第六讲水下声学传感器网络的发展和应用

文章主要介绍了正在发展中的水下声学传感器网络的一些概念和发展现状。在回顾了水声通信和水下网络的发展历史之后，首先从网络拓扑结构出发，指出多跳对等网络是适合于水声应用的一种网络结构，接着根据网络协议栈的概念，说明水下声学传感器网络在各协议层上所涉及的问题，并从物理层面，分析了水声介质的特殊性，和水下声学传感器网络所面临的一些主要的技术挑战，介绍了组成水下传感器网络的关键部件。以美国海网（Seaweb）为例，给出了一个水声传感器网实现的实例，对它的年度实验进行了介绍，最后，给出了中国未来的发展应用前景。     

数字式声呐显示系统的GSC算法

方位历程显示已被证明为检测信号的有效手段。数字式声呐的多波束数据与调亮显示系统之间存在着一个接口,它有可能使信号处理系统已获得的增益受到损失。选择合理的算法会使这种损失减到最小。本文提出的灰度级转换算法(GSC)是一种实时的数字运算技术。在输入信噪比较低时会使弱信号的检测能力有所改善,同时又对强信号的检测不会有严重的影响。本文提出的算法易于由硬件实现。计算机模拟实验的结果与理论一致。文中给出了硬件设计的概要说明。     

失配状态下的双线阵波束形成研究

基于双线阵在阵间距失配状态下左右舷分辨性能会急剧下降的事实,利用延时相加和延时相减两种波束形成方法,分别推导了理想状态下双线阵的波束形成和阵间距失配状态下波束形成的方向指向性函数；分析了理想状态下和阵间距失配状态下延时相加和延时相减两种波束形成方法的左右舷分辨性能。理论分析表明延时相减波束形成具有较好的左右舷分辨性能。最后用海试数据验证了理论分析结果的正确性。     

一种频域-波数域峰值筛选的无源声呐宽带检测方法

在水声信号处理中,传统的无源声呐宽带目标检测在多目标、强干扰的复杂环境中输出信噪比低,使得检测性能急剧下降。针对此问题,提出一种基于均匀线列阵在频域-波数域上宽带信号能量分布特性进行目标检测的方法。该方法首先将阵列信号转换到频域-波数域,利用不同频率下波数主瓣、旁瓣宽度特征以及空间分布特征,设计针对主瓣的判别与分配方法,实现对同一目标不同频率下波数谱主瓣判别,使用主瓣能量累积、主瓣数目累积的方式来形成方位谱,从而进行目标检测。理论分析和仿真结果表明,所提方法只利用对目标检测有突出贡献的波数主瓣,降低了旁瓣的影响,有效提高了无源宽带水声目标的检测能力。海上试验数据处理结果表明,目标输出信噪比相比子带峰值能量检测算法可提高5.58 dB,较传统能量检测可提高8.73 dB,计算时间相比传统能量检测降低46%,验证了所提方法的有效性与实时性。     

多波束DICANNE系统研究

多波束ＤＩＣＡＮＮＥ系统具有抵消强干扰的良好性能。本文给出这种数字式系统的理论基础，讨论其稳态特性。指出多波束ＤＩＣＡＮＮＥ系统输出的信噪比、干扰噪声比。给出系统硬件实现的方框图及各种参数的选择。同时讨论以ＴＭＳ３２０系列芯片进行硬件设计的问题。     

机动多目标跟踪与被动分辨技术

为了提高多目标跟踪性能，本文结合使用了机动多目标跟踪技术和被动分辨技术。两种方法相互补充可以保证跟踪的连续性，实现很高的目标分辨力。文中对涉及到的算法进行了分析和验证并仿真设计了实现跟踪与被动分辨的显示软件。仿真结果表明，采用此跟踪分辨技术，跟踪结果正确，跟踪轨迹连续。     

主被动拖线阵声呐中拖曳平台噪声和拖鱼噪声在浅海使用时的干扰特性

分析了主被动拖线阵声呐中拖曳平台的螺旋桨噪声和主动发射基阵(拖鱼)流噪声对被动接收基阵的干扰作用,指出在浅海声学环境下,直达波和海底、海面反射波会成为声呐系统的严重干扰。给出了拖曳平台和拖鱼在各种不同深度和缆长的情况下干扰源的入射角。从理论上计算了不同参数下干扰噪声对系统响应的影响,系统仿真结果可为声呐设计者抑制这种干扰提供途径。     

水平不变浅海环境随机扰动对声传播的影响

本文主要讨论浅海水平不变波导中的低频声传播问题,为环境适配声纳设计奠定基础。通过仿真分析了海水及海底环境参数对传播损失的影响,根据仿真及实验结果,建立了声速剖面随机扰动及海面、海底起伏条件下的声强分布概率模型,并利用模型中的形状参数α和尺度参数β,提出了局部蒙特卡洛模拟加曲线拟合的声场敏感性分析方法。仿真及实验结果表明声场传播损失服从伽马分布,良好水文条件下10 km距离的声场能量起伏也达到10 d B,随着距离增加,声场敏感性增加。本文所提出方法通过对近场声场的测量和统计实现对远场声场敏感性的预报,与全声场蒙特卡洛模拟相比计算量减小一个数量级。     

基于近场聚焦逆波束形成的UUV平台噪声自适应抵消

UUV平台自噪声会对舷侧阵产生干扰，从而影响其探测性能，本文针对平台尾部自噪声源的直达噪声和海面反射噪声，提出了基于近场聚焦逆波束形成的平台噪声自适应抵消方法。文中利用UUV平台设计参数、深度以及运动姿态信息对尾部自噪声传播到舷侧阵的路径建立几何模型，并分析了影响该路径的因素；通过该模型，平台尾部自噪声能够实时自适应地通过聚焦波束形成被估计出来，从而在舷侧阵的接收信号中实现干扰抵消。仿真结果与海试实验数据处理结果表明，该方法能够有效抑制尾部自噪声干扰，显著提高UUV探测弱目标的能力。     

并列式多入多出声纳宽带高分辨波束形成方法

并列式多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)声纳可以通过高分辨波束形成方法进一步提高方位分辨能力。本文通过对窄带方法的扩展,提出一种宽带高分辨波束形成的方法,数值仿真分析了该方法的性能,并通过湖试数据进行了验证。结果表明,该方法可以对并列式MIMO声纳进行宽带高分辨波束形成,高信噪比情况下可以得到较高的方位分辨能力,但方位分辨力随信噪比减小下降较快,且运算量远大于常规波束形成方法,在运算能力满足要求且信噪比较高时,用本方法可显著提高系统的方位分辨性能。