近场反卷积聚焦波束形成声图测量

为了提高声图测量中对多个声源的分辨能力和定位精度,给出了一种近场二维反卷积聚焦波束形成声图测量方法。推导了水下声图测量的广义卷积模型,根据声图测量中点传播函数移变但可预测的特点,通过预存点传播函数字典的方式,将波束形成过程中的卷积问题转化成叠加积分问题,并应用二维Richardson-Lucy迭代算法实现了二维移变模型情况下的近场二维反卷积求解,从而实现高分辨声图测量。通过仿真和海试对比了反卷积、常规声图测量和MVDR声图测量的性能,结果表明反卷积算法在500次迭代情况下聚焦峰尺度小于另外两种算法的1/2,旁瓣级下降超过6 dB.     

基于相位解调的双光束薄膜干涉型光纤传声器

针对基于相位解调的双光束薄膜干涉型光纤传声器的特性展开了研究,仿真分析了三路信号的直流分项、交流分项以及相位差对双光束薄膜干涉型光纤传声器输出性能的影响。采用对比法,并通过实验研究了基于相位解调的双光束薄膜干涉型光纤传声器的输出特性,实现了灵敏度为193 mV/Pa@1 kHz、频率响应为200 Hz～4 kHz@±3 dB的声信号测量。本研究能够很好地应用于声探测、语音识别等领域。     

随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型

针对随机起伏冰面的声散射问题,建立了随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型。利用Delaunay三角剖分方法对随机起伏冰面进行三角面元剖分,然后采用Z-buffer算法进行面元的遮挡消隐,得到处于声波照射亮区的面元,最后采用Gordon面元积分的板块元方法计算得到随机起伏冰面的散射强度。数值计算模型中,将冰面认为是局部阻抗表面,直接代入起伏冰面局部反射系数进行散射声场的计算,避免了解析计算模型中对反射系数的近似处理。对比分析了数值和解析计算模型在小粗糙起伏冰面、大粗糙起伏冰面及不同声波入射角和不同声波频率时的散射强度。相比解析模型计算结果,数值模型计算结果与实测结果更吻合。     

三维亚音速运动介质中的高斯波束追踪

为了充分考虑介质运动对声传播的影响,建立了一种利用高斯波束法求解亚音速运动介质中的声传播问题的模型.该模型基于高频近似任意马赫数的速度势函数亥姆霍兹方程,采用波束追踪方法,推导了运动介质中的动态射线方程组,进而将偏微分方程转换成常微分方程组的形式.理论表明运动介质中波束的扩展更为复杂,并且声线管束内的能量不一定守恒.将该模型应用于标准问题、水平分层大气次声三维远距离传播问题和墨西哥湾流流域的声传播问题,仿真结果表明,相比于常用的N×2D近似计算方法,运动介质中的高斯波束追踪法充分考虑了介质运动的影响,特别是横风的作用,可以更加精确地计算运动介质中的三维声场;尽管海流的马赫数很小,但是同样会定量地改变声传播,影响会聚区位置,在一些区域考虑海流和不考虑海流的计算结果相差5 d B以上.     

深海可靠声路径下基于变分贝叶斯推断的水声信道估计

在深海可靠声路径(RAP)区域, 水声信道呈现明显的长时延、分簇稀疏特性。针对RAP信道的上述特性, 在Turbo迭代均衡的框架下开发了一种基于向量近似消息传递(VAMP)和变分贝叶斯推断(VBI)的信道估计方法。首先, 将RAP信道建模为不同簇子信道的串联, 利用VBI迭代估计每一簇子信道; 然后, 针对VBI计算复杂度较高的问题, 将VAMP嵌入VBI框架, 在低复杂度下估计各簇信道后验分布; 最后, 针对反射声子信道时变性强的问题, 在VBI框架下提出了基于直达声时间相关性的信道、符号的联合估计方法。利用在中国南海收集的深海实验数据对所提方法进行了验证。结果表明, 所提方法在深海RAP信道下具有更好的信道估计性能和更低的计算复杂度。     

