折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器

提出一种具有小尺寸、低频、水平无指向性的新结构换能器——折回型纵向振子拼合圆柱换能器,换能器由4组共享尾质量块的折回型压电纵向振子正交布置驱动环形辐射面拼合构成。采用有限元方法对换能器进行优化设计,并制作了换能器样品。实验结果表明:换能器直径为Φ180 mm,谐振频率为1.5 kHz,最大发射电压响应为131 dB,最大声源级不低于188 dB,水平全向。该换能器具有低频、小尺寸、水平无指向性的特点,具有良好的应用前景。      

使用深度学习的多通道水下目标识别

为解决低信噪比条件下水下目标识别率低的问题,提出一种适用于多通道水听器阵列的深度学习水下目标识别方法。首先是采用子通道特征级联的方法利用多通道信息;在特征提取方面,采用对信号的不同频率区间进行加权的特征提取器,并对提取的特征进行正则规整;最后采用深度神经网络(Deep Neural Network,DNN)实现目标识别。实验首先在仿真条件下对所提出方法的有效性进行验证,结果表明在-15 dB信噪比条件下的五目标识别任务中,使用多通道级联特征的深度神经网络的识别正确率达到96.7%,显著高于基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的方法。在后续的湖上试验中,深度神经网络的平均正确率达到96.0%,进一步验证了所提出方法的有效性。      

利用信号自相关函数warping变换的浅海水下移动观测平台机动优化方法

水下移动观测平台的机动航路对纯方位目标运动分析方法的使用性能具有重要的影响。针对此问题,提出了一种利用信号自相关函数warping变换的浅海水下移动观测平台机动优化方法。该方法利用warping变换从接收信号自相关函数中提取与目标距离相关的简正波相干项的特征频率,进而估计距离特征量,再根据预估的目标初始距离范围估计目标运动态势范围。针对观测平台机动方式为匀速转弯运动的情况,以目标方位变化率为评价指标得到了观测平台在所估计的目标运动态势范围下的最优转弯角速率。在浅海Pekeris波导环境下的数值仿真结果和实验数据处理结果表明:方位变化率与纯方位扩展卡尔曼滤波算法的性能密切相关;利用warping变换可以有效地估计距离特征量;观测平台根据以方位变化率为评价指标得到的最优转弯角速率进行机动可以获得较好的目标跟踪性能,收敛时间较短,目标位置估计误差较小。      

水平阵信号压缩感知用于简正波分离

针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20~200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97~1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82~0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。      

基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题, 提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法. 在浅海波导中, 声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳定的频率特征. 声压和水平振速的自相关卷绕谱具有相同的准线谱特征, 垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征, 与声压自相关卷绕谱相比, 其尖峰个数比更多, 且尖峰宽度更宽. 利用引导源, 本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法. 利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理, 结果表明, 该方法能够实现气枪声源的有效测距. 与传统单声压水听器被动测距方法相比, 该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度.     

球谐域类正则化宽带超指向性波束形成算法

提出一种球谐域类正则化宽带超指向性波束形成算法,通过结合超指向性波束形成器与延迟求和波束形成器控制阵列白噪声增益和指向性因数,推导类正则化宽带超指向性波束形器的球谐域表达式。在此基础上设计新的可控指向性因数波束形成器,可在不显著放大低频白噪声的前提下实现设定的波束宽度。采用32元球阵的仿真结果表明,对于语音测试场景,类正则化波束形成器的最高PESQ得分相比于传统的超指向性波束形成器与延迟求和波束形成器分别提高了约0.5和0.4,平均词错率分别减少了约9.5%和8.1%。主观测试实验也表明类正则化波束形成器在方向性噪声和扩散场噪声环境下都可以获得更好的主观听觉感受。利用实验数据对算法性能进行测试,实验结果同样验证了该方法在实际声学环境中的有效性。      

超声回波参数估计的初值选取方法

针对超声回波参数估计中,初值随机选取带来的收敛速度慢,搜索效率低,易受噪声影响等问题,对回波参数估计的初值选取进行了探讨。理论上研究了超声回波信号的包络和能量与信号参数的关系,阐明了从信号自身选取参数初值的可行性。在此基础上,利用希尔伯特变换和傅里叶变换提取有效信息,为回波参数估计提供合适的初值,从而减少估计过程的迭代次数、提高参数估计速度。实验结果表明,与传统参数估计方法相比,该方法在不同信噪比情况下都可获得较高的估计精度,而且参数估计的收敛速度较快。      

进行子阵加权波束形成的波达方向估计

针对水声信道的多径效应以及海底散射信号信噪比低导致方位估计性能较差的问题,提出了一种基于子阵加权波束形成的UESPRIT算法(Weighted Beamspace UESPRIT Based on Subarrays,BS-BUESPRIT)。首先利用密集波束域转换矩阵估计回波信号的方位谱,进而估计同一时刻到达阵列的回波数目;之后将均匀线阵分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,利用加权波束形成对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波;最后基于各子阵波束形成后的输出结果,利用UESPRIT算法实现回波方向的估计。仿真和湖试、海试试验结果表明,与UESPRIT算法相比,BS-BUESPRIT算法提高了信号波达方向估计性能,在多径和较低信噪比条件下有着更高的估计精度,应用于高分辨率测深侧扫声呐时有效地提高了声呐的测深性能。      

集合卡尔曼滤波在时变声速剖面追踪中的性能分析

对集合卡尔曼滤波在时变海洋环境下的声速剖面追踪性能进行了分析。将南海实验背景下普林斯顿海洋模型预报的声速剖面正交分解为3阶系数组成的状态-空间形式,其状态转移方程建模为3阶自回归过程;基于卡尔曼反馈理论,利用适合于水平非均匀模型RAM仿真的观测声压场对系统状态进行校正,实现声速剖面的动态追踪。在水平均匀、水平非均匀和海底参数失配环境下的仿真结果均能较好地实现对声速剖面的追踪,验证了算法的可行性。同时对不同信噪比、粒子数、阵元数和海底参数失配等情况下的分析表明,观测信息量的增加可以有效抑制观测误差和模型误差的影响,相关结论得到了实验数据的验证。      

衰减匹配的超声Barker码激励方法

为增加超声穿透高声衰减介质的能力,提出了一种衰减匹配的超声Barker码激励方法。基于换能器高斯响应与材料非频散线性衰减的假设,得到了Barker码激励的信号模型,求解旁瓣抑制滤波后脉冲压缩的信噪比表达式可知,该方法仅需要根据材料衰减特性与轴向分辨率的要求,分别调整Barker码的中心频率与时长,便可以获得更高的信噪比。取衰减系数为1.4 Np/(MHz·cm)、厚度为5 cm的橡胶为试样进行验证。当与方波激励方法的轴向分辨率相近时,衰减匹配的Barker码激励方法比传统Barker码激励方法的信噪比增益提高接近5 dB;当牺牲一定轴向分辨率时,信噪比增益提高接近11 dB。结果表明,衰减匹配的Barker码激励方法可以降低依频率衰减对脉冲压缩的影响,有效提高衰减回波的信噪比。