浅海波导中低频声场干涉简正模态的判别

浅海波导中,低频宽带声场中干涉简正模特性可用于声源定位和环境参数反演,然而实际应用中由于存在声源位置不确知、某些简正模激发较弱、模型参数选取失配等因素的制约,导致干涉简正模阶数的判别存在问题.结合水平线列阵应用,根据阵列接收信号中干涉简正模成分的波束输出角度与距离无关但与干涉简正模阶数和频率相关的波导固有频散特性,提出了一种基于阵元域接收信号自相关函数WARPING变换过滤干涉简正模,进而对其波束输出角度进行模基匹配判别简正模阶数的方法.利用2011年北黄海海域声学实验中坐底布放的32元水平线列阵接收的爆炸声脉冲信号,对方法进行了验证.并由仿真数据分析了声速剖面、海底参数和水深等参数失配及信噪比对方法性能的影响.结果表明水深变化14%以上对干涉简正模波束输出角度的提取值影响最大,可引起方法失效;声速剖面和海底参数在一定失配范围内对方法性能的影响可忽略;方法要求单阵元信噪比大于2 dB.     

运动小孔径水平基阵估计目标深度

针对浅海动态声场,基于简正波模型提出了一种利用运动小孔径水平基阵估计目标深度的方法。通过合成孔径算法将运动小孔径水平基阵扩展成虚拟的大孔径水平基阵,利用稀疏近似最小方差准则可以在相对较小的合成孔径上估计各阶简正波模态能量,不同深度的模态匹配度由Camberra距离的负指数度量,目标深度估计结果是模态匹配度最大值对应深度。数值仿真与实验结果表明,在简正波声场结构基础上,声源频率越低则实现目标深度估计需要的合成孔径距离越小,当声源与阵列端射方向成一定角度时,对所需合成孔径的影响与其相对速度变化时的影响相同,在典型浅海水平分层波导中,当单阵元输入信噪比为10 dB时,准确估计200 Hz和350 Hz声源的深度,分别要求合成孔径大于12倍和16倍波导深度。利用实验数据验证了该方法对水下低频线谱声源的深度估计能力。     

浅海波导中简正波干涉特征频率增强

针对浅海波导中水平线列阵接收的低频宽带低信噪比信号,提出了一种利用多拍信号相干累加来提高干涉简正波特征频谱信噪比的方法。这种方法主要针对未知距离和声源形式的运动声源,对不同时刻(或接收距离)处阵列输出信号进行warping变换,根据干涉简正波的特征频率不变性,通过搜索距离与径向速度的比值来对齐未知距离下warping变换后的谱峰频率,进而通过相干累加来增强信号干涉简正波的特征频率。仿真和海上实验数据分析均验证了方法的性能。     

基于垂直阵模态分解的低频水声信号盲解卷处理研究

研究了基于人工时反处理的水声信号盲解卷方法,并在此基础上提出了一种基于简正波模态分解的低频水声信号的盲解卷处理方法。该方法适用于浅海波导中垂直阵接收的远程低频水声信号的盲解卷处理。该方法首先从浅海中垂直阵接收的信号中提取(估计)出波导中传播的简正波模态函数信息,然后,根据估计的模态函数信息通过模态滤波来实现水声信道盲解卷处理。针对典型的浅海波导环境,进行了计算机仿真试验,结果表明:(1)远程低频条件下,模态分解方法可以从垂直阵接收的信号中提取出波导中有效传播的模态函数信息,因此这种方法解决了目前人工时反处理方法需要准确的模态函数先验信息的问题;(2)在一定带宽条件下,接收信号信噪比较低时,本文给出的这种基于模态滤波的盲解卷方法比人工时反处理具有更好的解卷性能。     

