冰下非高斯噪声下的范数约束波束形成方法

为解决冰下环境中噪声模型失配导致方位估计误差较大的问题,提出了一种基于范数约束的波束形成方法。该方法通过对接收信号进行范数约束来优化数据协方差矩阵,克服非高斯噪声带来的模型失配问题,提升方位估计的准确率。信号范数约束的性能分析表明,范数约束可有效抑制非高斯噪声。仿真及试验结果表明,在冰下环境中对接收信号进行范数约束后再实施波束形成可有效提高方位估计结果的准确度和稳定性。     

浅海低频长线阵声源方位估计*

浅海大孔径水平阵信号估计近端射的低频声源方位时, 常规波束形成会产生明显的波束偏移和分裂现象, 从而造成单声源方位估计偏差。针对这一问题, 提出一种基于块稀疏压缩感知的声源方位估计方法。根据简正模理论, 将水平阵接收声场表示为方位角空间的块稀疏信号模型, 并通过块正交匹配追踪算法进行方位估计。仿真和2011年北黄海实验数据结果表明所提块正交匹配追踪方法可实现浅海波导环境下低频近端射的单个声源方位的准确估计。     

基于声源方位信息和非线性时频掩蔽的语音盲提取算法

针对欠定卷积混合的语音信号模型,提出一种基于声源方位信息和非线性时频掩蔽的语音盲提取算法。首先对低频段混合语音信号进行时频分析估计瞬时相对时延(ITD)并采用势函数聚类分析方法估计出声源个数及其ITD,接着锁定目标提取准确的目标语音方位信息,最后利用独立语音在时频域上的近似W一分离正交性,采用非线性时频掩蔽的方法提取目标语音。仿真实验表明,该方法能锁定任意感兴趣目标方位,能有效提取目标语音,文中实验条件下信噪比增益平均达9.5 dB。      

一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.     

不同频段下利用虚拟接收方法的声源测距性能分析

考虑到传统的匹配场处理定位需要复杂的匹配声场计算,并对环境参数和声场模型有很高的依赖,为了克服这种缺点,采用虚拟接收方法对声源进行测距。首先对垂直阵接收到的引导声源和目标声源的信号进行相关处理,得到虚拟接收声场并估计虚拟接收声场干涉条纹的斜率,结合波导不变特征量β对目标声源进行测距。通过数值仿真和2004年南海实验数据处理,讨论了浅海斜坡海域环境中不同频段下利用虚拟接收方法对宽带声源测距的性能。随着频率升高,需要展宽频带以获得完整的干涉条纹和良好的测距结果。在实验数据处理中,选取频段较高的信号时,由于阵列间距偏大不能保证采样的简正波模式的正交归一特性,不能获得正确的测距结果。      

平面阵的方位估计算法及其误差分析

提出了一种基于信号相位匹配原理的平面阵方位估计的奇异值分解(SVDSPM)算法.推导了方位搜索需要的时延计算的一般公式,仿真分析了几种典型平面阵的方位估计性能,仿真结果表明: SVDSPM方位估计算法的性能优于MUSIC算法;理论分析了目标距离、传声器位置误差和接收通道幅度和相位不一致性等对定向性能的影响;以十字平面阵为例,仿真分析了上述几种因素对方位估计精度的影响,仿真结果表明:当传感器安装误差小于10 mm,接收通道幅度不一致性小于1.5 dB,接收通道相位不一致性小于10°和目标初始俯仰角大于45°时,方位估计的标准差小于0.5°.     

深海声影区稀疏时延估计与声源测距

研究了深海声影区中经一次海底反射的多途声线到达垂直双水听器的时延差与声源位置的关系,提出了一种稀疏时延估计与声源测距方法。首先利用近海面布放的短间距垂直双水听器接收一定频带的声信号,然后计算接收信号的广义互相关函数,并利用频谱搬移和稀疏解卷积技术提取时延差,最后通过时延差匹配,估计水下声源的距离。仿真实验表明,在4300 m深海中,所提方法能够正确提取多途到达时延差,估计声影区内的声源距离。海试结果表明,当垂直接收孔径分别为21 m和30 m时,声源测距误差分别小于13.6%和8.1%。上述结果表明,所提出的时延估计方法可适应带宽较窄的接收信号,多途到达时延估计参数可用于实现声影区中的水下声源测距。      

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。     

声学滑翔机联合的深海水下声源定位

为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性,提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据,分析了宽带脉冲信号的多途传播特性,然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明:在印度洋深海非完全声道条件下,在100 km范围内,使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确,但仍有估计误差较大点;联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度,对于200 m深度的声源,距离估计均方根误差为2.5 km,相对误差小于4%,方位估计均方根误差为2.4°。     

