该方法与传统的有效声速法均可实现对常规估距方法估距误差的有效校正。虽然该方法估距精度较传统的有效声速法略有增大,但计算复杂度和计算时间显著减小,实时性好,具有良好的工程应用前景。      

圆合成孔径声呐多点定位运动补偿

圆合成孔径声呐(CSAS)的成像性能受平台运动误差影响而下降,利用单侧回波可估计CSAS基阵的斜距误差,但单侧回波在小测绘带时无法估计升沉误差,针对此问题,提出了一种利用单侧回波信号的声呐平台三维运动估计和补偿方法。首先,对CSAS在不同观测角度的目标回波取极大值获得目标回波的到达时间;其次,基于多个点目标的到达时间建立CSAS三维定位模型;然后利用列文伯格-马夸尔特方法对声呐三维坐标进行估计;最后将位置估计结果与时域反投影成像方法结合实现对目标的成像.仿真结果表明:该方法能精确估计声呐平台运动误差,其空间坐标的估计误差小于仿真信号波长的1/8,从而精确补偿了CSAS在不同空间采样点上的阵元回波时间差,显著提高了目标成像质量。湖上试验结果表明,该算法能够实现对CSAS的运动误差补偿。仿真和试验结果均验证了方法的可行性和有效性。      

矢量声纳高速运动目标稳健高分辨方位估计

针对水声矢量信号处理框架中的高速运动目标低信噪 比小快拍条件下的稳健高分辨方位估计问题, 将压缩感知技术应用于水声矢量信号空间谱估计模型中. 结合声矢量传感器结构特性, 探讨了基于声压振速联合处理的广义时域滤波方法; 结合矩阵空域预滤波理论, 设计了基于阻带约束通带均方误差最大值最小的空域滤波器, 研究了矢量声纳空域预滤波方法; 结合以上分析, 提出了基于压缩感知技术的时空联合滤波高分辨方位估计方法, 给出了方法的数学模型、物理解释及具体实施步骤.理论分析和计算机仿真试验表明, 新方法对于小快拍数 条件下的矢量声纳高速运动目标高分辨方位估计问题, 具有较低的双目标分辨门限和较高的估计精度, 有着良好的应用前景.湖上试验验证了方法的有效性. 关键词： 声矢量传感器 空间谱估计 时空滤波 压缩感知     

Multiple ping sonar accuracy improvement using robust motion estimation and ping fusion

Noise degrades the accuracy of sonar systems. We demonstrate a practical method for increasing the effective signal-to-noise ratio (SNR) by fusing time delay information from a burst of multiple sonar pings. This approach can be useful when there is no relative motion between the sonar and the target during the burst of sonar pinging. Otherwise, the relative motion degrades the fusion and therefore, has to be addressed before fusion can be used. In this paper, we present a robust motion estimation algorithm which uses information from multiple receivers to estimate the relative motion between pings in the burst. We then compensate for motion, and show that the fusion of information from the burst of motion compensated pings improves both the resilience to noise and sonar accuracy, consequently increasing the operating range of the sonar system.     

结合Sage-Husa滤波的合成孔径声呐多传感器组合运动补偿算法

在运动测量设备噪声统计特性不确定的情况下,提出结合Sage-Husa滤波的合成孔径声呐多传感器组合运动补偿方法。使用Sage-Husa卡尔曼滤波处理多种异类运动传感器的数据,自适应估计声呐速度的最优值,计算实际航迹与理想航迹之间的横荡误差和升沉误差,最后通过时延校正原始回波数据。仿真结果表明,Sage-Husa滤波对运动误差估计精度至少提高37%,运动补偿后,目标峰值旁瓣比和积分旁瓣比有所降低,峰值旁瓣比接近理论值.湖试数据处理结果表明,目标能量分散的情况有所改善,能量集中在主瓣,散焦得到抑制。Sage-Husa滤波在多传感器系统噪声先验知识缺失的条件下,能减小运动数据估计误差,提高运动补偿的准确性。      

利用定位估计的克拉美罗下界进行双基地声呐系统最优化配置

为了研究双基地声呐系统最优化配置问题,建立了双基地声呐系统优化配置模型。以优化配置模型为基础,通过计算定位精度的克拉美罗下界,得到了不同分置角状态下的双基地声呐定位精度,并且仿真分析了系统计时误差和测角误差对定位精度的影响。当以目标为圆心,收发声呐在相同的半径上布站时,定位精度的仿真实验结果表明,分置角为2π/3时系统定位精度最高,该研究对双/多基地声呐系统最优化配置具有一定的参考意义。      

预测特征误差映射及其在多基地水下目标识别中的应用

针对水下多基地目标识别问题,提出了基于特征预测和误差映射的多基地融合识别算法。推导并简化了基于贝叶斯公式的多基地目标识别条件概率公式,利用BP神经网络对最后一个节点的特征向量进行预测,并计算得到预测值与实际值误差的概率密度,将其与前面每个节点的条件概率累乘,以得到目标识别的条件概率。将利用特征预测计算条件概率的方法从单个节点推广到多个节点上,同时针对误差概率分布模型不准确的问题,提出了利用混合高斯分布模型代替单高斯概率分布模型的改进方法。对每个目标重复此过程,取结果最大值对应的目标类别为最后的识别结果.在消声水池开展多基地模拟实验,对四类目标进行识别,在一定声呐节点数目及信噪比条件下,与单基地声呐相比,多基地目标融合识别得到的识别正确率最大可提高40%,采用改进方法以后,识别正确率得到进一步提高。      

单水听器波导不变量被动测距

本文主要讨论利用声场干涉现象由单水听器被动测距的可行性及测距性能,为此提出了单水听器波导不变量被动测距方法,通过提取LOFAR图上干涉条纹、使用简正波模型计算波导不变量、频域相关法估计相对速度,最后依据干涉条纹方程得到声源距离估计量。数值仿真和海上实验结果验证了单水听器被动测距的可行性,并具备一定测距性能,在3 dB信噪比环境中,对于7 km处的运动声源,平均测距误差小于5%。本文方法具有设备简单、易于推广至阵列信号处理等特点,为声纳信号处理环境宽容性的提高及环境适配声纳的设计开拓了思路。     

水下爆炸声源辅助声呐系统的目标定位和参数估计研究（英文）

Underwater target localization and parameters(azimuth and range) estimation by the method of utilizing explosions as underwater sound sources are described in this paper.The narrow beam reverberation model of the target echo signal is researched to estimate the target azimuth in reverberation background.Estimation errors of target azimuth and range are studied and proved to approximately meet Gauss distribution.Then the variance formula of target range error is deduced.Simulation experiments are applied to research the target range error and its standard deviation,and a series of measures to improve the estimation accuracy of target range are proposed.It is confirmed by the data processing results of simulations and lake experiments that the proposed method can accurately locate underwater target at a long distance on the condition of a certain underwater explosion range error.