利用宽带声场频率-掠射角干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法

针对典型深海环境中宽带声源的深度分辨问题,通过研究深海声场随频率起伏的干涉结构与垂直线阵频域波束输出图中的干涉结构,给出一种直达声区内可区分多水下目标的宽带声源深度估计方法。该方法以近水面目标的射线声场模型为基础,推导出近海面宽带声源接收声场的波束输出表达式,阐明了频域波束输出图中干涉结构与声源深度的对应关系。然后利用改进的傅里叶变换方法将二维频域波束输出图映射到声源深度-掠射角度域,可实现声源深度信息的有效分离。最后开展了深海实验验证,利用垂直阵接收拖曳声源发射的宽带白噪声信号,拖曳声源深度计算结果与实测声源深度基本一致。数值仿真与实验结果均表明该方法可以在多目标复杂环境下准确估计出水下宽带声源的深度。     

利用海底弹射区角度-距离干涉结构特征实现声源深度估计

被动声呐探测位于深海海底弹射区的声源时空时采样能力有限,且声呐接收信噪比较低,导致声源深度估计方法性能较差.针对这一问题,本文基于射线模型推导了干涉结构峰值条纹关于声源位置的理论表达式,提出一种基于角度-距离干涉结构峰值特性的声源深度估计方法,该方法包括利用峰值条纹起伏特性估计声源深度和干涉结构重构两个部分.在低信噪比条件下,被噪声淹没的峰值条纹会重现于重构后的干涉结构,使得声源深度估计方法可以适用于海底弹射区的低信噪比环境.该方法同时结合阵列空时累积增益和干涉结构的图像低秩特性.通过典型深海波导蒙特卡罗仿真实验验证,该方法可在低信噪比条件下对海底弹射区声源的深度进行较为准确的估计.     

利用阵不变量的浅海宽带声源距离深度估计方法

现有阵不变量方法未能确定声源深度,且通常对远距离声源的测距误差较大。针对这一问题,提出一种利用阵不变量的宽带声源距离深度估计方法。该方法先对宽带接收信号进行频域波束形成和傅里叶逆变换,转换到波束-时间域以实现模态分离,波束-时间域各峰值位置的连线形成波束时间迁移曲线,曲线形状由阵不变量参数决定且与声源距离相关,曲线上能量分布由各阶模态激励决定且与声源深度有关;再沿波束时间迁移曲线提取波束时间强度并进行匹配处理,最终实现声源距离深度估计。SWellEx-96实验数据处理结果表明,本文所提方法的声源距离和深度估计平均相对误差分别为3.9%和3.4%,而常规阵不变量方法的平均相对测距误差为5.1%,验证了所提方法的优越性能。     

利用深海海底声反射区频域干涉结构的声源深度估计方法

提出了一种基于深海海底声反射区声场频域干涉结构特征的水下宽带近海面声源深度估计方法。该方法通过建立深海海底声反射区到达声场结构模型,推导了垂直阵接收信号波束输出幅度谱的近似表达式,利用幅度谱与声源深度和垂直到达角(俯仰角)之间的周期变化关系,将接收信号映射到深度-垂直到达角域中,实现了对宽带声源的深度估计。仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性,南海实验结果表明:利用阵长为64 m的垂直短阵接收标定深度为50 m和100 m的双弹信号,得到的深度估计结果同实际声源深度吻合较好,估计误差不超过7%,验证了该方法的有效性。     

浅水近距离测量声场的干涉结构分析

为指导浅水中水平距离在十倍水深范围内进行的近距离声学测量工作,选取对软底浅水声场产生主要贡献的直达声线和一次水面反射声线,经过合理的近似处理,以射线解析方式给出了中低频信号声场干涉结构的表达式,并将表达式由单频信号推广到宽带信号和线性调频等信号形式。所得到的解析关系式定量给出了浅水中声场干涉结构与信号频率、信号带宽、设备布放深度和水平距离等参数的关系,由此进一步得到浅水条件下中近距离干涉声场的一些特性和规律。通过数值模拟和实际试验数据对上述关系式所进行的检验表明:在浅水的常规测量试验条件下,这些关系式可以较为准确地反映近距离干涉声场的起伏特征,由关系式推论得到的声场特性和规律也得到了初步验证。     

利用宽带引导声源重构拷贝声场的目标声源定位

为了避开传统的匹配场目标定位技术对环境先验知识的依赖性,提出了在均匀浅海环境中只知道少量环境参数的情况下,利用垂直接收阵和不同距离上的两枚宽带引导声源重构声场对目标声源进行定位的一种方法。这种方法主要基于简正波估计和声场重构两种关键技术,同时省去了匹配场定位技术中大量的拷贝声场计算。数值仿真主要采用线性Bartlett匹配处理器分析了目标定位效果,在信噪比高于10 d B的情况下,定位效果良好。     

