水声共形阵辐射指向性计算方法及其实验验证

用边界元方法,给出了水声发射换能器共形阵各阵元的单元指向性以及基阵的自然波束指向性和束控波束指向性。首先建立了换能器共形阵的边界元模型,并根据换能器结构和声传播介质建立了模型的边界条件,计算了其辐射指向性。然后在消声水池中对共形阵各阵元以及基阵的辐射指向性进行了实验测量。将理论计算结果与实验测量结果进行了对比,二者吻合得比较好。研究结果表明:基于边界元方法建立的模型及计算方法,对基阵的辐射指向性进行理论计算和预报是可行的。     

阵元间互辐射对基阵指向性的影响研究及试验

针对常规基阵指向性图计算并未考虑阵元间互辐射阻抗影响这一不足,修正了常规基阵指向性图计算公式。将阵元间的互辐射阻抗引入到水声基阵的辐射声场计算中,并依据叠加原理得到包含阵元间互辐射阻抗的基阵指向性图计算修正公式。15元均匀线列阵和5×5均匀平面阵的计算机仿真和消声水池试验结果表明,该修正公式相比于常规公式更能反映基阵指向性图的真实情况。      

球冠型换能器声辐射指向性分析

为了研究球冠型换能器的声辐射特性,在分离变量法求解球面坐标系下波动方程的基础上,采用基于球谐基傅里叶变换及边界条件的求解模型,给出了球冠型换能器声辐射的远场声压计算表达式和远场指向性表达式;仿真计算了球冠换能器的远场指向性随球冠极角、球半径及振动频率变化的特性,球冠所在球障板的直径和介质中声波的波长比决定着球冠声辐射指向性,在低频或波长大于球障板直径时,球冠声辐射呈无指向性,随着频率的增高即波长的减小或者球障板直径的增大,球冠声辐射的指向性越明显,波束开角越趋向于球冠的开角,而且波束开角内出现波浪状起伏越明显;试制了高频球冠型换能器基阵,测试了换能器基阵300 kHz的指向性,测试结果与理论计算相符合,验证了理论计算表达式的正确性,可为设计球冠型换能器及基阵提供理论指导。      

预测系数作约束条件的自适应基阵处理

线性约束的自适应阵处理算法的优点是突出的,但它需要预先知道感兴趣方向上基阵信号的频率特性并由此预先给出自适应迭代运算的约束条件。对于频率特性未知的情况,本文提出了自适应基阵处理的新方法。在实际情况下容易得到的是观测方向上的功率谱估计,而不是频率特性。这时可将最大熵谱分析与自适应阵处理结合起来,由测量到的功率谱可计算出自相关函数,由求解相关矩阵的正则方程可得到最大熵方法的预测系数,而预测系数可用作自适应阵处理的约束条件。本文还提出了在观测方向上,信号完全未知的更广泛的情况下,自适应基阵处理的新方法。首先用频率域全通的约束条件完成自适应基阵的空间滤波,并估计自适应阵输出的功率谱。然后用上面提到的方法,用预测系数作约束条件的自适应基阵处理器,完成空间——频率域的最佳过滤。最后进行了一系列计算机模拟实验,并给出了计算机模拟实验的结果。     

基于自适应频率不变响应基阵的宽带信号方位估计

提出一种设计频率不变响应基阵的自适应模拟方法，并将其用于构造波束形成矩阵来实现宽带信号的聚焦。该方法不仅保持了波束域方位估计算法的运算量小、分辨率高等优点，还具有相关信号子空间能解相关源的能力，且对阵形及各阵元的指向性也没有任何限制。仿真结果说明了本文方法的有效性。     

浅海非均匀水平阵宽带声场信号无源孔径扩展

大孔径水平阵对于浅海低频水声物理实验研究和应用至关重要,然而受实际情况制约,通常使用的水平基阵孔径十分有限,通过孔径扩展处理来扩展基阵孔径是一条重要途径。传统的无源孔径扩展方法是建立在均匀线阵、匀速相对运动和相干窄带连续信号的基础上的,难以适用于非均匀阵以及非连续宽带声源的情况。针对这些问题,提出了非均匀阵宽带声场信号的无源孔径扩展方法。使用静止布设在海底的非均匀水平短阵接收运动声源重复发射的宽带声信号,先开展均匀空间插值,然后在阵元域和波束域进行宽带扩展孔径处理。仿真和实验结果表明,在水深约70 m的浅海波导环境中,纵向间隔27.5 m的2个阵元接收20~200 Hz宽带声场,其空间插值结果与真值的相关系数大于0.99,说明宽带声场插值方法的合理性。在水平非均匀、纵向孔径250 m的短阵接收声场无法分析简正波频散特征的情况下,仿真和实验数据经过宽带无源孔径扩展处理得到孔径大于1 km的均匀线阵的声场,能高分辨区分各阶简正波,证明所提方法是有效的。      