室内两步法监督式学习双耳声源距离估计

提出一种室内环境下两步法监督式学习双耳声源距离估计算法,该算法通过预先估计声源方位角信息以克服声源方位角的变化对声源距离估计性能的不利影响.该算法第1步利用深度神经网络模型估计声源的方位角,并将不同方位角的双耳信号分类;第2步中对每个方位角的双耳信号采用独立的深度神经网络模型进行声源距离估计,其中距离特征选用双耳信号的一些双耳特征和统计特性。在仿真和实际环境下,本文提出的两步法声源距离估计算法的距离估计准确率比现有算法提高了3%~5%左右,并且在各种不匹配环境下的距离估计准确率比现有算法高出5%~10%左右。实验结果表明利用声源方位角信息可以有效提高双耳声源距离估计算法的性能。      

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.     

典型北极冰下声信道多途结构分析及实验研究

针对北极海域典型声场环境,提出了基于OASES-Bellhop耦合模型的冰下声信道多途结构快速分析方法。模型将海冰等效为具有粗糙界面的弹性分层介质,利用微扰法与Kirchhoff近似,估计海冰界面不均匀造成的散射损失,结合射线传播理论对典型北极冰下声信道多途结构进行分析与预报。数值仿真与实验结果表明,在6 km距离处,典型北极冰下声信道由于海冰与海底反射分别形成多途结构,海冰多次反射路径叠加形成的多途结构较为稳定,时延扩展在14 ms范围内,海底反射路径强度相对较弱。OASES-Bellhop模型对冰下声信道多途结构幅度和时延预测误差较小,能够较好的解释及预报实验观测到的多途结构环境特性。      

Multipath structure of the typical under-ice sound channel in the Arctic:theory and experiment

Considering the typical acoustic environment of the Arctic, this paper proposes a method based on OASES-Bellhop coupled model to rapidly analyze the multipath structure of the under-ice sound channel. Firstly the proposed model refers to ice plate as stratified elastic media with some roughness. Secondly,it uses the perturbation method and Kirchhoff approximation theory to solve the scattering loss due to the sea ice inhomogeneity. Finally, the model predicts the multipath structure of the under-ice channel through Ray theory. The results of the numerical simulation and experiment indicate that the typical Arctic sound channel presents multipath structures due to the sea ice and seabed in the range of 6 km, respectively.The sea ice reflection paths are stable,with a short multipath spread within 14 ms. The seabed reflection paths have relatively weak strength. The proposed OASES-Bellhop coupled model successfully predicts the amplitude and delay of the multipath structure with small error,which indicates the proposed model is able to analyze and predict the multipath structure of the observed acoustic environment in experiment.     

Modeling and characterizing the typical under-ice acoustic channel for the Arctic

The properties of arctic underwater acoustic channel were researched using BurkeTwersky(BT) model and ray theory.In the BT model,sea ice ridge is assumed as a set of semi-elliptical cylinder randomly distributed on a stress-free surface.By approximation of low frequency and high frequency of the BT model,the reflection coefficients were calculated at different frequencies.On the basis of ray theory,the acoustic field was calculated and the properties of underwater acoustic channel was analyzed.Compared to underwater acoustic channel properties when the boundary is air,the results show that under the ice surface some sound rays disappear during transmission,because the ice surface reflection coefficients is less than absolute soft surface.Especially,the higher the frequency,the higher the under-ice transmission loss.As a result,under-ice condition is unfavourable for acoustic signals to travel far.Besides,as to the channel structure,the reflection coefficient of ice layer is smaller,the channel multi-path structure is not significant compared to water-air interface without ice.The research results are valuable for our understanding of hydroacoustic channel and the prediction of the sonar system working in the polar region.     

北极水下声信号跨冰层变化分析

北极海冰阻碍了海水和空气两个空间的信息传输。为获得冰层对水下声信号跨冰层传输的影响,采用三维检波器在北冰洋中心区开展了水下声信号的跨冰层实验。利用水冰界面反射模型和自由冰层Lamb波模型,对水下声信号小角度(小于10°)入射冰层时测量数据进行分析,结果表明:(1)20 Hz~1 kHz声信号入射到光滑冰层时,某些频率声波的反射率会明显降低,其中93%的反射率低点超过-10 dB,有的甚至会达到-20 dB以上。(2)冰层反射率低点对应的频段声波,能被冰层上方检波器接收到,并显示出较强的合振速谱,且与该站位自由冰层模型中同时产生的A2和S2模态Lamb波在频段上相符。这些结果可为跨冰层水声信号拾取和水声传播研究提供参考。      

