失配情况下匹配模处理的仿真研究*

匹配场处理是一种水声学和物理学相结合的信号处理技术,其在水下目标定位方面的高精度特点使得该方法受到广泛关注。匹配模处理是工作在模态空间的匹配处理方法。相对于匹配场处理方法,匹配模处理方法只处理声场中有关声源位置信息的数据(然而匹配场处理方法使用了全部声场数据),这样就可以减小环境失配对定位的影响。本文研究了在环境发生失配时,通过选取受失配影响较小的模态组合,得出的定位结果更加精确。     

基于环境扰动的线性匹配场处理方法

匹配场处理面临的挑战主要是拷贝场失配。常规线性匹配场处理方法虽然对失配较宽容,但旁瓣较高,定位正确率依赖于失配的程度,且很容易受到强干扰的影响而失效。自适应匹配场处理可以获得较高的定位精度和旁瓣抑制性能,但环境参数失配、距离／深度空间欠采样、基阵及环境的波动所造成的误差等因素,均会导致其性能严重下降。环境扰动约束可提高自适应匹配场处理器的稳健性,基于这种思想,提出了基于环境扰动的线性匹配场处理方法,它不仅在环境失配的条件下比常规线性方法的定位正确率更高,而且在阵列采样数据存在幅度与相位随机误差的条件下,比自适应匹配场方法的稳健性更强．针对环境失配条件下的强干扰问题,还提出了一种线性匹配场干扰抑制算法,可有效地抑制水面干扰。典型浅海环境下的数值仿真和实测数据分析验证了方法的有效性．     

不确定海洋环境中的模态子空间重构稳健定位方法

实际的海洋是一个不确定的声传播环境,常规的匹配场方法在进行目标定位时会遇到环境失配的问题,导致定位性能下降.在不确定的海洋环境中,声场传播中的一部分简正波模态受到声场不确定性的影响较小.基于此,本文提出了一种模态子空间重构的稳健定位方法.该方法使用稳定的模态来重构拷贝场向量,相比于常规匹配场定位方法中使用全阶模态来构造拷贝场向量,其定位结果更加稳健.利用计算机仿真数据和海试数据进行了定位性能分析,并给出了常规匹配场定位方法和稳健最大似然定位方法作为对比.研究结果表明:1)不确定海洋环境中,常规匹配场定位方法即使在较高的信噪比条件下其定位性能也较差.2)模态子空间重构定位方法的性能优于常规匹配场定位方法和稳健最大似然方法.     

基于扇区特征向量约束的稳健自适应匹配场处理器

自适应匹配场处理可以获得较高的定位精度和旁瓣抑制性能,但需要精确计算的拷贝场向量和参数搜索空间内的精细采样,这为自适应匹配场在实际复杂海洋环境中的实时应用造成了困难。本文提出了一种新的稳健自适应匹配场处理算法,用以同时克服环境参数失配和实时搜索计算量大这两个问题。新算法集成了邻点位置约束、环境扰动约束和扇区聚焦约束等三种自适应匹配场处理器的优点,采用扇区与环境扰动双重约束,不仅对环境参数失配更具宽容性,而且可确保目标位于扇区内的任何点时,主瓣增益损失较小。典型浅海环境下的数值仿真和实测数据分析表明,该算法在一定的环境失配条件下不仅能有效地检测定位目标,还能实现距离/深度平面内的大扇区目标搜索,可大大减小实时运算量。     

浅海时变声速环境下的自适应匹配场定位算法实现*

针对浅海环境下声速剖面失配引起的匹配场处理器失配问题,提出了一种自适应匹配场定位算法在声速剖面时变环境下的实现方式。将先验声速剖面集简化为经验正交函数表示,结合蒙特卡洛方法与环境扰动约束算法对当下时刻的目标声源进行匹配场定位。本文以某次试验获取的连续20小时的声速剖面数据为研究对象,通过仿真试验对该算法进行验证,结果表明：在先验声速剖面集的半小时之后,利用自适应算法的距离和深度定位成功率较常规匹配场算法有较大提升,其中,深度正确定位概率相对较低。     

