高分辨率有源声呐强混响抑制技术研究

有源声呐分辨率的提高可以抑制混响,但也使声呐包络数据的统计分布偏离瑞利分布,而更接近拖尾较重的K分布。强散射体所带来的强混响的幅值一般较大,它们使统计分布拖尾更严重,表征K分布的形状参数也越小。强混响作为目标干扰,严重影响了背景功率估计的准确性,从而降低了目标检测的性能。本文基于模糊统计理论,首先提出了用于抑制强混响的模糊统计归一化处理方法;然后对强混响和模糊统计归一化处理如何影响声呐数据分布和CFAR(Constant false-alarm rate)目标检测性能进行了仿真、研究和分析,最后对基于模糊统计归一化处理的CFAR检测性能和传统CFAR检测性能进行了仿真比较。仿真结果表明强混响目标干扰能使K分布数据的形状参数变小,而模糊统计归一化处理可抑制强混响目标干扰,增大包络数据分布的形状参数,提高形状参数估计性能和CFAR检测性能。      

非均匀混响统计建模与功率估计

针对非均匀混响中进行恒虚警(CFAR)检测所需的背景功率估计问题,通过对非均匀混响进行统计建模分析,提出一种非均匀混响功率自适应估计方法。所提方法基于排序统计、功率分类等处理,对混响数据服从的统计模型进行判别,根据均匀混响、参杂强干扰混响、混响边缘等具有不同特性的混响成分,选择不同的处理方式进行功率估计。进一步将所提出的混响功率估计方法应用于CFAR检测中,获得一种新的CFAR检测器。仿真和实测混响数据的处理结果表明,提出的混响功率估计方法可以对强干扰和混响边缘等非均匀混响背景进行有效判别和功率估计,提出的CFAR检测器有效提高了非均匀混响背景中的目标检测性能。      

噪声修正的混响反演海底反射系数幅值参数

利用一种噪声修正方法解决低混噪比条件下混响数据反演海底反射系数幅值参数偏差的问题。将全波动混响理论中的混响非相干平均强度,叠加海洋环境噪声平均强度,获得包含噪声的混响平均强度理论,分析背景噪声平均强度对反演海底反射系数幅值参数的影响。数值仿真表明,背景噪声平均强度的叠加使得混响平均强度衰减趋势减缓,导致海底反射系数幅值参数反演结果偏小,混响噪声比越低,影响越明显。提出一种噪声平均强度相减的修正方法,对混响噪声比为[0,6] dB的混响平均强度数据进行修正,利用修正后的混响数据反演得到偏差较小的海底反射系数幅值参数。对比浅海混响实验数据衰减至不同混噪比时反演所得海底反射系数幅值参数,以及经噪声修正后的反演结果,验证了本文提出方法的可行性。      

浅海海底反射系数幅值参数的反演

理论分析了一种通过混响强度衰减特性获取海底反射系数的幅值参数的方法.将海底反射系数的幅值参数和相位参数引入到全波动混响模型中,为海底反射系数的反演提供理论基础。理论分析和数值仿真表明,在小掠射角条件下,利用混响强度衰减特性反演海底反射系数幅值参数的可行性和准确性。该反演方法只需要输入4个变量:本地混响强度的衰减特性,反射系数的相位参数,海深以及海深处的声速,同时要求混响数据具有一定的混响噪声比(大于6 dB)才能够使反演结果准确可信。根据本地静态混响实验数据成功反演得到海底反射系数的幅值参数.      

水下爆炸声源辅助声呐系统的目标定位和参数估计

系统阐述了利用水下爆炸声源作为发射声源,辅助声呐系统实现水下目标定位和目标方位、距离参数估计的方法。研究了目标散射信号的窄波束混响模型,以及混响背景下的目标方位参数的估计方法。对目标参数估计误差进行研究,证明方位参数、距离参数的估计误差近似满足高斯分布,并推导了距离参数估计误差方差的表达式。利用仿真实验对目标距离参数估计误差及其标准差进行研究,得出了一系列提高距离参数估计精度的措施。仿真和湖试数据处理结果显示,在存在一定爆炸声源距离误差的条件下,本文方法可实现对远距离水下目标的准确定位。      

非瑞利海洋混响抑制技术研究

随着主动声呐距离及角度分辨率的提高,海洋混响包络概率密度函数不再是瑞利分布,而是函数分布后端较瑞利分布具有严重拖尾性的非瑞利分布。但非瑞利分布模型的概率密度函数复杂,参数估计困难。通过对非瑞利分布混响进行恒虚警率检测处理,将严重拖尾部分数据值衰减为背景均值,从而将非瑞利分布混响信号转化为近似瑞利分布。由于去掉了对背景功率估计影响较重的干扰,并基于瑞利分布模型进行目标检测,本文目标检测方法具有较好的鲁棒性和计算简单等优点。文中对一组高分辨率声呐数据进行了恒虚警率检测,结果验证了方法的有效性。      

