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。     

低频大孔径线列阵声纳在海底反射区的测向性能分析*

与深海直达声探测、会聚区探测不同,在海底反射声探测模式下,低频大孔径线列阵声纳采用常规阵列信号处理方法,会产生测向误差增大和方位分裂等测向性能下降现象。目前,关于海底反射声探测模式下测向性能下降程度的预报、测向性能下降现象出现的区域位置预报等方面尚缺乏研究。本文针对该问题,提出一套海底反射区声纳测向性能预报方法。该方法以深海声场存在“简正波簇”现象及高阶“简正波簇”在角谱域分布具有稳定性等分析结论为支撑,提出高阶“简正波簇”角谱域分布向空域分布的转换方法、高阶简正波簇引起的测向误差量值预报方法、不同高阶简正波簇干涉产生多目标现象的条件的计算方法,实现了对低频大孔径线列阵声纳在深海海底反射区不同位置的测向误差预报、目标方位分裂现象产生的位置和目标角度范围要求预报。结合典型条件下的预报结果,本文提出了下一步开展低频大孔径线列阵声纳深海海底反射区环境适配信号处理方法的研究方向。     

球谐域自适应混响抵消与声源定位算法

提出了一种基于球谐域的自适应混响抵消与声源定位算法,该方法通过去混响处理改善语音质量,并提高球谐域定位算法在混响环境下的定位性能。推导了基于多通道线性预测的自适应混响抵消算法在球谐域的表达式,针对刚球模型提出分阶处理的去混响方法,并对去混响后的信号进行波达方向估计。采用32元球阵的仿真结果表明,相比于球谐域不分阶去混响方法,该方法最大可减少约2/3的运算量,同时语音PESQ得分及SRMR均显著提高。利用实验数据对算法性能进行测试,实验结果验证了该方法在实际声学环境中去混响和声源定位的有效性。      

负梯度声速剖面的浅海混响平均强度的垂直结构

声速剖面是影响声场能量重新分配的主要参量。混响包含有双程传播和反向散射过程,文中根据全波动混响理论,从声速剖面对简正模态的垂直结构的影响出发,通过数值仿真和理论分析研究了负梯度声速剖面对双程传播损失和反向散射强度的垂直结构的影响,进而得到声速剖面对混响平均强度的垂直结构的影响。数值仿真结果表明,传播距离近的条件下,混响平均强度的垂直结构受声速剖面的影响在实际应用中可以忽略不计;传播距离足够远,并且相对声速梯度在10-4 m-1量级时,混响平均强度的垂直结构才会受声速剖面的影响有明显的变化。负声速梯度下的混响实验也表明,在有限的混响时间内,混响平均强度的垂直结构保持稳定。      

波束域下利用角度散布特征抑制宽带混响

通过研究宽带信号的信源空间展宽特征,提出了一种宽带波束域的混响抑制方法。在有效观测角度范围内,进行密集的波束形成,将数据从阵元域转换至波束域,通过与蒙特卡洛积分得到的参考值比较,得到角度散布指数ADI。信混比越大,ADI越小。因此,设定合适的ADI阈值,去除高ADI值的成分,目标回波能够从混响背景下分离出来。该滤波器兼容于声呐现有的波束形成和信号检测流程,并且计算复杂度低。通过仿真分析了ADI与频率、带宽、信混比的关系。湖海试数据的处理结果表明了该方法能够抑制混响,并且ADI滤波器阈值选取具有容错性。      

射线理论下的浅海环境噪声场空间相干性分析及海底声学参数反演

基于射线理论,以简化海底模型为基础,获得了浅海噪声场空间相干性在频域上的表示方法,并用于海底声学参数反演。将风关海洋噪声看作分布在无限大平面上的点源,通过计算噪声场垂直方向上的能量分布,进一步获得空间两点噪声场频域相干性表达式。利用数值仿真验证了模型对于不同海底类型的敏感性。并结合噪声场空间两点的频域相干性海上实验数据,反演得到该处海域的底质类型,进一步获得海底声速、密度和声衰减系数。结果表明,反演得到的海底参数与实际情况符合较好,文中提出采用的这种计算方法能够有效的反映海底反射对于噪声场空间相干性的影响,并且可在一定程度上提高反演海底声学参数效率。      

基于卡尔曼滤波的低复杂度去混响算法*

在电话会议、智能音箱等应用场景下,传声器往往处在声源的远场。混响信号的存在会掩蔽后续到达的直达声信号,降低传声器接收信号的语音质量,以及语音识别系统的准确识别率。多通道线性预测算法是一种经典的盲去混响算法,但该算法往往具有较高的计算复杂度。本文提出了一种简化的卡尔曼滤波更新算法,通过对角化卡尔曼滤波器状态向量误差协方差矩阵,降低了自适应多通道线性预测去混响算法的复杂度。通过与现有分块对角简化算法对比发现,本文提出的简化算法在保证语音质量的同时,进一步降低了原卡尔曼滤波算法的复杂度。     

海底混输管道停输和再启动瞬态流动规律研究

本文采用大型实验环道模拟和OLGA软件结合探索海底混输管道在停输和再启动过程中的瞬态流动规律.实验模拟表明气液同时停输过程中没有出现过减现象;在保持气量不变的情况下,将液量突然增加,会出现压力过增现象.OLGA软件模拟表明在停输过程中,管线沿线温度下降,可能出现水合物;再启动过程中,平台终端的液量波动幅度很大;停输过程中,整条海底管线的总持液量不断减小,但幅度不大,再启动过程中,总持液量急剧增大,之后又重新达到稳定.     

强潮地区桥墩局部冲刷模型验证方法研究——以杭州湾跨海大桥桥墩局部冲刷研究为例

从建立强潮地区桥墩局部冲刷模型的重要性出发,简要介绍了通过水槽试验所建立的杭州湾跨海大桥局部冲刷模型.强潮特性使得杭州湾跨海大桥桥墩局部冲刷的实际数据获取难度较大,据此提出了基于海底声学探测技术的数据获取方案,即利用多波束测深技术进行桥墩局部海床高程测量、利用多普勒声学测量技术进行潮流测量等,同时结合底质钻孔取样进行底质分析.在介绍了实测数据的处理方法后,结合桥墩设计资料进行了模型参数的计算及模型验证,并根据桥墩实际情况对验证结果进行了相关分析,最后肯定了本方案对于强潮地区进行桥墩局部冲刷观测的适用性.     

水下声学导航网络节点区域最优布局方法

为实现水下声学导航网络节点满足区域定位精度需求,同时满足节点布局数量及费效比最优,提出了一种水下声学导航网络节点最优布局方法。根据节点布局间距和定位误差关系,选定满足定位精度需求的最大节点布局间距,采用2D网格生成算法控制节点间距在最大间距,以实现导航网络节点的自动化最优布局。考虑海底地形遮挡声源情况,利用地形开角与临界开角和小开角临界值的对比,快速确定区域布局风险区并在2D网格生成算法中设置不可布局区域,进一步优化实际海底地形导航网络节点布局。通过某实际海域导航网络区域布局的仿真实验验证,所提方法可实现100 m定位误差的预期设计需求,并满足布局节点数量最优。