不确实海洋环境下的贝叶斯匹配场处理

讨论了一种不确实海洋环境下贝叶斯匹配场处理方法.该方法在不确实环境下匹配场处理时,对不确实知识进行建模,同时,充分利用阵接收的空时数据,找到了匹配场处理时一种结合模基和数据驱动的机制.经理论推导、仿真分析以及实验海试数据验证,结果表明: (1)最小方差无偏响应(MVDR)、Bartlett等匹配场处理器是贝叶斯处理器的基本单元; (2)贝叶斯匹配场处理是对应的MVDR匹配场处理、Bartlett匹配场处理器等匹配场处理方法的后验概率加权和; (3)不确实海洋环境下,贝叶斯方法比对应的MVDR处理器和Bartlett处理器能更准确地对目标进行定位; (4)贝叶斯方法能较有效地抑制旁瓣.     

声速剖面对不同深度声源定位的影响

在对一次试验数据进行匹配场定位处理时发现, 选取声速剖面有轻微失配的情形下, 水面弱声源显现, 水下强声源反而消失. 基于该现象研究了声速剖面失配对不同深度声源定位的影响. 首先通过仿真试验排除海上试验中不确定因素的影响, 进一步得出深处声源定位受声速剖面失配影响较大的结论, 并针对夏季负跃层情形进行跃层深度失配的仿真, 初步得出在跃层下边界以下10 m附近处的声源对声速剖面失配最敏感. 最后从简正波的角度进行理论分析, 分两点对这一现象进行了合理解释.     

环境扰动约束下的稀疏贝叶斯定位方法

针对匹配场被动定位技术对海洋环境扰动敏感的问题,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法。该方法通过分析环境扰动情况下的声场构成,建立了海洋环境扰动模型,同时结合水下定位问题的稀疏性,将匹配场被动定位问题表述为稀疏信号重构问题。然后,使用稀疏贝叶斯学习方法迭代更新目标位置及模型失配权向量,收敛至最优稀疏解作为目标定位结果。最后使用仿真数据和北厄尔巴岛的海试数据对算法进行了验证,仿真和实验结果表明:该算法在海洋环境模型失配情况下也能够准确定位,且能分辨水平间距为100 m的两个目标。因此,基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法能够有效利用海洋环境扰动声场结构和水下定位稀疏特性,以增强匹配场处理的稳健性和定位精度,并且具有应对多源定位问题的能力。      

浅海波导环境失配下的协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计

实际浅海波导中环境噪声为相干噪声,最小方差匹配场声源功率估计方法能在相干噪声背景下准确估计声源辐射功率,但该方法受环境不确定性影响较大;此外,由于最小方差匹配场声源功率估计方法使用信号幅度作为中间量估计声源功率,信号幅度估计误差会二次放大并传递到声源功率估计结果中。本文提出一种协方差矩阵拟合稳健最小方差匹配场声源功率估计方法,该方法引入信道传递函数不确定集,结合协方差矩阵拟合思想将声源功率估计问题建模为在信道传递函数不确定集约束下对函数取极值的问题,使用Lagrange乘子法求解该问题得到信道传递函数估计值和声源辐射功率估计值。环境失配影响声源辐射功率估计性能的根本原因在于信道传递函数偏差较大,协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计方法有效减小了环境失配时信道传递函数的偏差,从而显著提升环境失配稳健性。此外,该方法使用权值直接估计声源功率,无需使用信号幅度作为中间量,避免了估计误差的传递。仿真验证了协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计方法的环境失配稳健性。     

浅海波导中低频声场干涉简正模态的判别

浅海波导中,低频宽带声场中干涉简正模特性可用于声源定位和环境参数反演,然而实际应用中由于存在声源位置不确知、某些简正模激发较弱、模型参数选取失配等因素的制约,导致干涉简正模阶数的判别存在问题.结合水平线列阵应用,根据阵列接收信号中干涉简正模成分的波束输出角度与距离无关但与干涉简正模阶数和频率相关的波导固有频散特性,提出了一种基于阵元域接收信号自相关函数WARPING变换过滤干涉简正模,进而对其波束输出角度进行模基匹配判别简正模阶数的方法.利用2011年北黄海海域声学实验中坐底布放的32元水平线列阵接收的爆炸声脉冲信号,对方法进行了验证.并由仿真数据分析了声速剖面、海底参数和水深等参数失配及信噪比对方法性能的影响.结果表明水深变化14%以上对干涉简正模波束输出角度的提取值影响最大,可引起方法失效;声速剖面和海底参数在一定失配范围内对方法性能的影响可忽略;方法要求单阵元信噪比大于2 dB.     