浅海大孔径水平阵列频移补偿定位方法

浅海波导中简正波干涉使得声场水平相关随距离出现振荡,利用声信号水平距离-频率干涉规律推导了不同阵元接收信号间的频移补偿关系式,结合大孔径阵列阵元空间分布离散度高的特点提出适用于声源频谱缓变信号的定位方法。利用频移补偿量随声源位置的变化,将两两阵元组合输出的模糊度平面叠加实现水平二维平面定位。仿真结果表明方法定位性能良好,对环境参数失配宽容性好。频移补偿后的线性相位关系有效提高了接收信号间的相关性,进而提升大孔径阵列的处理增益。阵列的孔径优势提高了空间分辨能力,模糊度平面峰值-背景比高。海试数据验证表明, 10～80 km测距结果平均相对偏差为5.68%,二维平面内定位结果平均距离偏差为0.78 km。     

一种基于模态提取的深度和距离可变的时反聚焦方法

提出了一种基于模态提取的深度和距离同时可变的时反聚焦方法。首先,通过模态提取方法从时反阵列接收的探测信号中提取出波导中传播的模态函数信息,并且进一步地从中获得一个包含探测声源深度信息的对角阵以及一个包含探测声源距离信息的向量;然后,利用模态提取获得的信息对探测声源深度信息矩阵和距离信息向量进行调整,重新构造出时反阵列的一个接收声场向量信息,使得时反发射声场聚焦的深度和距离发生变化。这种方法克服了传统时反处理只能在探测声源位置聚焦的局限性,通过对探测声源深度信息矩阵和探测声源距离向量信息进行适当的调整,可以将时反发射的声场聚焦到探测声源以外的某个期望位置上。针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真试验验证了该方法的有效性。     

利用波导不变性提高声场的水平纵向相关

简正波干涉可以引起声场的水平纵向相关下降,从而降低大孔径阵列信号处理的增益。基于声场的波导不变性,提出了信道中具有一定纵向间隔的两点的频率响应函数之间的线性相位关系。利用该线性相位关系,提出了一种适用于声源频谱缓变条件下提高声场水平纵向相关的频移补偿方法。浅海声学实验结果表明,该方法能使实验中水平阵接收信号的空间相关得到显著提高。     

一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在模态匹配和匹配场处理定位方法的基础上,提出了一种适用于具有液态半无限空间海底的浅海波导中声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以对脉冲声源接收信号的各阶简正波实现有效分离,由此得到各阶简正波的频域信号.海底相移参数是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,而各阶简正波的水平波数可以通过含有海底相移参数的表达式来表达.此外,由于声速剖面对简正波的各阶水平波数具有相近的影响,因此通过对任意两阶简正波进行联合处理,可以近似消除声速剖面对简正波水平波数差的影响.任意两阶简正波的水平波数差只近似用于海底相移参数、海深以及波导中平均声速三个参数有关,可以简单、快速地计算相应拷贝场,然后通过建立代价函数并对简正波模态进行匹配,可以实现对水下脉冲声源的被动测距.与传统的模态匹配定位方法相比,本文提出的方法既不需要使用水听器阵,又可以简单、快速地计算出拷贝场.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

浅海负跃层中利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别

针对浅海负跃层波导中的声源深度判别问题,通过研究不同深度声源信号到达接收阵的简正波结构特征,提出了一种利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别方法.该方法利用浅海负跃层中主导简正波类型由声源深度决定这一先验信息,根据峰值迁移曲线中互相关时延在0时刻的位置进行声源深度判别.首先,利用垂直线列阵波束输出与单阵元接收信号做互相关处理,得到互相关时延—俯仰角输出二维图.然后,在图中提取不同时延上角度维峰值,根据时延小于等于0、大于0的情况对所提取的峰值点进行分段线性拟合,得到互相关输出峰值迁移曲线.最后,以曲线位于互相关时延为0时的位置进行声源深度判断.理论分析表明,曲线受波导中声速随深度变化的影响较小,互相关时延0时刻位置的判别阈值由低阶简正波决定,区分声源深度的区间由跃层的位置和厚度决定,且跃层上下声速差越大越有利于声源深度判别.仿真实验和海试数据分析结果表明,该方法可有效进行声源深度判别,并且无需模态分离、声源相对接收阵移动、精确声速剖面测量等前提条件.     

