利用环境噪声互相关实现散射体无源成像

最近研究表明利用环境噪声的互相关可以恢复两点之间的时域格林函数(声脉冲响应),这一原理在文献中被称为格林函数恢复。基于此原理,通过对多个传声器所接收的环境噪声进行互相关处理,获取与散射体相关联的散射波的到达时延信息,结合最小二乘反演算法和改进克希霍夫移位算法,分别获得道路交通噪声场中石柱以及海浪噪声场中塑料桶的空间位置,且其估计结果与实际测量相一致。实验结果表明将环境噪声作为探测信号进行散射体无源成像是可行的。这为设计室内无源声监测系统以及通过海洋环境噪声实现对水中静默目标成像提供了新思路和有益参考。      

多普勒频移和干涉谱联合的水声目标运动参数估计

常见水中运动目标会辐射连续谱噪声和线谱噪声,连续谱噪声在浅海波导环境中形成明暗相间的干涉条纹。根据干涉条纹可以得到目标最近距离与速度的比值,无法直接解出两个参数值。针对利用干涉条纹无法分别估计最近距离与速度问题,提出一种多普勒频移、干涉条纹结合的运动参数估计方法。根据单条线谱多普勒频移得到最近距离与速度参数耦合曲线,再将该曲线与干涉条纹得到参数比值线相交,交点即为两参数估计结果。数值仿真估计声源运动速度、最近距离,在信噪比6 dB条件下,平均估计误差分别为0.71%与0.87%。将该方法应用在2021年6月大公岛海域海试数据,5组实验数据估计目标运动速度、最近距离平均误差分别为2.5%,4.4%,证明了方法的有效性。     

基于相平面轨迹方法的海底底质分类研究

提出了基于相平面轨迹的海底底质分类的方法,从海底回波信号的相平面轨迹中提取两个特征量:最大距离特征量和距离分布特征量。利用这两个量的统计特征来完成对不同海底的分类,并将该方法应用于处理海上实验数据。结果表明:该方法可靠地识别出了两种相近(沙-粉沙-粘土与粉沙质粘土)但不相同的海底底质类型,说明这种方法用在海底底质分类是可行有效的。     

反演声场简正波耦合系数矩阵

研究了有内波传播时声场的耦合简正波形式,分析表明各阶简正波系数的时间信号包含多个频率成分,各成分的频率为对应的两地波数差与内波速度的乘积,各频率成分的振幅与对应简正波之间的耦合系数成正比。因此即使内波的波形不随其传播而变化,接收器处的各阶简正波系数仍然具有多频的复杂结构。由此并根据简正波耦合强度与声场简正波系数起伏强度的对应关系提出了一种反演简正波耦合系数矩阵的方法;并用实验中获得的内波数据,反演了声场;计算结果表明:该方法有效地反演了内波传播情况下的简正波耦合系数矩阵。     

使用干涉谱图的浅海目标无源定位

提出了一种利用3个接收水听器对目标进行定位的算法。该方法对各水听器接收到的低频分析记录（LOFAR）谱图,利用Hough变换提取得到目标运动轨迹的最近通过点（CPA）参数。根据文中提出的最近点关联算法可以确定目标的运动速度,从而解算目标与各个水听器之间的距离,由此便可以结合三边定位原理对目标定位。仿真与海试数据的处理结果表明,本文定位方法可以在缺乏环境参数的情况下对匀速运动的目标进行定位。      

数据驱动声场信息处理与控制

海洋环境复杂性、多变性及其模型参数获取限制需要直接从实验数据中估计参数、评估 模型。在水声物理框架下,利用信道物理规律、特性,基于数据估计/提取模型参数或模型(模型函数),实现声场信息处理和控制具有学术价值和应用意义。本文综述波导不变量、格林函数提取和单边声场聚焦三种数据驱动声场信息处理与控制方法近年国内外相关研究进展。     

单边噪声源环境下的格林函数提取

对单边噪声源环境下空间中存在散射体时的格林函数到达时间结构提取展开了实验性研究。通过对位于沙滩上的传声器上记录的海浪噪声进行互相关处理,成功提取出两传声器间的格林函数到达时间结构。到达时间结构中观察到伪散射路径,并且伪散射路径在幅值上远高于散射路径。针对上述现象给出了理论及仿真解释:当传声器对受噪声源单边照射时,广义光学定理失效,伪散射路径将会出现;同时,由于伪散射路径由所有方向噪声源贡献,散射路径仅有稳相点附近声源贡献,因此伪散射路径在幅值上可能高于散射路径。结果表明,在单边噪声源环境下,基于互相关技术可以提取伪散射路径。伪散射路径的短时稳定提取可以为散射体无源成像提供更多信息,在海洋声学、地震学等领域具有潜在应用价值。      

利用海浪噪声自相关实现散射体无源探测

提出了一种利用海浪噪声自相关实现散射体无源探测的新方法.将各接收器记录噪声信号的自相关减去所有接收器记录噪声信号自相关的平均值,得到散射信号的到达结构,然后结合基尔霍夫移位算法实现对散射体的探测.与利用背景噪声互相关提取格林函数从而实现散射体探测的方法不同,自相关无需考虑各个接收器之间的大量数据传输及时间同步问题,这为相距较远的多接收器和移动平台目标探测提供了极大的方便.将所提出的方法应用于实验数据中,最终探测结果与实际测量结果相比差别不大,验证了方法的有效性.     

利用环境噪声进行安静目标探测*

该文回顾了近年来该课题组利用环境噪声互相关方法和环境噪声自相关方法进行安静目标探测的主要工作。首先简单回顾了利用环境噪声互相关方法和环境噪声自相关方法进行安静目标探测的理论,然后介绍了两次利用海浪噪声进行安静目标探测的实验。通过海浪噪声实验验证了利用环境噪声互相关和自相关进行安静目标探测的可行性。最后对利用环境噪声互相关进行安静目标探测所需要的累积时间进行了讨论,并给出了累积时间的下界。     

A Sound Field Separation and Reconstruction Technique Based on Reciprocity Theorem and Fourier Transform

We show a method to separate the sound field radiated by a signal source from the sound field radiated by noise sources and to reconstruct the sound field radiated by the signal source. The proposed method is based on reciprocity theorem and the Fourier transform. Both the sound field and its gradient on a measurement surface are needed in the method. Evanescent waves are considered in the method, which ensures a high resolution reconstruction in the near field region of the signal source when evanescent waves can be measured. A simulation is given to verify the method and the influence of measurement noise on the method is discussed.