利用辐射噪声多线谱的多普勒进行距离估计

提出了一种利用辐射噪声多线谱的多普勒频移去估计直线匀速运动目标正横距离的方法,这种方法用单水听器进行无源测距,且不需要知道海深和其它环境参数。先用Wigner-Ville分布作为瞬时频率估计器估计出多线谱瞬时频率随时间变化作为一个信号,再定义多普勒频移的基函数,依据一种匹配投影原理,在五维空间中用一种可变步长的搜索策略去寻找该信号与多普勒频移基函数之间的最小空间距离。所找到最小距离的基函数对应于目标距离和速度的估计值。计算机模拟给出不同强度干扰噪声下的测距测速的统计误差。当干扰噪声的标准差为最大多普勒频移的10%及时间窗宽度为1.47倍的参考时宽时,测距相对误差小于5.4%,测速相对误差小于1.4%。对某海上实际目标的距离估计为42 m,速度为52 kn,与实际航行的值相符。此单点无源测距方法可应用于声呐浮标、水雷、水声实验中水声目标的运动分析和水下目标声源级测量。     

基于Wigner-Ville分布的宽带回波瞬时多普勒估计方法

研究了基于Wigner-Ville分布的宽带回波瞬时多普勒估计方法。利用时频分析特有的时、频特征分离的特点,通过信号Wigner-Ville分布的时频相关,进行回波信号瞬时多普勒的估计,并通过理论证明其等价与传统的多普勒估计方法;在此基础上,本文提出了一种基于互Wigner-Ville分布峰值估计的瞬时多普勒估计方法。通过仿真研究,发现基于互Wigner-Ville分布峰值估计的方法具有更低的估计信噪比门限,大大降低了运算量,有利于工程实时应用。     

某型振动轮噪声数值模拟及优化分析

空中声源的辐射噪声谱包括宽带连续谱和窄带线谱,线谱能量高于连续谱。与水下声源相比,空中声源的运动速度普遍较高,线谱多普勒频移明显,可用于进行水下对空中声源的运动参数估计。首先通过时频分析提取接收信号的瞬时频率,而后利用非线性最小二乘法将瞬时频率提取值与预测值相拟合,进而估计声源的运动参数(声源的运动速度、静止频率、与接收器最小水平距离及经过最近点时刻)。仿真与实验均能较为准确地估计出声源运动参数,同时在实验中实现了水下对空中运动声源的测距和定位,测距误差小于15.8%。在满足一定信噪比和保证足够多普勒信息的情况下,该参数估计方法具有很好的适用性。     

浅海单矢量传感器宽带声源三维定位仿真

针对浅海水平不变波导中利用单矢量传感器的低频宽带声源三维被动定位问题,首先利用平均声强器估计声源方位;其次,通过分离后的简正模声压和水平振速分量联合处理获得运动声源相对速度,进一步基于垂直复声强中简正模相干项特征频率不变性以及长时间窗口中多快拍信号的统一处理,建立以warping变换归一化频谱强度和作为代价函数的距离搜索处理器,估计该段信号的初始距离,进而获得各时刻声源距离,所提出的方法避免了对拷贝声场和引导声源的依赖。信噪比大于10 dB时,相对误差在11.33%之内;最后,利用多阶简正模相干项与非相干项能量的模基处理方法,当声场中存在三阶以上简正模时,对声源深度进行匹配估计。仿真分析表明,单个矢量传感器能够完成声源的方位、距离及深度的三维定位。     

相关时延及频谱不对称对声学多普勒测速偏差影响

研究了复协方差频移估计测速下相关时延及接收信号频谱幅值不对称对声学多普勒测速偏差的影响.不考虑测速公式简化误差,复协方差频移估计测速偏差可以简化为多普勒频移测量偏差.经推导,不考虑发射信号波束开角的窄带测频无偏、宽带测频有偏;考虑波束开角的窄带测频和宽带测频均有偏.相关时延不准确且频谱不对称是该偏差的重要来源.仿真分析...     