浅海平均混响强度的数值模拟

海中混响是回声探测的严重干扰。利用本文给出的混响模型可较快地计算分层海洋中平均混响强度的衰减规律及深度结构。 对于近程混响,由于海水非均匀性的影响较小,使用均匀层的射线方法计算。对于远程混响,使用简正波方法计算,它保持了平滑平均后的深度结构。在中等距离上两者能很好地衔接起来,由于考虑了复本征值对简正波入射场的影响,提高了计算精度,通过比较不同散射模型对混响强度计算的影响,提出以分离型二元散射模型作为混响数值模拟的基础,使能由界面反向散射系数估算二元后向散射系数,并大大简化混响强度的数值计算。     

字典奇异值分解加权压缩感知多径信号参数估计

为提高水声信道多径参数估计的分辨率,提出了一种基于字典奇异值分解的加权压缩感知算法。对于有源声呐,根据发射信号构造字典,对字典进行奇异值分解,利用大特征值对应的特征向量构造信号子空间,然后使用信号子空间对接收信号进行滤波。对滤波结果进行加权压缩感知参数估计,得出最终时延估计结果。仿真实验表明,所提方法能够对水声多径参数进行超分辨估计,适用于任何脉冲信号。湖试处理结果显示,混响背景下该方法也有较好的多径参数估计性能,能够降低接收数据的噪声成分,提高对水声信道的多径时延、个数和幅度的估计精度。      

改进次最佳检测在侧扫声呐底混响抑制中的应用*

侧扫声呐进行沉底小目标探测时,底混响是主要背景干扰。底混响通常是一种非平稳、非高斯的带限噪声,它使得白噪声条件下的滤波器性能受到限制。在混响背景下常利用自回归模型对接收信号进预行白化处理,但对于实际侧扫声呐应用,白化后直接匹配滤波的处理效果不甚理想。针对此问题,在自回归模型预白化的基础上,提出采用一种次最佳检测与多分辨二分奇异值分解相结合的改进方法。该方法首先对接收信号进行分段处理,利用改进Burg算法估计每段数据自回归模型的系数及阶数;然后构造白化滤波器对分段数据预白化,并对白化后的数据进行多分辨二分奇异值分解;最后应用ostu方法对原始声图和处理后的声图进行目标检测。仿真与实验结果表明,该方法明显提高了信混比,改善了侧扫声呐沉底静态小目标的成图质量,有利于后期实现基于图像的目标自动检测。     

基于分数阶傅里叶变换混响抑制的目标回波检测方法

提出了一种声呐发射信号为线性调频信号时,基于分数阶傅里叶变换混响抑制的目标回波信号检测方法。通过计算混响的缓慢时变包络,对混响进行时间域的平稳化处理。对平稳化的混响信号滑动窗截取,对截取信号进行分数阶傅里叶变换,然后在分数阶傅里叶域进行滤波处理,再进行逆分数阶傅里叶变换恢复出时间域信号,最后输出该信号的能量。当滑动窗截取到目标回波信号时,窗内的混响噪声得到抑制,系统输出目标回波的能量,从而实现混响背景下的信号检测。通过计算机仿真和湖试实验结果,表明所提方法可以准确的在混响背景下检测到目标回波信号,并且在混响噪声背景条件下相比于匹配滤波器具有更好的检测性能。      

非高斯环境下的深度学习脉冲信号去噪与重构*

侧扫声呐进行沉底小目标探测时,底混响是主要背景干扰。底混响通常是一种非平稳、非高斯的带限噪声,它使得白噪声条件下的滤波器性能受到限制。在混响背景下常利用自回归模型对接收信号进预行白化处理,但对于实际侧扫声呐应用,白化后直接匹配滤波的处理效果不甚理想。针对此问题,在自回归模型预白化的基础上,提出采用一种次最佳检测与多分辨二分奇异值分解相结合的改进方法。该方法首先对接收信号进行分段处理,利用改进Burg算法估计每段数据自回归模型的系数及阶数;然后构造白化滤波器对分段数据预白化,并对白化后的数据进行多分辨二分奇异值分解;最后应用ostu方法对原始声图和处理后的声图进行目标检测。仿真与实验结果表明,该方法明显提高了信混比,改善了侧扫声呐沉底静态小目标的成图质量,有利于后期实现基于图像的目标自动检测。     

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。      

相继脉冲混响中非相关成分的分析及其抑制

沉底目标探测实验时,相继脉冲混响之间存在非相关成分。结合混响时-频谱图分析,给出了引起相继脉冲混响之间非相关成分的影响因素。根据概率论中的大数定律,采用了一种相继脉冲混响积累抵消的方法以对非相关成分进行抑制。通过对实验数据的分析结果表明,所用方法可以抑制混响之间的非相关成分,使时-频谱图中混响背景变的更加均匀,有利于目标信号的检测。     

