南中国海“G-Argo”声学浮标目标探测能力分析*

“G-Argo” 水下声学浮标作为一种新型的无动力无人移动观测平台,具备对海上目标广域、长时、隐蔽探测功能,是“透明海洋”工程立体观测系统的重要组成部分。本文通过在现有海洋环境观测浮标平台基础上,进行声学系统电磁兼容性优化设计,减小浮标平台对声学系统的电磁干扰,研制出具有目标探测能力的“G-Argo”水下声学浮标平台。并于2018年5月,在南海海区组织了多台水下声学浮标探测性能验证试验,试验结果表明,深海良好水文条件下,“G-Argo”水下声学浮标对航速10kn的配合试验船目标最远探测距离大于11km,对航速6.4kn的工程船目标最远探测距离大于42.8km,对航速12kn的集装箱船目标最远探测距离大于15.8km,对航速14.5kn的集装箱船目标最远探测距离大于24km。     

水下噪声及信号的遥测浮标

本遥测浮标设计的主要特点在于采用了数字自动增益控制技术,还用了模拟-频移键控混合的信号传输方式(DAGC/FSK/PM.),以保证得到大动态范围压缩,保持水声信号波形的线性输出.同时,由浮标内设FSK标准信号对传输信号作绝对校准,直接测得声压绝对级. 浮标具有多种遥测水下信号的功能,可测海洋环境噪声、舰船辐射噪声,水下连续声波以及爆炸声源等形式的信号,并兼作水声-无线电应答测距.经多次在内陆水库、北海、东海、南海海上测试,效果良好.证明是一种海上测量的适用且经济的设备.     

基于水下滑翔机的海洋环境噪声测量系统*

水下滑翔机是一种新型的水下潜器,将其用于海洋环境噪声测量具有很大的应用潜力。选择的平台是“Petrel II”滑翔机,为其设计和实现了深水水听器和数据采集系统。深水水听器具有耐高静水压和高灵敏度的特点,并通过了60MPa的高静水压力试验;数据采集系统具有体积小、功耗低、控制灵活和易于扩展的特点。搭载声学测量系统的滑翔机顺利通过水池测试和海上试验,测试结果验证了技术方案的可行性和系统工作的稳定性,可为深入进行海洋环境噪声时空特性实验研究提供技术支持。     

确定峰度非高斯海洋环境噪声模型研究

针对非高斯海洋环境噪声仿真问题,利用对衰减正弦信号均匀采样方法,产生了具有特定谱特性同时具有特定峰度值的非高斯海洋环境噪声序列。在理论仿真条件下,通过对低峰度值和高峰度值的分别讨论发现,当峰度值高于3.0时总可以仿真得到较好的结果,而当峰度值低于3.0时,需通过降采样或降阶的方法解决不能仿真的问题。4种海上试验条件下的仿真结果表明,在安静环境、单一航船干扰环境、气枪声源干扰环境以及冲击性干扰环境下,都可以产生与目标谱特性、统计特性几乎相同的非高斯海洋环境噪声序列。     

海洋环境噪声研究发展概述及应用前景

海洋环境噪声是海洋声场的背景场,通常被当作干扰项。在传统的水声学和海洋声学中,对海洋环境噪声的研究目的大多是为了降低或抑制环境噪声对水下设备的干扰,提高水下设备的性能和作用距离。目前,许多国家纷纷投入力量,开展海洋环境噪声数据获取、分析及噪声场建模工作。从另一个角度考虑,海洋环境噪声是海洋中永恒存在的声场,包含了水体及海底海面等环境特性信息。因此,可利用海洋环境噪声来研究海洋环境物理特性,通过低代价换取丰富的海洋声学信息。若能对海洋环境噪声的宽频带和任意时间存在的特性加以利用,则可以从海洋环境噪声中提取出相关的海洋环境参数。     

南海北部海洋环境噪声谱级空间差异性分析

为研究中国近海海洋环境噪声的空间差异性,揭示其形成原因,以同一海域同一季节两个测量站位的长期观测数据为研究对象,对比两个站位噪声谱级的差异.结合海洋信道和噪声源特性的影响,分析港口强噪声源到噪声采集站位的传播损失,发现在50~500 Hz频段传播损失差值和噪声谱级差值呈现较强相关性;对港口航船噪声源级的分析发现,该频段内源级相差20 dB左右,与休渔期前后航船密度差异相对应。试验分析和研究结果表明,南海北部海域50~500 Hz频段内海洋环境噪声与航船噪声源密切相关,两站位噪声空间差异由海区传播条件差异与航船噪声源级差异共同引起。     

