冬季冲绳海域地形及黑潮对声传播的影响

冲绳海域地形复杂且冬季存在较强的黑潮海洋锋,利用数值实验研究斜坡地形和海洋锋同时存在时由浅海至深海的声传播特性。海洋模式数值预报环境数据表明,分布于冲绳海槽斜坡上方的海洋锋导致该海域上层水体声速存在水平变化,纬度越高,水平变化越大。利用抛物方程声场模型计算声传播损失,通过简正模态分析存在表面声道的环境中声能量分布,利用声线轨迹图解释海底斜坡和海洋锋对声传播的影响。结果表明:声源频率低于表面声道截止频率时,声传播主要受海底地形影响;声源频率高于表面声道截止频率时,位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播,部分声能量从表面声道泄漏沿斜坡向深海传播,位于表面声道深度以下的声源激发的声能量主要沿斜坡向深海传播,斜坡地形导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区,海洋锋的存在可导致表面声道传播损失变化明显,影响程度与声源深度有关。     

基于改进基追踪去噪的水声单载波频域均衡信道估计

针对低信噪比下单载波频域均衡信道估计精度低导致均衡效果差的问题,利用基追踪去噪方法估计稀疏信道有效抽头具有的稳定特性,提出了一种在平稳水声信道条件下单载波频域均衡系统中应用的改进基追踪去噪稀疏信道估计方法。方法利用延拓循环前缀作为导频进行多次信道估计,将估计结果累积平均,再采用门限判决提取有效抽头得到信道估计值,从而提高了稀疏信道的估计精度。通过合理选择循环前缀延拓次数,尽可能地降低导频长度对频带利用率的影响。仿真对比分析了改进基追踪去噪算法与匹配滤波、最小平方以及传统基追踪去噪信道估计算法的性能以及对单载波频域均衡系统误码率的影响。仿真实验结果表明,改进基追踪去噪信道估计算法具有更优的估计精度,在单载波频域均衡系统中可以提高约3 dB的接收信噪比增益。     

频率自适应最优权重阵列干涉条纹处理技术

考虑长基线水平阵列波束形成对声场模态呈现的滤波特征,建立了一种随频率改变滤波通带的阵列权矢量设计方法。基于简正波理论,结合声场波束形成特点,在分析了常规波束形成信号LOFAR谱图干涉条纹的清晰度和条纹结构不同于单水听器输出信号条纹现象基础上,采用线性等式约束的二次优化模型,给出了一种频率自适应的最优权重估计。数值仿真验证和试验数据分析表明,利用该方法设计的最优权重阵列波束处理,可以滤波出SRBR(Surface-Reflected Bottom-Reflected)或N-SRBR(Non-Surface-Reflected Bottom-Reflected)模态组成的波束形成信号,信号谱图干涉条纹斜率与理论分析基本一致。      

基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计

针对声矢量传感器姿态变化难以准确测量导致目标测向精度低的现状,设计一种微型MEMS姿态传感器,并将其封装在声矢量传感器内部,实现基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计。首先根据声矢量传感器姿态测量与校正原理,采用四元数姿态解算方法及扩展卡尔曼滤波器设计MEMS姿态传感器,并对其进行姿态精度测试;然后基于MEMS姿态传感器进行声矢量传感器样机设计、制作、参数测试;最后对样机进行了海上实验,结果表明,通过姿态校正后声矢量传感器目标方位估计精度与GPS推算方位精度一致,验证了利用MEMS姿态传感器设计声矢量传感器的可行性。     

浅海环境中矢量水听器角度谱特性

为探明远场舰船噪声和近场平台噪声声能流相互作用的机制对矢量水听器角度谱特性的影响,基于简正波矢量场理论,构建舰船平台噪声声场模型,获得与海上实验结果相符的声能流角度谱特性,声能流方向均随频率变化。对远场舰船噪声声能流和近场平台噪声声能流相互作用进行仿真,两者声能流强度的此消彼长使角度谱出现4种条纹,与海上实验获得的角度谱特性一致,导致目标方位估计出现误差,且不同频带上的结果不一致。说明两个声能流相互作用时,影响合成能流角度谱特性的主要因素是两者的声压级之差,为浅海中同时存在多个声源时的目标方位估计提供参考。      