不同频段下利用虚拟接收方法的声源测距性能分析

考虑到传统的匹配场处理定位需要复杂的匹配声场计算,并对环境参数和声场模型有很高的依赖,为了克服这种缺点,采用虚拟接收方法对声源进行测距。首先对垂直阵接收到的引导声源和目标声源的信号进行相关处理,得到虚拟接收声场并估计虚拟接收声场干涉条纹的斜率,结合波导不变特征量β对目标声源进行测距。通过数值仿真和2004年南海实验数据处理,讨论了浅海斜坡海域环境中不同频段下利用虚拟接收方法对宽带声源测距的性能。随着频率升高,需要展宽频带以获得完整的干涉条纹和良好的测距结果。在实验数据处理中,选取频段较高的信号时,由于阵列间距偏大不能保证采样的简正波模式的正交归一特性,不能获得正确的测距结果。     

楔形海域中三维效应对声源距离估计的影响分析*

楔形海域中声传播会出现显著的三维效应,导致水平方向上特定接收位置的声信号出现模态多次到达或者模态影区。利用射线模型,首先对楔形波导中的传播损失进行计算,分析三维效应的存在对于声波传播的影响, 结果表明,随着距离的增加,水平折射效应愈加明显,所得的三维结果与利用二维模型计算所得相差逐渐增大。然后对比二维声场和三维声场中的接收波形,并对其进行模态分离,证明在某些接收位置将会出现明显的模态多次到达或模态影区。最后通过匹配全波解以及分离出的各号简正波所对应的脉冲波形进行声源距离估计研究,并分析三维效应对于声源距离估计结果的影响。结果表明,由于三维效应的存在,使用三维模型能够得到准确估计声源距离,而利用二维模型进行估计得到的结果与实际距离相差较多,总体上偏大。     

能量加权时间特征用于浅海声源深度类型判别

针对浅海水面与水下低频宽带脉冲声源深度类型判别问题,提出了一种水平线列阵接收时利用能量加权到达时间特征判别声源深度类型的方法,并给出了工作频段选择的方法。该方法在脉冲宽度内以能量作为权值,对到达时间加权平均,将时间加权平均值与脉冲到达接收阵初始时间值的差值作为评判量,定义合适的水面与水下声源深度界限后,将评判量与拷贝声场中深度界限对应阈值比较,实现声源深度类型判别。经仿真数据验证,方法在等声速、负梯度、温跃层水文环境下的近距离声场均可实现。分析了声源距离、声源方位、海深、水平阵接收深度及阵列孔径等参数对方法性能的影响,进一步分析了声源距离失配、海底纵波声速失配、海深失配时方法的鲁棒性。除海底纵波声速失配时的影响较大外,方法具有较好的鲁棒性。     

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

浅海非均匀水平阵宽带声场信号无源孔径扩展

大孔径水平阵对于浅海低频水声物理实验研究和应用至关重要,然而受实际情况制约,通常使用的水平基阵孔径十分有限,通过孔径扩展处理来扩展基阵孔径是一条重要途径。传统的无源孔径扩展方法是建立在均匀线阵、匀速相对运动和相干窄带连续信号的基础上的,难以适用于非均匀阵以及非连续宽带声源的情况。针对这些问题,提出了非均匀阵宽带声场信号的无源孔径扩展方法。使用静止布设在海底的非均匀水平短阵接收运动声源重复发射的宽带声信号,先开展均匀空间插值,然后在阵元域和波束域进行宽带扩展孔径处理。仿真和实验结果表明,在水深约70 m的浅海波导环境中,纵向间隔27.5 m的2个阵元接收20~200 Hz宽带声场,其空间插值结果与真值的相关系数大于0.99,说明宽带声场插值方法的合理性。在水平非均匀、纵向孔径250 m的短阵接收声场无法分析简正波频散特征的情况下,仿真和实验数据经过宽带无源孔径扩展处理得到孔径大于1 km的均匀线阵的声场,能高分辨区分各阶简正波,证明所提方法是有效的。     

浅海低频长线阵声源方位估计*

浅海大孔径水平阵信号估计近端射的低频声源方位时, 常规波束形成会产生明显的波束偏移和分裂现象, 从而造成单声源方位估计偏差。针对这一问题, 提出一种基于块稀疏压缩感知的声源方位估计方法。根据简正模理论, 将水平阵接收声场表示为方位角空间的块稀疏信号模型, 并通过块正交匹配追踪算法进行方位估计。仿真和2011年北黄海实验数据结果表明所提块正交匹配追踪方法可实现浅海波导环境下低频近端射的单个声源方位的准确估计。     