基于时空滤波理论的低频声场干涉结构研究

基于时空滤波理论, 采用相干函数、功率响应函数、扩展分布函数、双频函数四个系统函数较波导不变量更全面地描述了低频声场的相干结构. 理论分析、仿真研究和海试数据处理都验证了低频声场存在稳定的干涉结构, 当目标由远及近、又由近及远做匀速直线运动时, 相干函数(LOFAR图)的干涉结构为一簇类双曲线; 功率响应函数的干涉图表征了简正波群时延的差分, 体现了其频散特性; 扩展分布函数能反映LOFAR图上干涉条纹的斜率大小; 而双频函数能体现相慢度的差分. 各个系统函数均能特别突出干涉结构的某方面的特征, 各有特色.     

浅海矢量声场干涉结构形成机理及试验研究

浅海低频声场的微观结构特征在于具有可用波导不变量表征的 稳定空间-频率干涉结构.声场兼具标量场和矢量场, 波导条件下二者联合决定声场的全部特性. 本文研究浅海声场空频干涉结构的矢量场特征. 理论分析了声压谱、动能密度谱、声强流谱等矢量场干涉结构的形成机理, 探讨了矢量场干涉结构的波导不变量表征, 数值仿真研究了Pekeris波导中能量和能流密度的干涉特性, 进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性及表征的海上试验.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明: 中近程和中远程声场均能模态相干, 有稳定的空频干涉结构, 并且矢量声场空频干涉结构存在多种形式, 除各种能量和能流密度谱图外, 相干系数谱也呈现干涉特征, 这些形式的空频干涉结构均可用波导不变量理论有效表征. 关键词： 矢量声场 干涉结构 波导不变量 浅海低频声场     

水下声学滑翔机用于东印度洋声传播特性分析及声源估计

常规实验方法无法同步获取深海大尺度声学和水文数据,水下滑翔机可作为同步观测平台解决该问题.首先利用在东印度洋北部海域水下滑翔机同步获取的声传播和水文实验数据,分析了水下滑翔机的自噪声谱级和实验海区声传播特性,然后推算并修正了滑翔机水下运动轨迹,利用第一影区水下滑翔机接收声传播信号的脉冲多途到达时间差对声源进行测距与定深。潜标接收噪声与滑翔机自噪声谱级对比表明,水下滑翔机在海洋中无动力运动时的系统自噪声接近于潜标观测的海洋环境噪声。滑翔机实测的声传播损失与模型计算结果吻合较好,第一影区水下声源测距定深结果与实际位置较为一致,测距与定深的相对误差均小于5%。利用加载水听器的水下滑翔机可以实现水文环境数据与声学信号的同步观测,对深海声传播特性测量及定位算法研究具有重要意义。     

运动目标辐射声场干涉结构映射域特征研究

浅海低频声场呈稳定而显著的干涉特征,并蕴含声源状态和波导特性等信息.本文研究运动目标辐射声场干涉结构的简化映射以及映射域能量分布对目标运动状态的指示特征.理论分析了声压场和矢量声场空(时)频干涉谱图的二维傅里叶变换映射特征,推导了匀速运动目标时频干涉谱图映射域能量脊斜率与波导不变量以及距变率、航向角的关系式,证明了映射域脊斜率符号、脊斜率绝对值变化等对目标来袭或远离以及目标威胁程度的指示,并进行了数值仿真和海上试验研究.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性.研究结果表明:二维傅里叶变换可将声压场和矢量场时(空)频谱图干涉结构简化,匀速运动目标辐射声场干涉结构映射域的能谱脊斜率、距变率、航向角与波导不变量有解析关系式,声强谱、动能密度谱、声强流谱等声场干涉结构经映射后更为一致,映射域脊能简明的指示目标运动状态和威胁程度.     

海面干涉对船舶水下辐射噪声测量的影响及其消减方法

针对海面干涉对船舶辐射噪声测量的影响,进而导致声源级测量不准确的问题,文章给出了利用时间平均、深度平均、1/3倍频程谱级3种数据处理方法减弱海面干涉的影响,通过模型仿真验证了以上方法的有效性。根据船舶水下辐射噪声测量的国际标准,在浅海测量了某新型科考船不同航速下的水下辐射噪声,并采用前述方法进行了数据处理与分析。计算了不同航速下被测船舶辐射噪声1/3倍频程频带声压级,并与挪威船级社发布的辐射噪声衡准值进行了对比。结果表明被测船舶噪声低频控制较好,高频控制较差,高航速(13 kn)被测船舶的2 kHz以上辐射噪声大于衡准值。     