小尺寸矢量阵的多极子指向性低频测试与校正技术

提出一种在有限空间中小尺寸矢量阵的低频工作段测试与校正技术.在低频测试技术的建立中,引入瞬态段信号以消除有限空间内的多途作用。同时,考虑矢量阵特性下的偏心旋转效应,建立有限空间中的小尺寸矢量阵的阵列流形及其校正方法,在理论上保证基阵误差与被测环境的独立性。然后根据仿真计算与水池实测结果分析瞬态段信号作为校正测量信号的有效性,验证校正模型的合理性与优势。最后通过小尺寸基阵多极子指向性的实现情况给出本文有限空间测量技术的可靠性。结果表明,本文所提技术可有效避免有界空间中的多途影响,实现小尺寸矢量阵的低频测量,为水下小尺寸矢量阵的后续应用提供可靠依据。      

面加权基阵孔径优化的计算机模拟

本文对加权医用相控阵超声换能器,在给定一理想的波束情况下,根据孔径分市函数与声压指向函数的富里叶变换关系,用计算机进行加权孔径的优化模拟,从而提供一个指向性较优的扫描基阵。     

海面噪声的空间相关与垂直方向性理论

本文讨论由海面噪声源与分层介质海洋所组成的海洋环境噪声模型。假设噪声源是统计独立分布在海面上的指向性点源,研究噪声源特性以及传播条件对海洋环境噪声场的影响。发展了海面噪声的简正波理论,并在一定条件下将简正波理论得到的适合于小掠角范围的噪声场方向密度函数解析延拓至大掠角范围,使之与射线理论表式衔接起来,获得了计算海洋环境噪声强度、空间相关与方向密度函数的简明表式。     

分层砂底对浅海信道声传播影响的研究

推导有指向性脉冲声源在海底是分层结构的浅海中声场的积分表达式;分别仿真了爆炸声源和指向性脉冲源在浅海信道中传播的信号波形,其中假设了海底的沉积层和基底分别由水浸泡的砂和固态介质构成,砂底的参数数值用孔隙介质理论和实测相结合的方法进行选择;此外,在用砂和玻璃珠分别模拟砂层海底的水池内,观测了指向性脉冲源在不同接收点的信号的波形;结果表明:仿真波形的包络得到实验的印证。从而证明本文建立的指向性脉冲源在具有砂层海底的浅海中声场模型是可行的,可用于预报海洋环境参数对接收波形的影响,为水下通信、声呐信号设计与处理提供参考信息。     

接收基阵垂直指向性引起的附加声传播损失

具有垂直方向指向性的接收基阵对入射声波有方向加权效应，本文在该类基阵声纳方程的基础上，导出了附加声传播损失的具体表式，讨论了深度一声速梯度对附加传播损失的影响，最后给出包声速梯度条件下的算例，计算结果与海上试验吻合较好。     

相控阵多普勒计程仪声基阵输出信号模型

相控阵多普勒计程仪具有基阵体积小，无需进行声速补偿等优点。本文在讨论相控阵多普勒计程仪原理的基础上，推导了速度解算公式，验证出公式与声速无关，进而推导出声基阵的输出信号模型，利用此模型便可模拟相控阵的输出信号。     

改进MVDR波束形成性能的计算机模拟

本文补充前一篇文章＂一种改善ＭＶＤＲ波束形成性能的方法＂计算机模拟结果。模拟实验表明：只要适当地设计波束形成器加权向量中的增强因子，就能够提高目标的方位估计精度和分辨力，并且不损失信噪比增益。从统一考虑信号检测和方位估计的观点看来，这种波束形成方法最适用于信号的基阵处理。     

单向性二元阵

本文介绍了一种单向性二元阵，探讨了其在基阵小型化中应用的可能性，分析了影响这种阵单指向性的主要因素。经过理论分析和实测数据验证，此阵结构简单，性能稳定，能形成良好的心脏形指向性图，适合于低频条件下使用。     