水下航行器噪声源分布位置估计的瞬时频率变化率算法研究

使用单个传感器实现水下航行器纵向分布噪声源位置的估计。应用传感器接收的多普勒信号瞬时频率变化率具有极值性的特点,通过推导并定义一种时间-频率变化率分布(L-相位分布),给出其有效离散迭代算法,能够提取出多普勒信号的瞬时频率变化率曲线,得到该曲线极值点位置的估计值,并结合水下航行器的航速,可以估计出线谱噪声源在航行器上纵向的分布位置。海试数据给出了105 Hz,220 Hz和500 Hz等三种线谱噪声源的位置估计误差,其定位误差均不超过2.5 m,表明该方法对于中低频率噪声源具有较高的位置估计精度。     

水下航行器噪声源分布位置估计的瞬时频率变化率算法研究

使用单个传感器实现水下航行器纵向分布噪声源位置的估计。应用传感器接收的多普勒信号瞬时频率变化率具有极值性的特点,通过推导并定义一种时间-频率变化率分布(L-相位分布),给出其有效离散迭代算法,能够提取出多普勒信号的瞬时频率变化率曲线,得到该曲线极值点位置的估计值,并结合水下航行器的航速,可以估计出线谱噪声源在航行器上纵向的分布位置。海试数据给出了105 Hz,220 Hz和500 Hz等三种线谱噪声源的位置估计误差,其定位误差均不超过2.5 m,表明该方法对于中低频率噪声源具有较高的位置估计精度。     

宽带多普勒测速技术中的发射信号

声波信号作为系统测速的载体,直接影响测速性能,是多普勒测速技术的关键。研究了不同发射信号的频谱特性及基于复协方差法的多普勒频移测量误差。一般假设二相编码信号频谱关于载频对称,但实际上其频谱为不关于载频对称的双边谱,不对称程度由不对称系数量化。不对称系数越小,测频偏差、标准差均越小,即测频性能更佳。仿真实验表明,在不考虑波束开角的点回波模型下,差分重复伪随机Blackman码元幅度调制编码信号与常用的非差分重复伪随机二相编码信号相比:不对称系数低3个数量级;信号频带同带宽内信噪比在0～-10 d B范围内测频标准差约下降2%～20%;信噪比高于10 dB时相对测频偏差约小5‰～6‰。     

光电编码器单莫尔条纹测速方法

为了提高编码器的测速精度,研究了基于希尔伯特-黄变换的光电编码器单莫尔条纹测速方法。首先,利用AD采集编码器的单路莫尔条纹光电信号,并将信号序列通过EMD变换,滤除直流分量;然后,利用希尔伯特变换求出信号的相位变化,并通过差分运算求取信号的瞬时频率;最后,结合编码器的具体参数求取编码器的转速。实验结果表明:对某21位编码器进行测速实验,测速误差均方差由0.022 4 rad/s降低到0.013 4 rad/s。此方法测速稳定性高,抗干扰能力强,可用于速度精度要求较高的测速场合。     

激光多普勒自主测速仪天线安装误差对测速精度的影响

为了减小激光多普勒自主测速仪天线安装误差引起的测速误差,以多普勒频移原理为基础,通过旋转矩阵的复合变换推导出测速误差与安装误差间的函数关系,分析了三个安装误差角对三维测速精度的影响,并对旋转矩阵采用Bursa模型线性化后在整体最小二乘准则下给出安装误差角的最优估计,从而实现测速误差的补偿。仿真结果表明：测速误差随速度的增大而增大,影响纵向、横向测速精度的主要因素是偏航角,影响垂向测速精度的主要因素是纵倾角,补偿后三维测速误差显著减小。     

水下对空中声源的运动参数估计

为了解决传统的交互式多模型目标跟踪算法中马尔可夫概率转移矩阵固定不变,造成的模型切换缓慢、跟踪精度不高的问题,提出了一种基于后验信息修正的时变转移概率自适应交互式多模型跟踪算法。算法定义了一种新的修正因子,利用后验信息对概率转移矩阵进行实时修正,提高匹配模型的概率,减小非匹配模型的影响,使得系统模型能够及时、准确地切换到匹配模型。蒙特卡洛仿真实验表明,该自适应交互式多模型算法能够应用于水下目标跟踪中,相比传统交互式多模型算法,模型匹配度更高,滤波效果也更好。     

