声场空间相关对基于子空间的高分辨率空间谱估计的影响

分析了海洋波导中阵列各阵元接收信号相关起伏情况下,基于平面波假设的目标方位估计方法面临的问题。对于窄带均匀直线阵,利用共轭对称Toeplitz矩阵的性质,分析了由于海洋波导中声场相关弓l起的目标“分裂”现象,即阵列接收到的信号可以分解为若干个平面波入射信号迭加的形式。进一步分析了目标“分裂”导致真实目标个数估计困难,基于特征分解的高分辨率空间谱可能会出现虚假谱峰的现象。     

有限元法分析空腔周期分布粘弹性层的声特性

运用有限元方法研究水中空腔周期分布粘弹性层及粘弹性层附在钢板上、并位于水和空气之间的声特性。结果表明,在低频,水中有空腔的粘弹性层比无空腔的粘弹性层有较大的反射;空腔的形状和谐振对低频声特性产生很大影响。给出了粘弹性层具有球形、圆柱形和圆锥形空腔的振动模式和声特性的数值结果。     

液-固界面上非镜面反射的波束位移的实验研究

采用Schlieren系统记录了在液 固界面上弱发散的超声波束的非镜面反射声场 ,并测量了界面上反射波束的波束位移 .研究的入射角θ _i扩大到在Rayleigh临界角θ _c 附近± 5°的范围 .实验发现弱发散波束的波束位移Δ是随θ _i的增加而减小的 .理论的计算表明 ,对于弱发散波束和弱会聚波束 ,Δ相对于θ _i 在θ _c 附近分别为递减函数和递增函数 .理论计算的Δ θ _i 曲线和实验点符合 .     

水平线列阵方位—相速度联合的卡尔曼滤波方法*

传统的水下被动测向方法通过波束形成估计目标角度,水平线列阵波束形成中的参考声速应使用声传播的相速度,在被动测向中,由于声源距离未知,因此在对目标角度估计时选取的参考声速与接收阵处的相速度往往存在偏差,从而影响测向精度。本文提出了一种水平线列阵方位-相速度联合的纯方位扩展卡尔曼滤波方法,该方法引入相速度作为估计状态量以此校准参考声速,提高测向精度,进而改善了由于测向误差较大引起的纯方位扩展卡尔曼滤波算法跟踪结果发散的问题。浅海传播条件下的数值仿真结果表明,改进方法较常规纯方位扩展卡尔曼滤波算法具有更高的跟踪精度及稳健的跟踪性能。     

三维耦合简正波-抛物方程理论及算法研究

研究三维海洋环境下声传播的快速数值预报方法。在广义相积分(WKBZ)理论和波束位移射线简正波(BDRM)理论的基础上,将二维耦合简正波-抛物方程理论推广至三维。三维耦合简正波-抛物方程(CMPE3D))理论的级数解由垂直方向的本地简正波和水平与方位角方向的简正波幅度系数组成。为了实现该理论的快速算法,在垂直方向上采用WKBZ理论和BDRM理论进行简正波分析,在水平与方位角方向采用与抛物方程模型FOR3D[Lee D.et al.,"Numerical Ocean AcousticPropagation in Three Dimensions",World Scientific,Singapore,1995]类似的方法来求解简正波幅度系数方程。数值计算结果表明,在精度相当的情况下,计算速度比抛物方程算法提高了约100倍,具有计算精度高、速度快的优点。     

一种基于时延估计的双辅助声源阵形校准方法

布放柔性水平阵列时,各阵元的相对位置很难精确知道,为了解决这一问题,提出了一种阵形校准方法。首先布设两个成一定张角的校准声源,利用它们估计各阵元信号的时延关系,利用声源和接收阵的GPS位置,确定各阵元的相对位置。得到的位置估计是无偏估计,给出了位置估计标准差的数值模拟结果,得出了两校准声源的最佳角度关系。利用2001年亚洲海国际实验的数据对该方法进行了验证,用校准后的阵形得到的测量声源方位角和实际角度一致,实测的阵增益也和理论值相符合。理论及实验分析结果表明,该方法能够准确定出各阵元的相对位置。     

基于有限元的空耦超声相控阵Lamb波激发与检测

基于非接触式空气耦合超声换能器的无损检测技术在常规板材、纤维复合材料、层状结构材料、粘接界面等的检测中有了长足的发展。但是因为空气耦合超声本身的限制,对于如何提高空气声换能器的发射效率和接收灵敏度、提高检测中接收的信噪比成为这一领域的重要课题。因此有必要结合最新的信号处理技术探索新的无损检测形式。本文通过提出了基于电容式的空气声换能器阵列的构建和制作方法,应用有限元数值方法对一维线阵的空气声换能器阵列的动态偏转特性进行了模拟,并使用构建流固耦合模型对二维的空气声场及板材中的位移场进行计算。通过一维空气耦合相控阵的声束动态偏转激励了各向同性板中的Lamb波A₀ 和S₀模式,并进行了分析,验证了此模型可以进一步用于基于空气耦合相控阵激励的Lamb波的无损检测中。     

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。     

一种基于warping变换的浅海脉冲声源被动测距方法

针对浅海波导中脉冲声源被动测距问题, 提出了一种利用接收信号的能量密度函数进行warping变换的声源被动测距方法. 对于浅海波导, 接收信号的能量密度函数中不同号简正波相干部分, 经warping变换后输出结果的频谱中包含与声源和接收器位置无关的不变性频率特征. 这些特征频率在数值上等于理想波导中相干的两号简正波的截止频率差, 与海底参数无关, 因此仅需已知海水中的平均声速和海水深度便可计算出特征频率值. 当声源距离未知时, 利用特征频率的提取值与真实特征频率之间的关系可以实现快速测距, 极大地提高了计算速度. 为了验证方法的有效性, 对2011年11月黄海海域水声实验的接收脉冲数据进行了处理, 测距结果与实测距离符合良好, 平均测距误差在8%以内.     

基于矢量水听器的深海直达波区域声传播特性及其应用

对于深海近水面声源产生的声场, 处于较大深度处的接收器在一定水平距离范围内能接收到直达波. 2014年在某深海海域进行的水声考察实验中, 应用深度为140 m的拖曳声源发射实验信号, 布放在水下3146 m深处的矢量水听器成功地接收到了直达波信号. 本文应用射线理论, 分析了深海直达波区域声场的传播特性, 得出了水平振速与垂直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角以及收发水平距离之间的关系. 在以上分析的基础上, 提出了一种利用水平振速与垂直振速的能量差估计声源距离的方法, 并结合2014年实验数据对实验中两条航线上8 km范围内的目标声源进行了测距, 测距结果与目标的GPS数据符合得较好.