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。     

总体最小二乘算法模波束形成方法研究

研究了模波束形成处理算法,并在此基础上提出了一种总体最小二乘算法模波束形成技术。该方法利用总体最小二乘算法修正了从垂直接收基阵数据中提取出的简正波模态函数信息,准确估计出各阶简正波模态系数,提高了对目标检测和定位的性能。针对典型的浅海波导环境,进行了计算机仿真实验,结果表明:在低频远程目标条件下,该方法与常规最小二乘算法模波束形成相比,估计出的简正波模态系数更精确,具有旁瓣低,分辨率高,定位性能好的优点。     

空气中声源激发水下声场的水平纵向相关性

声场的空间相关特性是声场的重要特征,对水下探测、水声通讯等各种设备在实际海洋环境中应用的参数选择具有重要意义,是水声工程技术研究的重要基础之一。相比于水中声源激发声场的相关特性研究,空气中声源的相关研究很少。本文推导了空气中声源激发水下声场的水平纵向相关的简正波表达式,并通过数值仿真分析,比较了声源分别位于空气中和水中时水下声场的水平纵向相关特性。对南海海域进行的一次悬挂汽笛空气声源、海底水平阵接收信号海上实验获得的数据进行分析,结果表明:空气中声源位于不同距离时,其发射的声信号激发水下声场的水平纵向相关均存在明显的起伏结构,基于本文提出的空气中声源激发水下声场的水平纵向相关系数的简正波表达式能够较好地解释该现象.     

浅海环境中基于模态衰减规律加权的子空间检测方法

研究了使用垂直线列阵情况下,浅海环境中的模态空间检测器(modal space detector, MSD)的检测性能.推导了MSD的处理增益,结果表明其处理增益随波导环境中传播模态数的增多而减小,进而其检测性能也随之下降.利用各阶模态深度函数之间的正交性,将MSD分解为若干阶模态子空间检测器(modal subspace detector, MSSD).推导了各阶MSSD的处理增益,发现其随各阶模态衰减系数的增大而减小.根据各阶模态的衰减规律设计加权系数,提出一种加权模态子空间检测器(weighted modal subspace detector,WMSSD).以处理增益作为比较参量,通过理论和仿真实验分析了声源位置和声速剖面对WMSSD检测性能的影响.结果表明:1)当声源位于负梯度声速波导的近海面区域和正梯度声速波导的近海底区域时,由于低阶模态深度函数存在反转点, WMSSD的处理增益弱于MSD,而当声源位于其他大部分观测区域时,WMSSD的处理增益都优于或显著优于MSD; 2)在等声速梯度波导中,各阶模态深度函数不存在反转点,在所有观测区域WMSSD的处理增益都显著优于MSD.     

不确定浅海环境中水平阵角度域子空间检测

在复杂浅海波导中,环境参数的不确定性影响检测的稳健性,故稳健检测是浅海检测中的重要问题.本文结合简正波模型,定义和估计了不确定环境中的水平阵角度域子空间,提出了水平阵角度域子空间检测器及其稳健形式.角度域子空间利用了不同环境参数条件下的水平阵远场观测模型,包含了不确定环境参数信息,估计过程中利用了硬海底条件下传播模态的水平波数与水体、沉积层声速之间的关系,具有较少的先验信息要求和较低的实现复杂度.在此基础上提出的水平阵角度域子空间检测器实现简单,在不确定环境中具有一定的稳健性,但其检测性能随目标方位角起伏.将角度域子空间变换到维数恒定的子空间中,得到角度域子空间检测器的稳健形式,即稳健水平阵角度域子空间检测器,该检测器在不确定环境中具有一定的稳健性,同时检测性能在各目标方位上一致.不确定浅海环境中的仿真结果表明,稳健水平阵角度域子空间检测器具有和能量检测器近似的稳健性,同时提高了检测能力.