海洋环境噪声中的α稳定分布模型

针对海洋环境噪声的非高斯特性,将α稳定分布模型应用到噪声统计建模中。基于模型特征指数与样本峰度物理意义的相似性,建立了二者的对应关系,并推导得出相互独立的两个随机变量之和的峰度。通过数值仿真,表明了α稳定分布对尖峰态噪声建模的可行性和适应性。以安静环境、气枪干扰、航船干扰3种典型环境下的海上实测数据为样本,借助分位数图判断了样本的非高斯特性,并利用分位数法和特征函数法联合估计了模型的参数,得出了特征指数的统计规律:安静环境下特征指数接近2.0,趋近于正态分布;气枪干扰下特征指数介于1.2~1.7之间,具有尖峰厚尾特性;航船干扰下与航速、干扰源到接收位置距离有关,航船影响越显著,特征指数越小,该现象恰好与干扰噪声的峰度变化在物理意义上一致。模型验证结果表明,α稳定分布对3类样本均表现出良好的建模效果,尤其对具有尖峰特性的气枪干扰噪声,效果远远优于正态分布。      

南海夏季海洋环境噪声与海面风速相关特性分析

海洋环境噪声是影响潜艇作战及远程目标探测和定位的重要参数,由于海洋环境噪声具有很强的时空变异性,因此只能通过试验数据测量和处理了解环境噪声的统计特性。本文以2013年4月30日至8月1日,南海典型海域布放海洋环境噪声测量潜标系统所收录的环境噪声为研究对象,数据处理结果表明,在整个频率范围内,海洋环境噪声与对数风速具有很好的线性关系,但环境噪声随风速变化的斜率与频率相关,在1kHz附近达到最大值。本文通过波束形成分析了海洋环境噪声的垂直指向性,并给出了“垂直方向噪声”、“水平方向噪声”和“全向噪声”与风速相关性分析结果,可以看出,在风浪噪声与远处航船噪声都有贡献的中频段,“垂直方向噪声”与海面风速的相关性好于“全向噪声”和“水平方向噪声”与海面风速的相关性,且“垂直方向噪声”随风速变化的斜率略大于“全向噪声”随风速变化的斜率。     

利用海洋环境噪声直接提取海底反射系数

提出了一种利用海洋环境噪声直接(非迭代)提取海底反射系数的方法,基于海洋环境噪声垂直相关函数与方向密度函数的相似性,结合海洋环境噪声射线理论,由两个垂直排列的水听器实现海底反射系数的被动获取。方法适应性的仿真分析说明较高海况下且近场无航船干扰的海洋环境噪声数据有利于方法的实现;对于两层海底,海洋环境噪声垂直相干函数经高通滤波后,由海洋环境噪声垂直相关函数对时间的导数可准确提取垂直方向沉积层反射系数;将方法用于较高风速下的实测海洋环境噪声数据处理,结果表明直接提取方法可准确获取大于临界角部分的海底反射系数。     

利用海洋环境噪声估计浅海海底表层声速

为提高反演效率,提出一种快速估计浅海海底表层声速的方法。根据噪声能流理论,垂直阵接收的海洋环境噪声数据能够用于无源提取海底反射损失,反射损失曲线中具有明显的临界角效应,从而接估计海底表层声速。以射线模型为基础,推导了噪声提取的反射损失与理论值之间的差异,并讨论实际阵列波束形成在不同角度和频率下的性能。考虑到非等声速环境下声线会发生弯曲,需对角度进行修正以提高方法的广泛适用性。不同频率的临界角与有效深度之间存在对应关系,黄海某海区数据处理结果表明,在临界角不变的有效深度内,海底表层可以视为等声速层,该海区海底表层0.5 m内声速估计结果为1547 m/s,与有源反演结果相近。     

采用被动声监测方法识别波弗特海区域海洋水声环境

为了研究北冰洋冰下水声环境的噪声特性,对2016年中国第七次北极科考期间在波弗特海进行的声学观测实验获取的数据集,采用时间统计分析和频域谱分析方法进行了处理,讨论了处理结果与同时期获取的海洋、大气之间的联系。针对冰下噪声长期监测和北冰洋水声环境特性的准实时观测,确定了描述冰下水声环境特性的参数组,给出了处理方法和流程,用于基于被动声监测的水声环境识别,指导研究设计和硬件选择。回传的实测结果可以与已发表的结论进行比较,从而确切描述和理解北冰洋水声环境的变化。     