改进的时序多重稀疏贝叶斯学习冰下水声信道估计方法

针对时序多重稀疏贝叶斯学习信道估计方法计算复杂度高且在低信噪比时估计精度低的问题,本文提出了一种改进的时序多重稀疏贝叶斯学习正交频分复用冰下水声信道估计方法。首先,采用奇异值分解方法对接收导频矩阵进行去噪;随后利用去噪后的接收导频矩阵结合最小二乘信道估计方法获得时序多重稀疏贝叶斯信道估计的超参数矩阵、感知矩阵等先验知识;最后,利用冰下水声信道的稀疏特性和多途结构较为稳定的特点,采用时序多重稀疏贝叶斯信道估计对不同符号的冰下水声信道进行联合重建。仿真结果显示,在能量系数为0.03时,改进方法信道估计均方误差相比较于原始方法至少降低了约2.87×10-5,运算时间至少下降了约为90%。第11次北极科学考察冰下试验结果显示,改进方法的平均原始误码率略微低于原始方法,平均运算时间降低约75%。研究结果表明,利用冰下水声信道的特点,改进方法可以实现高精度冰下水声信道估计,并且有效降低系统计算复杂度。      

修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算高斯起伏冰面三维声散射

针对随机起伏冰面的声散射计算问题,利用修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算了高斯起伏冰面的三维声散射。在计算模型中引入了冰面局部统计平均反射系数的概念,将二维高斯起伏冰面的散射分为相干散射和非相干散射,分别得到两类散射成分的散射系数公式,计算了高斯起伏冰面三维声散射的散射强度。分析了散射强度与随机起伏冰面的均方根高度、声波入射角度及频率的关系。通过实验室水池中高斯起伏冰面的散射强度测量实验,对理论模型的计算结果进行了验证。将实验结果分别与采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果和文献中采用平整冰面镜反射系数的模型计算结果进行了对比,采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果与实验测量值吻合较好。      

随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型

针对随机起伏冰面的声散射问题,建立了随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型。利用Delaunay三角剖分方法对随机起伏冰面进行三角面元剖分,然后采用Z-buffer算法进行面元的遮挡消隐,得到处于声波照射亮区的面元,最后采用Gordon面元积分的板块元方法计算得到随机起伏冰面的散射强度。数值计算模型中,将冰面认为是局部阻抗表面,直接代入起伏冰面局部反射系数进行散射声场的计算,避免了解析计算模型中对反射系数的近似处理。对比分析了数值和解析计算模型在小粗糙起伏冰面、大粗糙起伏冰面及不同声波入射角和不同声波频率时的散射强度。相比解析模型计算结果,数值模型计算结果与实测结果更吻合。      

北极典型冰下声信道建模及特性

将Burke-Twersky (BT)散射模型与射线理论相结合研究北极典型冰下的水声信道特性。BT模型将极地冰水界面的冰脊视为随机分布在自由表面的半椭圆柱。首先根据BT模型分别对高频和低频情况下的冰面反射系数取近似,计算不同频率的冰面反射系数。然后结合射线理论计算冰下声场并分析冰下信道特性,并与相同条件下绝对软界面的水声信道进行对比研究。结果显示,由于冰界面的存在,冰水界面与绝对软界面相比,冰面反射系数较小,使得部分声线不会传播很远,且随频率的增加衰减越发严重,因此不利于声信号远距离传播;此外在信道结构上,由于冰层反射系数较小,冰下信道多径相较于无冰的水-空气界面其多途现象不明显。研究结果对认知极地冰下水声信道特性以及开展极地水声系统性能预报具有一定意义。      

松花江冰下声学试验技术研究

北极区域极具战略意义与商业价值,随着各国的广泛关注,针对北极地区开展的科考科研活动逐渐增多。其中北极海域的相关研究尤为重要,特别是北极水声学,是保障北极军事存在以及正常科考科研活动的重要支撑。课题组于2015年1月在哈尔滨松花江进行了冰下声学试验,主要内容包括冰下信道测试、冰层散射系数测量以及冰下水声通信试验,实现了冰下半波导现象的初步观测、冰层前向散射系数的测量、基于能量检测器的低信噪比扩频通信、基于时反镜判决反馈均衡技术的高速水声通信以及冰下12用户多址水声通信等内容。本文对本次冰下声学试验情况进行介绍,并给出了相应的试验结果及经验总结。