水声信号稀疏重构高分辨角度-多普勒成像

针对傅氏空时二维谱估计分辨率低以及声呐空时采样数据样本数不足给角度-多普勒成像带来困难的问题,提出一种水声信号稀疏重构的高分辨角度-多普勒成像方法和抗混响空时滤波器的稀疏重构方法。该方法在声呐阵列单测量向量的极少观测样本条件下,建立阵列信号的空时稀疏表示模型,应用稀疏表示的匹配追踪算法和基追踪算法重构回波与混响的高分辨角度-多普勒像。并根据运动声呐回波与混响的空时分布规律及声呐待检测距离单元位置的先验信息,沿着混响空时分布脊线设计混响稀疏表示的专用空时导向向量字典,通过重构抗混响空时滤波器来抑制角度-多普勒平面的混响干扰。对运动声呐前视和侧视阵列的计算机仿真结果表明,在混响背景中,该方法采用声呐阵列单测量向量重构了低速运动目标多亮点回波的高分辨角度-多普勒像,频率分辨率突破傅里叶分辨率,角度分辨率突破阵列瑞利限,分辨率明显优于傅氏空时谱估计。      

利用起伏界面改善非消声水池中的声功率测量

针对非消声水池的声学测量应用,提出了一种在界面起伏的非消声水池中测量水下声源辐射声功率的方法。基于数值方法分析了在非消声水池中利用起伏界面改善低频声源辐射声功率测量的可行性,进一步在一个尺寸为1.2 m×1.0 m×0.8 m的非消声水池中开展实验研究,测量了水声换能器的辐射声功率。实验表明,相对于界面静止的水池,利用造波装置生成随机起伏界面后,声场扩散性明显改善:(1)水池的Schroeder频率从10015 Hz降低到8370 Hz,辐射声功率的测量范围向低频扩展;(2)结合空间平均技术测得的频响曲线起伏程度减小,与自由场值更接近,辐射声功率的测量结果更为准确。所提方法有助于提高非消声水池中水下目标声学特性的测量能力。     

强混响背景下悬浮目标的时反成像

提出了一种加权宽带全信号子空间时反成像方法,将扩展性目标建模为有限数量个、相互独立的点散射体构成,实现了时反成像在可疑目标区域的全信号子空间和整个宽带的累加。在实验室波导水池中,底部放置圆柱筒制造混响背景,共进行了两个实验,一是扩展性的悬浮目标位于圆柱筒附近,其回波与圆柱筒反射的混响不在同一个时间窗内,二是弱点目标回波与圆柱筒反射的混响重叠于同一个时间窗内,对所提出的方法进行强混响背景下弱悬浮目标的成像能力验证。结果表明,此方法对强混响背景下的弱悬浮目标的成像质量明显优于传统的时反成像方法。      

浅海波导界面对点源振速方向的影响

采用“虚源法”分析计算了浅海波导环境中接收点处点源总振速方向与水平面夹角,侧重讨论确定性界面反射对总振速方向的影响。研究结果表明：总振速方向和接收点与声源的水平距离、两者深度,海底、海面特性以及声速剖面等有关。在等声速均匀浅海波导中,由于确定性界面反射的影响,当直达声掠射角为1°～50°时,合成总振速方向偏离直达声方向达1.5°～10.5°,声速剖面呈负梯度时,偏离程度更甚.     

Waveguide invariance structure for low frequency monostatic bottom reverberation mitigation in shallow water

The stable range-frequency interference structure(waveguide invariance) of the low frequency monostatic bottom reverberation in shallow water is derived theoretically in this paper by using ray-normal mode coherent reverberation model and separable bottom scattering model.And combined the concept of spectral subtraction,a reverberation forecasting and mitigating method based on the waveguide invariance is presented.According to the waveguide invariance,the reverberation intensity for a detecting range can be estimated from the reverberation returns scattered from some other range cells nearby the detecting range with frequency shift.Then the reverberation component for the detecting range in the echo can be canceled mostly by using the estimated reverberation intensity,so as to enhance the echo-to-reverberation ratio and improve the detection capability of the active sonar.Simulations in typical horizontal layered shallow water environment show the stability of waveguide invariance structure in the low frequency monostatic bottom reverberation and the efficiency of the reverberation forecasting and mitigating method based on the waveguide invariance.     

A method for detecting target echo in reverberation based on fractional Fourier transform

A method for detecting the target echo in reverberation was proposed based on fractional Fourier transform theory when the transmitted signal is linear frequency modulation signal. The slow time-varying envelope of reverberation is computed to process reverberation to be stationary. The stationary reverberation is cut into blocks using a sliding window. A narrow-band filter is applied in FrFT domain for each block and the signal is recovered through inverse FrFT. Output of the system is the energy of the recovered signal. When the target echo is included in one of the blocks, the reverberation noise is reduced, and the output is the energy of the target echo. All the simulation and lake experiment results show that the detection performance of the present method is better than that of the matched filter.     

利用水平阵模态域波束形成判别声源深度*

针对近水面声源和水下声源的深度判别问题,根据近水面声源难以激发低阶模态的物理现象,研究利用声源波数谱结构和波数位置的不同来分辨近水面声源和水下声源。通过采用MVDR的谱估计方法进行模态域波束形成,补偿水平阵各阵元之间各号简正波的相位差,获得主瓣窄、旁瓣低的声源信号波数谱。波数谱的波数位置与频率呈近似线性关系,水中声速剖面、海底参数、海深都会影响波数谱的具体结构和位置。此外,声源信号的到达角估计误差同样也会影响波数谱主瓣的位置估计。数值仿真结果表明,在浅海负跃层声速剖面条件下,可利用水平阵模态域波束形成判别声源深度,区分近水面声源和水下声源。     

用于混响中信号检测的空时预白化处理器

提出了一种新型的空时预白化处理器用于抑制混响,它是基于二维自回归模型的。这种处理器将接收到的数据从空间和时间上联合进行处理,进而分离目标回波和混响。这种方法较传统的从空间和时间上分别进行处理的方法能够更有效的抑制混响。通过与传统的一维自回归预白化处理器相比较,使用空时预白化处理器后的检测效果提高了约9~11 dB。      

北极水声学研究的新进展和新动向

北极水声学作为水声学研究的一部分,起步要比达·芬奇所描述的声呐雏形晚很多年。第二次世界大战后北极水声学的研究开始受到发达国家(主要是美国)的重视。它的发展和研究重点带有明显的冷战烙印。冷战结束之后,随着北极持续变暖的趋势,北极及其毗邻海域的海洋水声环境受到特别的重视。环北极的8个国家组成排他性的北极理事会。我国政府于2018年1月26日发表北极政策白皮书,声明中国是近北极国家,是北极地区利益攸关方。本文介绍北极水声学研究的新进展,包括我国有关涉海单位近年来所做的科考和学术研究。指出,北极水声学的研究不局限于把传统水声学中的研究内容(如环境噪声、混响、传播等等)并行地在北极环境条件下加以重复探讨,而是要根据北极海洋环境的实际情况,进行有关领域的新研究。其中不乏传统浅海、深海水声学研究中所不具有的特色,如冰-水界面、冰下的半声道效应、冰盖下水下无人载器(UUV)的通信、定位及声呐对冰下环境的适应性研究等课题。      

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。