深海会聚区声场多途时延差分析及声源距离估计*

深海会聚区声道由于具有传播距离远、传播损失低等优势,对实现声呐远程探测具有十分重要的意义。本文基于虚源理论推导了深海会聚区的多途到达时延结构,给出了会聚区内不同声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海会聚区近海面声源距离的方法,仿真实验验证了该方法原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在42km~52 km时,会聚区爆炸声源距离估计结果同实际爆炸距离吻合较好,估计误差为0.6%~6.1％,验证了该方法的有效性。     

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。     

深海声影区稀疏时延估计与声源测距

研究了深海声影区中经一次海底反射的多途声线到达垂直双水听器的时延差与声源位置的关系,提出了一种稀疏时延估计与声源测距方法。首先利用近海面布放的短间距垂直双水听器接收一定频带的声信号,然后计算接收信号的广义互相关函数,并利用频谱搬移和稀疏解卷积技术提取时延差,最后通过时延差匹配,估计水下声源的距离。仿真实验表明,在4300 m深海中,所提方法能够正确提取多途到达时延差,估计声影区内的声源距离。海试结果表明,当垂直接收孔径分别为21 m和30 m时,声源测距误差分别小于13.6%和8.1%。上述结果表明,所提出的时延估计方法可适应带宽较窄的接收信号,多途到达时延估计参数可用于实现声影区中的水下声源测距。     

海底反射时延广义Radon变换的无源定位

针对无源声呐目标定位问题,提出了一种基于广义Radon变换的目标参数估计方法。首先,基于深海直达声区推导了直达声与海底第一次反射声的到达时间差与目标运动参数的数学模型;其次,通过求解自相关函数得到目标的多途时延历程(MTDTR);在此基础上引入广义Radon变换的思想,联合两个水听器实现了水面匀速直航目标的航向角、速度、目标相对于水听器的初距和初始方位角估计。利用仿真数据和实验数据验证了该方法具有良好的参数估计性能。三亚东南部海域实验结果表明,通过两个锚系在深海海底附近的声压水听器对水面目标进行定位,可以实现在12.71 km范围内,测距误差小于0.29 km,相对误差小于3%的定位精度。     

利用多途时延的被动目标定位方法

本文研究了在海洋波导环境中利用多途时延信息进行水下目标被动定位的方法。理论分析了在等声速理想海洋波导环境中,多途时延信息随时间变化的规律及其与目标运动状态之间的联系。分析结果表明,不需要已知声线类型而仅利用多途时延信息即可实现浅海波导环境中水下目标的被动定位。利用多途时延信息,当有两条声线到达时可以估计运动目标的归一化径向速度;当有三条声线到达时,可实现水下运动目标距离、径向速度的估计。最后利用仿真和实验数据对上述结论进行了验证。     

深海海底反射会聚区声传播特性

在深海声道条件下,海水折射效应会使得声场出现会聚效应;在不完全声道条件下,深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据,研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象,在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成,并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构,在60 km范围内存在两个海底反射会聚区,会聚区增益可达10 dB以上,同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时,第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内,随着接收深度的增加,声线到达结构趋于复杂,多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.     

深海海底反射区声场的相干结构及其有源声呐估距

有源声呐在探测深海海底反射区的目标时,由于声线大掠射角弯曲且声速沿声线传播路径不断变化,造成了常规估距方法产生较大的误差。有效声速法是减小常规估距方法误差的有效途径,但由于需要预先计算空间每一位置点的\     

深海声影区时频谱干涉结构与声源定位*

被动声呐探测位于深海声影区的水面舰船辐射噪声时,接收信噪比通常较低,导致声源被动定位方法的性能较差。针对这一问题,提出一种利用接收信号时频谱干涉结构的声源距离和径向速度联合估计方法。首先根据射线声学理论,建立时频谱沿频率轴和时间轴的干涉条纹周期与声源距离和径向速度的关系,然后对接收信号时频谱进行二维傅里叶变换和多频带处理以估计上述干涉条纹周期,最后解算声源距离和径向速度。仿真和海试数据处理结果表明,相比于现有利用接收信号自相关的声源距离估计方法,该文利用时频谱二维傅里叶变换的声源定位方法具有较好的稳健性,比较适用于低信噪比条件下的声源被动定位。     

水下垂向运动目标的海底多基站声定位方法及精度分析

针对水下垂向运动目标具有瞬变运动特性、难以对其轨迹进行高精度和高帧率测量的问题,提出一种有水声信标的海底多基站声定位模型,基于高斯-牛顿法给出求解算法,证明了算法满足局部线性收敛条件。数值仿真和精度分析表明,基站站址误差、声速误差和信号时延估计误差通过测量斜距传播到目标位置参数,误差传播过程受接收基阵几何构型、目标相对位置及水声学约束条件等因素影响。在多个海底基站共面条件下,补充海面基站可改进垂向测量能力。利用该方法对全区域进行精度估计,获取了定位性能在空间分布上的细节特征。以水平范围1 km×1 km、水深60 m的海区计算,对于由13个海底基站和1个海面基站构成的14元测量阵,目标运动深度范围为35~60 m,在x,y,z三个方向的均方根误差(RMSE)平均值分别为0.30 m,1.47 m,0.34 m。本文工作为水下垂向运动目标定位提供了一种技术途径,可为测量系统的论证设计提供参考。     

中华白海豚和东亚窄脊江豚回声定位信号分析与比较

为了增进珍稀齿鲸物种的了解和保护,对中华白海豚(Sousa chinensis)和东亚窄脊江豚(Neophocaena asiaeorientalis sunmeri)的回声定位信号特性进行了分析和比较。通过船只观测与声学监听的方式对厦门海域中华白海豚和东亚窄脊江豚的回声定位信号进行了调查,并对其声学参数进行了统计和对比。结果表明:中华白海豚回声定位信号具有持续时间短、高频、宽频带的特征;相较而言,东亚窄脊江豚则呈现时长较长、高频、窄频带的特点;声学参数统计上,两者在持续时间、中心频率、-10 dB带宽等指标上具有明显的差异性。