无线/水声通信浮标技术研究及其实现

本文研究并设计实现了一种用于浅海水声信道多速率通信的无线/水声通信(racom)浮标,介绍了其水声通信和无线通信技术方案和工程设计与实现。本文设计的浮标综合了水声通信、DSP信号处理和无线电通信等技术,也可以用作水声通信/传感网络中的无线/水声通信(racom)网关节点。海上试验验证了本浮标总体设计方案的可行性。海上试验中,浮标无线通信距离达到15.2 km,误码率不大于10 6;除2 kbps速率外,浮标各种速率的水声通信数据传输误码率都小于1%,最大通信作用距离达到9.6 km;同时,试验也验证了浮标与水下运动平台之间的通信功能。     

基于水声潜标应用的数据采集及大容量存储系统设计

水声潜标是获取海洋水声信号以及海洋生物声信号的重要技术设备之一。为了满足水声潜标在水下较长时间工作,本文设计并实现了一套基于水声潜标应用的低功耗数据采集及大容量存储系统,在芯片选型和NAND FLASH读写管理等方面对系统进行了低功耗设计。该系统在"标-矢量"综合潜标上应用的试验结果表明,该系统获取的数据有效,满足总体设计技术要求。同时,本系统还具有良好的扩展能力,可适应水声潜标发展的应用需求。     

Characterization and modeling of wind-dominated ambient noise in South China Sea

<正>The action of wind on the sea surface plays an important role in the noise generation mechanism.Sea surface wind speed can be estimated accurately provided there is an accurate understanding of the relationship between the ocean ambient noise and wind speed.Many measurements and analyses of the wind dependence of ambient noise have been conducted.The approximate empirical rule given by Wenz[1]states that in the frequency band between 0.5and 5 kHz,the ambient sea-noise spectrum levels decrease     

Determination of the best carrier frequency based on the system and environmental parameters in underwater acoustic systems

One of the most challenging features of underwater acoustic (UWA) channel in comparison with its terrestrial radio frequency counterpart is highly frequency-dependent path loss. Thus, utilizing efficient carrier frequencies in UWA systems can considerably reduce the path loss. In this context, this paper presents an approximate formula for determining the best carrier frequency based on both the system and environmental parameters. To achieve this goal, this research first addresses a simple algorithm including general steps for tuning the parameters of Francois and Garrison (FG) formula in the frequency range of 10 to 100 kHz based on the appropriate experimental data which can be acquired from any interest region. Second, for a more accurate modeling of path loss, this paper considers the loss due to the reflections of sound from both the rough surface and bottom of the sea by employing the ray theory. Third, this study presents a general algorithm for modification of the power spectral density (PSD) of ambient noise based on Wenz formula in the frequency range of 10 to 100 kHz and the required experimental measurements which can be simply collected from any interest channel. Moreover, it is mathematically demonstrated that the ambient noise in the frequency range of 10 to 100 kHz, can be generally approximated with a strict sense stationary (SSS) colored normal stochastic process which is ergodic not only in mean and covariance but also in distribution. Finally, an approximate formula for the best carrier frequency is derived by maximizing the sound to noise intensity ratio (SNR). To verify the validity of simplifications and approximations utilized in this study and to assess the performance of our proposed algorithms and formulas, experimental results obtained in the Strait of Hormuz (SoH) are compared with the original, simplified, and modified models under different scenarios.     

北极海域海洋环境噪声建模与特性分析

北极海域海洋环境噪声的特殊性在于具有偶发的尖脉冲声,为分析其特性与规律,首先建模仿真分析不同脉冲噪声下高斯分布与α稳定分布的拟合效果,验证后者的鲁棒性。再从实测北极海域噪声中选取三种典型环境噪声为样本,通过对其非高斯性判定及不同分布模型对比,验证α稳定分布在北极海域环境噪声统计特性建模中的有效性,同时研究不同深度、不同频段对模型参数的影响,最后通过各月参数的统计结果与海冰密集度分析冰下噪声成因。由于通道数量有限,没有给出所有深度的变化规律。结果表明,北极海域冰下环境噪声具有明显脉冲成分和非高斯性,利用α稳定分布能更好的描述其统计特性;100Hz可作为冰下环境噪声脉冲性干扰源的划分界限;结冰期环境噪声具有强烈的非高斯性,而冰封期则高斯性较强。