基于果蝇算法优化广义回归神经网络的矢量水听器的DOA估计

为了提高矢量水听器阵列对窄带信号的DOA估计精度,运用果蝇算法优化广义回归神经网络,通过对阵列协方差矩阵实值化,并提取信号子空间的基作为样本特征进行网络训练,构建了果蝇算法优化下的广义回归神经网络,实现了基于矢量水听器阵列的水下声源的DOA估计.仿真实验结果表明,方法泛化性能较好,能解决输入维数过大的问题,且运行时间短,DOA估计精度高,具有较强的工程应用价值.     

湿端结构极简的低噪声低串扰光纤光栅水听器阵列

由于湿端极简化,光纤光栅水听器系统中普遍存在的偏振诱导信号衰落和随机相位衰落等关键问题仅能采用复合型调制解调手段解决;光纤光栅的双向反射特性会引起传感通道间信号串扰增加等新问题。报道了一种光纤光栅水听器阵列,水下仅采用80个光纤光栅构成64基元水听器阵列。采用相位生成载波与偏振切换调制解调方案,系统本底相位噪声达到■,等效噪声压为36 dB@1 kHz。系统采用低反射率光纤光栅,结合8空分×2波分×8时分复用结构设计,系统的时分、空分和波分通道串扰均稳定在-40 dB以下。该研究为光纤光栅水听器的工程实用化提供了重要的实践探索。     

新型MEMS压电矢量水听器

对一种具有U形槽或双U形槽结构的MEMS压电式矢量水听器进行了仿真分析与优化,采用微机械加工技术研制出水听器芯片,并对芯片进行了封装与性能测试。提出了理论灵敏度和能量综合分析的方法,在考虑杂散电容的情况下,对敏感结构进行了更加精确的优化。从实验结果可以看出,所提出的优化方法比仅考虑理论灵敏度的传统优化方法具有更高的准确度。此外,具有双U形槽结构的矢量水听器的灵敏度比传统的单臂悬臂梁结构的灵敏度高约5.9 dB,并且具有良好的指向性。     

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。     

用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

干涉型光纤水听器PGC解调的参数估计方法

对于干涉型光纤水听器外调制式相位生成载波(PGC)解调方案,光干涉强度和调制深度两个参数的波动会影响解调结果。为了消除影响,本文提出利用椭圆曲线拟合以及频域搜索的参数估计方法。根据理论分析,当调制深度在[0,3.83]区间内两种方法有效,可以适应实际情况中调制深度缓慢且小范围波动的情况。为了分析验证两种方法,本文利用不同类型的待测信号进行了数值仿真,根据仿真结果,在声信号引起的相位较大的情况下,两种方法都能对参数进行正确估计;利用频域搜索的方法适用的动态范围更大;当相关参数缓慢波动时,频域搜索法能正确跟踪估计相关参数。     

基于流固耦合作用的分布反馈式光纤激光水听器

为了解决流固耦合模态使水听器工作频带变窄的问题,理论分析了流体对双膜片结构的分布反馈式光纤激光水听器固有频率的影响,基于有限元软件对水听器加固封装前后在空气中和流体中的模态和频响性能进行仿真分析,加工制作了水听器原型样品并开展了水声实验研究.实验结果表明,在2 500~8 000Hz的频率范围内,未经加固封装的水听器由于在该频段内存在多个流固耦合固有频率造成响应曲线起伏较大,而采取了加固措施封装后的水听器获得了-142.77±0.8dB的平均声压灵敏度,验证了流体对水听器频响性能的影响以及改善措施的有效性,实验结果与理论及仿真结果吻合较好.     

分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵实验研究

为了进一步增大光纤拖曳阵的探测距离,研制了缆径为16mm的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵.阵元在10~2 000Hz频率范围内的平均声压灵敏度为-142.7dB(re 1rad/μPa),波动幅度小于±2dB.基于声光调制器的时分、波分联合复用技术实现了32元光纤激光水听器的多路复用,各个阵元之间以及各个通道之间的串扰均小于-40dB,并完成了静态和动态拖曳湖上实验.实验结果表明,研制的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵无论是在静态,还是在6~16节的动态拖曳状态,都能对目标形成稳定的波束指向,与GPS轨迹记录完全一致,展现了分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵在工程上的应用前景.     

浅海中利用单水听器的声源被动测距

针对浅海声波导中远距离脉冲声源被动测距问题,提出了一种利用单水听器接收信号自相关函数进行warping变换的声源被动测距方法。理想水下声波导中,接收信号warping变换输出的傅里叶变换频谱中具有不变性频率特征,即与声源距离无关的各简正波截止频率;信号自相关函数中不同简正波相干成分也存在不变性频率特征;推导了未知声源距离时特征频率提取值与不变性频率特征之间的近似关系式。这些规律可推广到实际浅海声波导,并用于声源被动测距。利用声场计算模型来提供具有不变性频率特征的频谱,对2011年12月北黄海海域水声实验中单水听器接收的脉冲声数据进行了处理,验证了方法的有效性,测距结果和实际距离符合良好,平均测距误差在10%以内。     

海底表层声场垂直衰减分析

声波在海底中的传播衰减规律是海洋声学中值得研究的课题。根据简正波理论推导了高声速海底表层声场垂直衰减系数的解析表达式,并给出了其理论上限。数值仿真与实验研究表明:对液态海底模型,海底表层声场垂直衰减系数与声波频率基本呈正比;对于特定频率,海水-海底声速比是影响垂直衰减系数的最主要因素,比值越小垂直衰减系数越大;对于斜率较大的楔形海底地形,且声源在深水区、接收点在浅水区的情形,垂直衰减系数会大大小于其理论上限。