基于平面声全息的全空间场变换:Ⅱ.水下大面积平面发射声基阵的近场声全息实验

研制了一套多通道水声声全息测量系统,解决了多通道系统的校准及弱散射水听器接收线阵的设计等问题。在非消声水池内,利用该系统对水下大面积平面发射声基阵进行了近场声全息实验,给出了声基阵表面的声强分布、声基阵各阵元及全阵的辐射声功率、基阵远场空间指向性图和指向性参数等。实验结果证明脉冲法和分区扫描数据合成的测量方法是可行的,实验系统的设计与实施方法可用于更大规模的声全息系统。     

运动平台混响的时空耦合统计模型

混响时空耦合特性是空时处理混响抑制方法中的关键问题之一。传统方法不是建立在统计模型基础上的,对实际海洋混响扩展、海洋混响环境影响及基阵非理想性导致的混响时空耦合分析缺乏有效性。论文在混响概率模型基础上,推导了运动平台的混响时空耦合关系,进一步给出了复杂水声混响环境及具体阵列指向特性下的混响时空耦合规律的统计模型。利用该模型,推导了理想窄波束基阵混响的时空耦合关系。理论解析结果和计算机仿真清晰地展示了理想阵列流形的混响时空分布规律,验证了本文理论推导结果的正确性。最后采用数值计算方法分析非理想基阵的混响空时耦合关系及空时分布规律,结果表明利用本文的混响空时耦合模型,能获得实际基阵的混响空时分布规律,可为空时处理混响抑制算法与系统设计提供一定的理论支撑。      

大角度波束扫描的宽带平面阵研究

本文中介绍了一个可以实现大角度波束扫描的宽带平面声基阵,设计了纵向振动与换能器前盖板弯曲振动相复合的宽带换能器作为基元,保证了基阵具有较好的宽带性能。针对基元的自然指向性难以满足平面阵进行大角度波束扫描的要求,本文中采用通道型橡胶反声障板技术来拓宽阵上换能器的单元指向性,从而实现平面声基阵的大角度、宽带波束扫描。在有限元和边界元进行优化设计的基础上,制作了实验样阵。测试数据表明:在工作频段内换能器响应起伏不超过3 dB,12 kHz时阵上基元指向性达到了140°,基阵-3 dB波束覆盖范围可以达到144.4°,最大旁瓣不超过30%。     

稀疏圆柱基阵波束垂直扫描

本文分析了三维圆柱形基阵波束垂直栅瓣形成机理,导出波束垂直扫描极限波长和基阵其他参数的关系,指出指向性函数通常是复数,并用子阵相移法来调节复合子阵的相位特性,在圆环阵指向性图适当位置插入零点,以消除垂直栅瓣、扩大基阵波束扫描范围。对不同基阵,找出相移参数β的最佳值,一般取kβ≈0.5为宜。以两个弧面阵为例作了数值计算,证明对全圆阵导出的极限波长也适用于弧面阵;和相同条件下未相移基阵相比,可将波束垂直扫描范围扩大到间距d为五个波长左右,或将基元数减少2—4倍;当未相移基阵指向性图出现栅瓣时,并可将指向性指数提高1.7到5.5dB。     

矢量水听器拖曳阵的信号模拟器设计

本文中所设计的基于矢量水听器的拖线阵声纳模拟器,仿真了拖线阵的拖船干扰时域信号和空间传播特性,以及矢量水听器偶极子指向性。对于拖船干扰的仿真用Ecs模型来设定宽带功率谱,以AR模型来拟合指定功率谱,利用海底、海面对声场的一次反射作用仿真了拖船干扰的空间多途信道。利用插值滤波器的方法按照设定的时间精度仿真了宽带信号的阵元间精确延时。处理该模拟器所产生阵元时空采样仿真信号而得到的波束形成结果验证了该模拟器的有效性。     

四基元宽频带恒定束宽声基阵

本文详细介绍由四个具有余弦规律变化指向性图的基元所组成的声基阵结构,其各个基元的声轴俟个相互错开90°,从而实现波束全方位覆盖,并利用振幅法测向原理达到对入射声信号的方位检测。基阵后挡是特殊成分的反声泡沫橡胶。实践证明,合适的后档尺寸可以在频率为8:1倍率范围内获得束宽恒定。本文还对于基阵结构作了数学模拟,理论计算与实测数据吻合比较好。