浅海环境中的匹配模态空间检测器

将水下声传播规律融入到算法设计中可以有效提高被动声呐目标检测性能。当声源位置未知时,广义似然比检测器和贝叶斯检测器分别通过搜索和积分的方式来消除声源位置不确定性的影响。但是,基于有限个信号波前实现的广义似然比检测器和贝叶斯检测器在某些声源位置上存在性能大幅下降的问题。为此,利用水下声传播的物理特性,提出了一种稳健的子空间检测器——匹配模态空间检测器,稳健的意义在于:当阵列获取到的辐射声信号能量给定时,检测器可以在不同声源位置情况下提供相同的检测性能。该检测器通过模态空间一定程度上利用了海洋环境知识,获得了比具有相同稳健性的能量检测器更好的检测性能。典型浅海环境中的仿真实验对比结果表明:匹配模态空间检测器相比广义似然比检测器和贝叶斯检测器的峰值性能下降较小、所需的计算量更少、对环境失配的宽容性更好。      

浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦研究*

为了提高低频垂直相控阵声场聚焦的环境适应性,增强环境失配情况下的声场聚焦效果,提出一种多模声场聚焦方法。该方法利用环境失配对低阶模态影响相对较小的特点,只利用前3阶模态进行发射权系数的计算。仿真结果表明,多模声场具有较大的聚焦跨度,在环境失配情况下仍能在期望的聚焦位置实现良好的聚焦效果。进一步地,根据巴斯微扰理论计算分析了多模声场的混响特性。由于多模声场聚焦将能量集中到了掠射角较小的低阶模态中,因此比最优权系数聚焦具有更低的混响平均强度。多模聚焦对聚焦深度进行扫描可以实现目标的深度分辨,这在水下目标探测方面具有较高的应用前景。     

空气中声源的水下匹配场定位

通过水下布放的垂直线列阵采集空中声源在水下激发的测量声场,采用声场波数积分模型(OASES模型)对空中声源激发的水下声场建模,计算出拷贝声场,将二者进行匹配处理从而对空中声源目标定位。首先通过数值仿真验证了匹配场处理技术对空中声源的测距能力,并通过引入宽带匹配场处理器平滑掉距离上的周期性旁瓣。最后分析南海某海域的空气声试验数据,采用常规匹配场方法对700 m以内的32组空中声源目标进行定位,测距结果与GPS计算的收发间实际距离相比,大多数情况下是一致的,在较远距离由于信噪比降低,测量结果容易出现偏差。     

利用宽带引导声源重构拷贝声场的目标声源定位

为了避开传统的匹配场目标定位技术对环境先验知识的依赖性,提出了在均匀浅海环境中只知道少量环境参数的情况下,利用垂直接收阵和不同距离上的两枚宽带引导声源重构声场对目标声源进行定位的一种方法。这种方法主要基于简正波估计和声场重构两种关键技术,同时省去了匹配场定位技术中大量的拷贝声场计算。数值仿真主要采用线性Bartlett匹配处理器分析了目标定位效果,在信噪比高于10 d B的情况下,定位效果良好。     

空气中声源的水下匹配场定位

通过水下布放的垂直线列阵采集空中声源在水下激发的测量声场,采用声场波数积分模型(OASES模型)对空中声源激发的水下声场建模,计算出拷贝声场,将二者进行匹配处理从而对空中声源目标定位。首先通过数值仿真验证了匹配场处理技术对空中声源的测距能力,并通过引入宽带匹配场处理器平滑掉距离上的周期性旁瓣。最后分析南海某海域的空气声试验数据,采用常规匹配场方法对700 m以内的32组空中声源目标进行定位,测距结果与GPS计算的收发间实际距离相比,大多数情况下是一致的,在较远距离由于信噪比降低,测量结果容易出现偏差。      