单矢量水听器的高分辨目标方位跟踪算法研究

根据单矢量水听器自身具有阵列流型的特点,提出了适用于对目标保持连续跟踪的空域预滤波MUSIC算法。通过调整滤波器通带中心角使其保持在目标估计方位角附近,可以消除滤波器通带中心角偏离目标真实方位角时传统预滤波MUSIC算法产生的目标方位估计误差。仿真结果表明,改进预滤波MUSIC算法可以减小甚至消除低信噪比情况下目标方位估计存在的较大误差。海试数据结果表明,阵元域MUSIC和改进预滤波MUSIC都可实现对单频脉冲信号和线性调频信号的目标方位估计,且估计结果与GPS舰位推算结果一致,但改进预滤波MUSIC算法主瓣更尖锐。对宽带航船噪声处理结果显示,改进预滤波MUSIC算法使单矢量水听器在存在目标干扰时的探测距离从2 km提升到了5 km,验证了改进预滤波MUSIC算法可实现弱目标情况下的高分辨目标方位跟踪。     

声场干涉结构相似度匹配的目标运动参数估计

针对水中运动声源定位问题,建立了一种基于声场干涉结构谱向量相似度匹配的目标运动参数估计方法。结合声场干涉结构水平纵向相关特性,利用目标辐射噪声LOFAR谱图中不同频率的谱值序列,基于两方位-两距离目标运动要素计算方法获取的目标距离解向量,构造声场干涉结构谱向量相似度匹配代价因子,实现目标运动参数估计。仿真数据与试验数据验证结果表明:在绘制的目标运动要素解算结果可视化分布图中可清晰呈现出目标初距、航向和速度结果。该算法实现过程简单、解算效率高,对目标方位误差有较好的鲁棒性。      

缓动单站纯方位目标运动分析算法

纯方位目标运动分析对于隐蔽状态下的态势评估具有重要意义。针对缓动单站平台对海上目标的探测问题,基于运动目标的方位历程图,提出一种纯方位目标运动分析（TMA）算法。在探测平台准静止、目标运动状态恒定且探测单目标的条件下,该算法可利用构建的运动模型精确拟合出目标的方位历程变化曲线,进而有效解算出目标的速度初距比、航向角、过正横时间及过正横方位角等目标要素。2020年5月在南海某海区利用搭载于3台低速无人航行器上的单矢量水听器进行了探测试验,将收集到的试验数据对算法进行了验证,结果表明,模型解算结果与参考值的速度初距比均方根误差小于1 h-1,目标航向角均方根误差为6.6°,过正横时间均方根误差为77.4 s。试验数据处理结果验证了算法的适用性。      

单矢量水听器稀疏近似最小方差方位估计算法

针对单矢量水听器海上目标探测问题,利用稀疏近似最小方差(Sparse Asymptotic Minimum Variance,SAMV)算法进行目标方位估计,该算法利用单矢量水听器自身具有阵列流形的特点,将整个扫描空间离散化,目标方位分布于某一离散方向位置上,利用空间信号的稀疏性可提高目标方位估计性能。仿真结果表明,SAMV算法在各信噪比条件下方位估计噪声背景级明显优于常规波束形成(Conventional Beam Forming,CBF)算法和最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)算法,当信噪比大于0dB时,该算法测向结果均方根误差小于2°,且SAMV算法具有更好的空间方位分辨能力。消声水池和海上声学浮标海上试验数据处理结果表明,SAMV算法给出了噪声背景级更低的目标方位历程图,有效验证了SAMV算法对海上目标的探测性能及其有效性。