一种基于序贯估计的直达声区水面舰船 被动测距方法 *

该文利用基于射线的盲解卷积方法，从直达声区的水面舰船噪声中提取出船和锚系于海底的垂直接收阵之间的时域信道响应，并利用直达波在不同阵元相对于参考阵元的到达时间差，通过序贯方法，利用射线模型和声速剖面信息，对水面舰船距接收阵的距离进行了估计。通过处理海深约为580 m的2016年美国圣巴巴拉海峡的实验数据，对1.6~3.5 km直达声区范围内Anna Maersk商船与垂直阵之间的距离进行了估计，验证了测距方法的有效性，并将结果与系统测量值和几何方法的估计值进行了比较。由于该方法不需要对海底参数进行估计，所以在海底参数未知时要优于传统匹配场方法；在声速剖面存在跃层且海底为多层分布的复杂信道条件下，该方法仍能对距离进行有效估计，且与测量值的相对误差在6%以内，小于几何方法的估计误差，测距结果精度较高。     

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.     

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。      

浅海声场垂直振速与水平振速相关特性及应用

基于矢量水听器记录的质点振速信号,研究了浅海声场垂直振速与水平振速的相关特性,理论与仿真结果表明记录的垂直振速与水平振速的相关系数是矢量水听器俯仰角度的函数,矢量水听器不发生俯仰时二者的相关系数约为零.基于上述特点,提出了一种利用矢量水听器记录信号自适应校正矢量水听器俯仰姿态的方法,实验结果表明,该方法能有效校正矢量水听器俯仰姿态.     

孤立子内波引起的高号简正波到达时间起伏

在新泽西附近海域进行的浅海实验(Sw'06)观测到了大量的孤立子内波.利用SW'06海洋环境资料分析了有无孤立子内波存在时的脉冲声到达时间起伏.发现当孤立子内波出现时, 1号简正波到达时间较为稳定,而一些高号简正波到达时间比第1号简正波提前,且随着温跃层深度变化而起伏.经射线理论分析表明:由于孤立子内波出现,导致温跃...     

一种鲁棒性的最小方差无失真响应波束形成算法及其应用

理论上,自适应波束形成方法要比不依赖于输入数据的常规波束形成方法有更好的目标参数估计能力和干扰抑制能力.但在实际水声环境中,声传播模型、接收阵阵列流形以及信号统计特征等因素往往与实际情况存在一定的差异,导致传统的自适应波束形成方法性能下降.因此,提高自适应波束形成方法对上述因素的鲁棒性变得越来越重要.本文基于最差条件最优化的思想,改进MVDR(最小方差无失真响应)方法的约束条件提出了一种鲁棒性最小方差无失真响应自适应波束形成算法(R-MVDR),并对输入数据协方差矩阵和方向向量存在不确定性的情况进行了性能分析,推导给出了波束形成的加权向量和空间谱估计表达式,最后通过海上实验数据进行了验证.结果证明本文提出的算法在实际环境中有更好的方位分辨能力和干扰抑制能力.     

光纤水听器相位生成载波解调非线性因素的抑制方法

为了消除非线性因素对相位生成载波解调结果的干扰,降低相位生成载波解调过程中低通滤波器的频响特性对相位生成载波解调结果的影响,该文提出了一种基于扩展卡尔曼滤波椭圆参数估计的相位生成载波微分交叉相乘解调方法。该方法在综合考虑各种非线性因素对相位生成载波微分交叉相乘解调结果的影响的基础上,对传统的相位生成载波微分交叉相乘解调过程进行了改进。经过计算机仿真和实验验证,该文所提出的扩展卡尔曼滤波微分交叉相乘方法能够有效地抑制非线性因素对相位生成载波解调结果的干扰,相比传统的相位生成载波微分交叉相乘方法,其信噪比提高了35.0 d B,总谐波失真降低了30.7 dB,信噪谐波比提高了31.0 dB,且扩展卡尔曼滤波微分交叉相乘方法受解调过程中低通滤波器频响特性的影响较小。     

存在通道幅相与互耦两种误差的均匀圆环阵流形曲线拟合方法

针对实际装配后均匀圆环阵的阵列流形向量偏离理论值的问题,提出一种利用单声源从不同方位入射阵列时的阵列幅度相位响应拟合阵列流形模型的算法。考虑阵列存在通道幅度相位一致性偏差和阵元间互耦作用,导出阵列幅度相位响应与流形误差参数的关系式,利用互耦矩阵在模态域可与阵列流形分离的特性,将关于误差参数的关系式降次为线性方程组,再联合多个方位对误差参数做最小二乘估计。对于只存在其中一种误差的特例情况,给出了对应高精度、低复杂度的估计方法。最后,利用数值仿真对所提方法的拟合精度进行评估,拟合后的阵列流形误差距离缩减至10-2量级,水池实验数据也验证了算法在实际应用中的可行性。