不确知海洋环境下的贝叶斯声源定位法

为了提高不确知海洋环境下的声源定位性能,贝叶斯声源定位法将环境参数与声源位置同时反演。该方法利用遗传算法在参数空间中寻优,将后验概率密度在环境参数起伏变化范围内积分,得到声源距离和深度的边缘概率分布,从中求得声源位置的最优值,并进行定位结果的不确定性分析。考虑到海底密度和衰减系数对匹配场处理代价函数的敏感性较弱,利用海底参数之间的经验关系实现这两个参数的间接反演。处理并分析了2000年的一次黄海声传播实验数据,研究表明,贝叶斯声源定位法对环境失配有较好的宽容性。采用经验公式可减少待反演参量维数,进一步提高定位的精度。      

一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法

在水平变化波导中,匹配场被动定位的计算量非常大,严重阻碍了其工程应用.本文提出了一种水平变化波导中匹配场定位的虚拟时反实现方法,其抛物方程模型计算网格总数远小于匹配场处理,从而大大减小计算代价.与匹配场处理不同,虚拟时反实现方法是一个利用介质互易性和叠加性的后向传输过程.通过在各水听器位置放置虚拟声源,并在搜索区域产生相应的模糊平面,对各个模糊平面进行相应加权求和,获得的定位模糊平面.利用地中海浅海实验数据验证了虚拟时反实现方法的快速性能.     

一种基于双引导声源和warping变换的拷贝声场计算方法

提出了在均匀浅海环境中只知道少量环境参数的情况下,利用不同距离上的两枚引导声源和warping变换的拷贝声场计算方法。这种方法主要基于简正波估计技术,从声场衰减信息和相位信息两个方向来重构拷贝声场,从而与目标声场匹配进行定位。其优点在于能避免传统的匹配场定位技术中拷贝场计算时对环境模型和环境参数的依赖。在简正波估计技术中采用warping变换的处理方式,数值仿真主要采用线性Bartlett匹配处理器分析了目标定位效果,在信噪比高于1015 dB的情况下,定位效果良好。      

一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在模态匹配和匹配场处理定位方法的基础上,提出了一种适用于具有液态半无限空间海底的浅海波导中声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以对脉冲声源接收信号的各阶简正波实现有效分离,由此得到各阶简正波的频域信号.海底相移参数是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,而各阶简正波的水平波数可以通过含有海底相移参数的表达式来表达.此外,由于声速剖面对简正波的各阶水平波数具有相近的影响,因此通过对任意两阶简正波进行联合处理,可以近似消除声速剖面对简正波水平波数差的影响.任意两阶简正波的水平波数差只近似用于海底相移参数、海深以及波导中平均声速三个参数有关,可以简单、快速地计算相应拷贝场,然后通过建立代价函数并对简正波模态进行匹配,可以实现对水下脉冲声源的被动测距.与传统的模态匹配定位方法相比,本文提出的方法既不需要使用水听器阵,又可以简单、快速地计算出拷贝场.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

光纤熔接机加热扩芯制作模场适配器的研究

为了改善不同类型光纤熔接时的模场失配,通过调整普通光纤熔接机的熔接参数,对模场直径较小的光纤进行加热扩芯,实现了10/130μm大模场面积双包层光纤和6/125μm单模光纤的低损耗熔接,光纤耦合效率可达到91%,并成功应用于自主研发的小型1064nm光纤激光器中。对利用光纤熔接机加热扩芯制作模场适配器进行了理论分析,并用1064nm光纤激光器测量其实际传输损耗。实验结果表明:采用普通光纤熔接机,适当的调整熔接参数,可以有效地提高大模场面积光纤到单模光纤的耦合效率,为制作模场适配器提供了一种简单实用的方法。