拖曳阵被动合成孔径目标深度稳健估计

使用水下无人平台作为拖曳阵的载体,进行被动目标深度估计具有灵活性高和隐蔽性好的优点。针对实际应用中存在的平台自噪声干扰和阵列瞬时随机加速度扰动问题,提出了一种稳健的目标深度估计方法。该方法分为3个步骤,首先对阵元接收信号进行自适应噪声抵消和相位抖动滤波,然后对声压进行距离积分实现简正波模态估计,最后计算模态匹配度,最大值对应的深度为目标深度估计结果。仿真表明在干扰背景下该方法的目标深度估计稳健性优于传统方法,声源频率、合成孔径距离和信干比决定了目标深度估计误差。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。     

基于经验模态分解的物体入水声检测及测向研究

物体入水声是一种瞬态信号,其波形由击水声和若干气泡脉动组成。传统的矢量信号处理方法对此类瞬态信号的检测和测向会出现困难,尤其是在信噪比较低时检测不到入水声信号。经验模态分解是一种突出信号局部瞬态特性的非线性分析方法,将矢量传感器接收的声压、振速信息分解为不同的固有模态函数,利用文中提出的模态声强器的方位估计算法,可以实现瞬态信号的检测和测向。湖试和海试结果表明该方法能把本地干扰和入水声分解到不同的模态函数中,利用模态声强器可以在本地强干扰下有效检测到入水声信号出现的时间,并可以实现测向。     

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。     

Parameter estimation of underwater moving sources by using matched Wigner transform

According to the acoustical Doppler effect, an improved narrow-band technique is proposed to estimate underwater source’s motion parameters including speed, closest distance, rest frequency, and closest point of approach (CPA) time, by using a single receiving sensor. First, the matched Wigner transform (MWT), which produces a time–frequency distribution (TFD) with optimal energy concentration and without inner artifacts for a high-order polynomial phase signal, is defined. On the basis of the MWT, a method is developed for the accurate instantaneous frequency (IF) estimation of Doppler signal. Moreover, we deduce that the Wigner–Ville distribution of the Doppler signal has a peak at the center of the TFD. Thereafter, the CPA time is directly estimated. When the CPA time is obtained, the other motion parameters can be easily estimated by using a simplified amplitude weighted nonlinear least-squares method, which fits the IF estimates to the predicted Doppler shift. Finally, the effectiveness of the proposed scheme is validated by using underwater acoustic data.     

基于矢量水听器的深海直达波区域声传播特性及其应用

对于深海近水面声源产生的声场, 处于较大深度处的接收器在一定水平距离范围内能接收到直达波. 2014年在某深海海域进行的水声考察实验中, 应用深度为140 m的拖曳声源发射实验信号, 布放在水下3146 m深处的矢量水听器成功地接收到了直达波信号. 本文应用射线理论, 分析了深海直达波区域声场的传播特性, 得出了水平振速与垂直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角以及收发水平距离之间的关系. 在以上分析的基础上, 提出了一种利用水平振速与垂直振速的能量差估计声源距离的方法, 并结合2014年实验数据对实验中两条航线上8 km范围内的目标声源进行了测距, 测距结果与目标的GPS数据符合得较好.     

一种基于矢量水听器阵的归一化加权Capon波束形成方法

矢量水听器同时拾取声场的标量信息声压和矢量信息振速。本文在分析了各向同性噪声场下矢量水听器阵Capon波束形成方位谱的基础上，提出了一种归一化加权Capon波束形成的改进算法，并给出了方位谱的表达式。本方法不需要特征分解，并且得到的是通常意义上的功率谱(可用于估计信号的能量)。仿真计算表明，此方法的性能优于Capon法，可大大提高方位估计的精度。