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。      

浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化

在浅海,尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导,海底界面反向散射是浅海混响的主要来源.经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性,而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷,但同时也引入了其受地声模型约束的问题.本文结合了海底反射系数的三参数模型,对浅海远场海底反向散射模型进行了简化,以减少地声模型的输入参数.理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用,无需任何海底地声参数的先验知识.通过对海底反向散射模型近似简化,结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同:在临界角附近,海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关;对于甚小掠射角,海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关,其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.     

低码率语音编码中过渡帧对合成语音的影响*

过渡段对语音清晰度、可懂度和人耳听觉感知都起到不可忽视的作用。参数语音编码中,包含有过渡段的语音帧能否得到恰当处理,是决定其合成语音是否清晰可懂的关键。本文以混合激励线性预测编码为参考,将其中的语音帧划分为静音、清音、浊音、过渡四大类后分别处理,在以往低码率语音编码(1 kbps)工作基础上,比较了八种过渡帧划分方法对合成语音PESQ MOS的影响。经分析后发现:不同的过渡帧对PESQ MOS的贡献也不同。由清、静音向浊音变化的过渡帧的贡献最大;介于浊辅音与元音之间的过渡帧的贡献也不应被忽略。     

基于超指向性多极子矢量阵的水下低频声源方位估计方法研究

针对水下低频声源的方位估计问题,基于基元紧密排列的二维矢量阵,建立了一种超指向性波束形成方法.根据矢量基元差分运算构建各阶多极子模型,获得了几乎与频率无关的模态函数,并经加权计算可在低频条件下实现超指向性波束,以解决阵列孔径对波束性能的限制.同时,结合输出信噪比最大准则所得波束,分析了超指向性波束形成算法的稳定性与波导的影响程度,探索模态阶数与阵列参数的选取原则.通过阵列性能的仿真计算与实际阵列的测量数据表明,该算法可在小尺寸阵列孔径下获得良好的阵列波束,兼具了水下线型超指向性阵和环形超指向性阵的优点,可有效实现水下低频声源的水平方位估计;且波束性能可通过调节模态阶数与基元间距以达到最佳,并受水下声波导多途与频散效应影响有限.     

负梯度水文环境下海山对声传播的影响

利用一次南海海山环境下的声传播实验数据,研究了负梯度水文环境下海底山对声传播的影响。针对实验数据中的传播损失异常,从射线声学角度给出了合理的解释,表明海底山的存在引起传播损失在距离上剧烈波动。在距离接收阵较近的7.6 km处,声源位于海山斜坡上,斜坡的反射使接收传播损失减小约8 dB,体现出斜坡增强特征。当声源位于海山后,海底山的遮蔽作用使23.8 km处的传播损失增加超过20 dB,不同位置处海山遮蔽效应的差异使传播损失随距离起伏。利用抛物模型对实验环境下的声传播进行了定量仿真,仿真传播损失同实验结果符合,验证了实验数据中海底山的反射和遮蔽作用。此外,对实验环境下海山的遮蔽损失进行分析,发现在不同声源位置处,海山遮蔽损失在特定频带上同频率对数具有线性关系。      

利用简正模态相位关系的浅海声源深度分辨方法

针对浅海波导声源深度分辨问题,本文提出了一种利用简正波的相位关系进行声源深度分辨的方法。该方法通过对垂直阵接收到的信号进行简正波分解,得到简正波系数,在已知声源距离的情况下通过对简正波系数项的处理得到各阶简正波的相位关系,根据相位关系估计声源的深度区间。该方法在阵元数较少时依然可以分辨声源深度,而且对宽带信号、窄带信号、连续信号和脉冲信号均适用。理论分析和数值仿真的结果说明:只有近水面处声源激发的简正波满足相位一致的特性,利用此特性可分辨水面水下目标。仿真和海试结果证明:在海水声速随深度不变或缓变的水文环境下,该方法可以准确的分辨声源深度区间,并且在深度采样不充分的情况下仍然适用。      

岛礁区域斜坡地形对深海环境噪声级深度分布的影响

考虑岛礁区域斜坡地形的影响,从理论上分析了南海深海区域噪声级随深度增加而变大的现象。南海北部深海区域环境噪声测量实验表明:大部分时间内噪声谱级随深度变化较小(160～800 m),但是在一些时间里,噪声谱级会出现随深度增加而变大的现象。考虑南海岛礁区域斜坡地形对声传播的影响,建立了南海深海区域的环境噪声模型,当航船经过岛礁附近时,航船噪声由于岛礁附近斜坡地形的作用进入深海声道,使远距离噪声谱级随深度增加而变大。利用模型计算噪声谱级随深度的分布,结果与实验数据符合较好。验证了南海深海区域噪声在岛礁斜坡地形影响下的复杂的变化特性。     

浅海近程混响的振荡现象*

研究浅海近程混响特性对于评估和提高主动声纳性能具有重要意义。多次浅海混响实验显示,近程混响强度存在稳定的振荡现象,脉宽基本对振荡的幅度和周期没有影响。为解释这一现象,本文基于射线理论和小斜率近似给出了浅海近程混响模型,仿真与实测数据结果基本吻合。数值仿真结果表明：海底反射声场对单站声纳接收到回声信号的贡献远小于海底近垂向大掠射角散射声场的作用;混响强度振荡现象是海底近程散射声场的多途现象造成的,并由此给出了振荡周期与海深及收发深度的关系。     

国际监测系统水听器台站监测能力分析*

为有效保障全面禁止核试验条约(CTBT)的执行,国际监测系统(IMS)基于大洋海域的水声台站开展水下核爆、邻近海岸的地下核爆和近海面的空中核爆监测。为评估IMS水声台站对核爆和潜艇活动的监测能力,以IMS水听器台站HA11为例,开展IMS水听器台站监测能力研究。依据抛物方程方法进行全球海域传播损失预测,并根据实际历史数据获取的IMS水声台站背景噪声级,以及给定的水下爆炸声源级和10-100Hz潜艇辐射噪声谱级,实现探测水下爆炸声源和潜艇的优质因数估计,从而给出IMS水听器台站对爆炸声源和潜艇活动的监测范围。研究结果表明,对于安静型潜艇,较低的辐射噪声级导致HA11水听器台站监测距离小于1km。对于水下爆炸声源,即便当量仅1kgTNT,监测范围可覆盖北太平洋大部分区域。随着潜艇航速的提高,水声台站探测距离虽有所增加,但仍不足以实现潜艇活动的有效监测。因此,IMS水声台站对正常的潜艇活动探测能力有限,而基于良好的深海声信道和较高的爆炸源级则可实现全球大洋海域和部分近海海域的水下爆炸事件监测。     

海豚Whistles为信息载体的正交频分复用循环移位键控扩频伪装水声通信

提出一种伪装水声通信调制方法,将原始海豚whistles信号表示为以自身DFT系数为数据符号的正交频分复用(OFDM)块,采用m序列对OFDM块中的子载波幅度进行指数调制实现正交频分复用循环移位键控(OFDM-CSK)扩频调制,分别采用PEAQ算法与相关系数计算听觉与波形相似度,作为两个客观评价结果约束OFDM子载波幅度的修改程度,保证伪装的效果。提出匹配滤波与正交匹配追踪结合的自同步算法,使伪装通信信号帧结构的设计保持原始whistles叫声的模式,提高了伪装的效果。通过CSK扩频技术很大程度地提高系统的频带利用率且通过垂直阵虚拟时间反转信道均衡技术提高了通信系统的稳健性。海上试验验证了伪装通信方法的可行性。