源搅拌对混响室场均匀性的改善

 研究了在短脉冲波激励下,源搅拌方法对混响室内场分布的影响效果。分析了混响室内场分布特征的影响因素,得到了影响源搅拌的相关参量。研究改变激励源的位置对腔体内场分布的影响效果,主要对比了电场的最大值、分布标准差等电场统计特征。结果表明：通过连续地移动激励源对场分布进行搅拌,混响室内的电场最大值可以达到约6.7 kV/m,而且场值的空间分布标准差降至3 dB以下,能量分布也更加均衡。因此,采用源搅拌方法可以有效地改善腔内的场分布,提高场分布的均匀性,有利于构造均匀的电磁场环境。     

深海本地界面混响平均强度模型与规律分析

为揭示深海多途传播效应及界面参数对本地界面混响强度的影响规律,将界面混响表述为不同多途混响衰落过程的非相干叠加结果,并结合界面散射的若干物理机制,建立了以海面海底物理参数为变量的混响强度模型.通过数值仿真和理论分析研究了不同多途混响强度的衰落特性、到达角的空间分布及部分物理参数对混响强度的影响,并利用南海海盆(典型泥质海底)实验数据对模型有效性进行验证.仿真结果表明,界面混响强度随时间变化呈现多峰结构,峰值时间与多途混响的到达时间分布一致。声源与接收器均位于近海面处时,首峰的峰值强度及其衰落过程由海面风速决定,其它峰的峰值强度由海面海底参数共同决定,但其衰落过程主要受到底质参数的影响.      

均匀浅海远程平均混响强度

本文假设均匀浅海的混响主要是海底混响,在海底散射为均匀散射和兰贝特散射两种情况下用简正波方法分别计算了无指向性和有指向性发射、接收时的远程平均混响强度,并作了比较。     

浅海混响建模的声束跟踪理论

研究建立了基于声束跟踪理论的浅海混响强度计算方法和混响时间序列仿真方法。给出了混响强度计算的简要理论推导,并进行了模型计算值与实验值的比较。建立了一种混响时间序列仿真模型,给出了其实现框架和方法。结合实验数据与文献研究结果,进行了混响序列相关特性的检验与分析。结果表明:建立的混响强度计算模型能很好地进行浅海混响强度的预报,混响序列仿真模型能仿真具有不同包络分布的混响序列,且其相关特性符合实验与文献研究结果。      

差分传声器阵列期望最大化多声源方位估计方法

针对小尺寸传声器阵列多声源方位估计易受混响噪声影响的问题,提出了一种适用于差分传声器阵列的期望最大化多声源方位估计方法。首先,该方法利用期望最大化算法求解出各个时频点瞬时方位估计所应满足的高斯混合模型参数;然后,通过时频点分离技术估计出各声源的方位值。针对现有的硬、软时频点分离技术应用于差分传声器阵列所存在的缺陷,还提出了一种改进的时频点分离方法,该方法融合了软、硬分离方法所具有的优点,有效降低了时频点分离结果对混响噪声的敏感性。仿真和实测实验结果表明:相较于现有的差分传声器阵列多声源估计方法,所提方法在混响噪声环境下具有更高的估计精度和稳健性能。      

2005黄海实验混响垂直相关统计反演海底参数

处理并分析了2005黄海混响实验数据.在单层海底假设下利用300～800 Hz频段混响垂直相关数据反演了海底参数,并分析了参数反演结果的不确定性.结果发现:单频独立反演的声速值随频率增加而减小.类似的结果以前也有报道,导致难以有效地确定海底的平均声速.为了解决这一问题,本文假设海底具有两层分层结构,并提出了一种基于遗传算法的多频联合海底参数反演方法.同一海域声传播数据的简正波分离结果以及混响垂直相干实验值与基于反演参数计算的理论值吻合良好,验证了分层海底假设及参数反演结果的有效性.     

双基地冰-水界面混响强度的理论预报

针对北极冰层冰水界面具有小尺度粗糙界面的情况,给出由冰层造成的混响平均强度的理论预报公式。首先将北极冰层等效为具有粗糙界面的弹性介质,并且采用小粗糙度微扰理论在精细拟合粗糙度谱的基础上,建立粗糙冰层的三维散射强度模型,然后建立三维双基地声呐几何模型确定有效散射区域,最后给出双基地冰下混响平均强度的估算公式,并在所拟合的粗糙度谱的情况下,利用该预报公式计算双基地声呐配置参数和海冰物理及声学特性对冰下混响强度的影响算例。数值仿真表明该公式能够估算出北极冰下双基地声呐产生的混响平均强度,并且分析出了时延、基线长度等声呐配置参数和冰层声速比、密度比等海冰物理参数会对混响强度造成的影响。声呐的配置参数主要影响散射的有效面积,海冰的物理参数则影响着冰层的散射强度。其中,冰层声速比不仅影响混响强度的大小,还会影响混响强度随时间的衰减速度。