超材料型周期管路声传播特性及低频宽带控制

船舶管路系统噪声的低频宽带控制是船舶设计和制造中亟待解决的关键问题之一。将超材料理论引入船舶管路系统的结构设计,构造了具有低频声波带隙的一维周期管路结构,并给出了周期管路声波带隙和声波透射系数的计算方法。计算结果表明,该周期管路同时存在声波布拉格带隙和局域共振带隙。在这两种带隙频率范围内,声波在系统中的传播将被衰减抑制。进一步发现,布拉格和局域共振带隙在一定条件会发生耦合,出现带隙耦合展宽现象,且两种带隙存在精确耦合条件。利用带隙耦合的展宽效应和低频设计,可实现声波在低频范围内的传播操控,从而达到船舶管路系统低频噪声宽带控制的目的。     

分别在运动和静止镜面上反射的电磁波包干涉现象的基础理论分析

本文讨论了分别在运动和静止镜面上反射的相干电磁波包的干涉现象,运动镜面反射所导致的多普 勒效应会出现在这种干涉现象之中.本文按照经典电动力学边值问题,特别是运动界面边值问题的观念和方法,为 这种干涉现象提供了一个理论描述,分析和讨论了这种干涉现象的特点,并给出了一个确定运动镜面 速度的解析表达式.文章最后指出,还有许多与本文内容紧密相联的重要而有趣的问题有待进一步研究和讨论.     

利用共振无源腔分析和抑制飞秒脉冲激光噪声的理论和实验研究

理论分析了共振无源腔对飞秒脉冲激光的强度和相位噪声的转化模型,分析表明,通过测量无源腔透射场或者反射场相对于输入场强度噪声的变化,可以间接得到输入场飞秒脉冲激光的相位噪声.在此基础上设计了精细度约为1500、自由光谱区为75 MHz的八镜环形共振无源腔,并测量了钛宝石锁模激光经过该共振无源腔后透射场和反射场强度噪声的变化.实验观察到,飞秒脉冲激光经过无源腔透射后,强度噪声特性得到较好改善,在探测频率2 MHz附近达到散粒噪声极限.同时,结合共振无源腔对激光强度和相位噪声的转化模型,间接给出了钛宝石锁模激光的相位噪声及无源腔对相位噪声的有效抑制作用.     

多重分形降趋波动分析法和移动平均法的分形谱算法对比分析

多重分形降趋波动分析法(MFDFA)和多重分形降趋移动平均法(MFDMA)是用来估算一维随机分形信号多重分形谱的两种算法, 已被拓展应用于二维和高维分形信号的分析. 本文简要介绍了MFDFA和MFDMA算法及其在一维时间序列中的应用. 首次系统地从算法模型、计算统计精度、样本量的敏感性、无标度区选取的敏感性、矩选择的敏感性和计算量这六个方面对两种算法进行了对比分析, 以典型多重分形信号BMC信号为例, 分析两种算法的适用性和优劣性. 为实际应用中, 针对具体信号如何选用MFDFA或MFDMA算法, 以及两种算法的参数设置提供了有价值的参考.     

逼近积分点数下限的五阶容积卡尔曼滤波定轨算法

为了在保持滤波定轨精度不变的条件下提高定轨计算的实时性,提出一种新的逼近积分点个数下限的五阶容积卡尔曼滤波定轨算法.首先,采用一种数值容积准则对非线性函数的高斯加权积分进行近似,该准则所需的积分点个数仅比五阶代数精度容积准则积分点个数的理论下限多一个积分点,并在贝叶斯滤波算法框架下推导出本文算法的更新步骤.然后,给出实时定轨所需的状态方程和量测方程,在状态方程中考虑了J2项引力摄动和大气阻力摄动,在量测方程中利用坐标系转换推导了轨道状态与测量元素之间的非线性关系.仿真实验结果表明,本文所提算法在定轨精度方面与已有的五阶滤波算法相当,但所需的积分点个数最少,计算实时性最高,从而验证了本文算法的有效性.     

Application of multi-channel spectral analysis to identify the source of a noise amplitude modulation in a diesel engine operating at idle

We are interested in the low frequency amplitude modulation of the noise generated by an engine operating at idle. This phenomenon, perceived inside the car, is particularly annoying. Modulated vibrations are transmitted to the frame mainly by one of the three engine mounts. The combustion is the first potential source to be inspected, but pragmatic observations on consecutive measurements show that it is not the cause of the amplitude modulation. Spectral analysis tools are applied on multi-channel measurements to identify the source of the phenomenon. A sensor is placed on each potential noise and vibration source. A virtual source analysis show that several uncorrelated sources are contributing to the operating response, particularly on frequencies for which a high amplitude modulation is observed. The computation of residual spectra obtained by means of conditioned spectral analysis proves that the diesel pump is involved in the amplitude modulation. Experiments are carried out to validate this diagnosis. Added masses appropriately placed on the injection circuit strongly attenuate the phenomenon.