主特征向量加权的声矢量圆阵波束域多重信号分类测向方法

为降低声矢量圆阵方位估计方法的计算复杂度, 避免声压振速联合处理需选取观测方向的问题, 提出了一种主特征向量加权的声矢量圆阵波束域多重信号分类(MUSIC)测向方法。在信号总功率与噪声功率之比最大的优化准则下, 求解得到单矢量传感器最优的加权向量, 即主特征向量。结合主特征向量设计相应的波束形成矩阵, 并从理论上对声矢量圆阵阵元域和波束域MUSIC的目标方位估计方差进行比较。推导了单矢量传感器的大特征值和信号功率、大特征值对应的特征向量和其导向向量之间的关系。通过仿真实验验证了基于主特征向量波束形成矩阵的有效性, 所提方法具有较低的计算复杂度和良好的方位估计性能。水池实验数据分析表明, 所提方法能够准确估计目标方位。     

变分模态分量降噪后重构的水声弱信号检测

针对能量检测法在低信噪比下对非合作水声探测信号的检测性能显著下降的问题, 提出了一种组合变分模态分解和小波变换降噪重构的信号检测方法。以信号分解出的各个本征模态函数的近似熵与互相关系数比值作为分量分类参数, 将所得分量分为信号分量、含噪信号分量与噪声分量, 然后利用第二代小波变换对含噪信号分量降噪后与信号分量组成重构信号, 最后对重构信号进行检测。数值仿真结果表明该方法可以在无先验信息的情况下对CW和LFM信号自适应降噪, 信噪比0 dB以下时CW信号重构后信噪比提升约12 dB, 宽带LFM信号信噪比提升约8~9 dB, 有效提升了低虚警概率下信号的检测概率。湖试结果表明, 虚警概率为0.1时检测概率可提升至0.9以上, 验证了该方法的有效性。     

匹配垂直质点振速的浅海地声参数反演

海底声学参数对海洋波导中的声场特性研究和相关应用具有重要意义。针对一次夏季黄海声传播实验,分析了浅海负跃层环境下垂直质点振速的传播特性和简正波结构,说明当声源和接收器均位于负跃层下时,除海底附近外的大部分深度上垂直质点振速能量较高,且与声压相比,号数高的简正波对垂直质点振速的贡献更大,利用垂直质点振速进行匹配场反演能获得更高的海底参数敏感性。分析了海底吸收系数对垂直质点振速匹配场反演的影响,结果表明只有当进行匹配场反演时设置的海底吸收系数接近真实值时,才能获得准确的海底声速、密度和海深反演结果。利用实验中矢量水听器获取的垂直质点振速信号进行匹配场反演,将海底吸收系数在变化范围内取不同值对海底声速、密度和平均海深进行全局搜索,根据代价函数值最大确定了海底声速、密度及平均海深的反演结果,并利用不同距离上的声压传播损失反演出不同频率下的海底吸收系数。根据反演得到的海底声学参数计算声压传播损失,与实验中声压水听器测量结果符合较好。     

利用起伏界面改善非消声水池中的声功率测量

针对非消声水池的声学测量应用, 提出了一种在界面起伏的非消声水池中测量水下声源辐射声功率的方法。基于数值方法分析了在非消声水池中利用起伏界面改善低频声源辐射声功率测量的可行性, 进一步在一个尺寸为1.2 m × 1.0 m × 0.8 m的非消声水池中开展实验研究, 测量了水声换能器的辐射声功率。实验表明, 相对于界面静止的水池, 利用造波装置生成随机起伏界面后, 声场扩散性明显改善: (1) 水池的Schroeder频率从10015 Hz降低到8370 Hz, 辐射声功率的测量范围向低频扩展; (2) 结合空间平均技术测得的频响曲线起伏程度减小, 与自由场值更接近, 辐射声功率的测量结果更为准确。所提方法有助于提高非消声水池中水下目标声学特性的测量能力。     

子空间判决分析的强干扰抑制

针对海洋中存在的强干扰和环境噪声导致水下目标方位估计算法性能剧烈下降的问题, 提出了一种子空间判决分析的强干扰抑制方法(SSJ), 可实现多个强干扰下的目标方位估计。根据常规波束形成粗估的目标角度区间, 利用目标−干扰−噪声子空间与导向矢量的相关性, 设置判决项和估计合适的判决阈值来分离和抑制样本协方差矩阵中的非目标信息, 降低干扰和噪声的输出功率, 同时提高输出信干噪比, 为增强阵列的目标方位分辨能力提供方法支撑。仿真和海试数据处理结果显示, SSJ方法可抑制目标角度区间外的强干扰和噪声, 明显降低了干扰的输出功率和目标主瓣附近的旁瓣级, 提高了目标方位角度的分辨力。相比于现有的子空间干扰抑制方法, 所提方法具有更加稳健的干扰抑制能力。