水下目标弹性声散射信号分离

水下目标弹性声散射与其他声散射成分在时域和频域上均存在混叠, 现有信号处理方法受分辨力限制无法在混叠状态下识别目标弹性声散射特征. 针对这个问题, 提出了一种目标弹性声散射信号分离方法. 以目标回波亮点模型为基础, 分析了线性调频信号入射时目标声散射成分的信号特性, 提出了一种目标声散射成分向单频信号的映射方法, 并理论推导出了目标声散射结构与映射结果之间的线性对应关系, 实现了通过窄带滤波分离出目标弹性声散射成分. 仿真与消声水池实验数据处理结果表明, 该方法基本可以完全分离出目标回波信号中的弹性声散射成分, 分离出的弹性声散射具有与理论一致的信号特征, 验证了该分离方法的有效性.     

水下目标回波与混响的时频形态特征域盲分离

水下沉底或掩埋目标识别受海底混响干扰严重,并且目标回波与混响在时-频域上均存在混叠,增大了对目标回波与混响的分离难度。根据目标回波与混响的产生机理差异,将图像形态学与时频分析相结合的盲分离算法用于目标回波与混响的分离。推导了目标几何声散射成分与混响在Wigner-Ville时频面的形态特征表达式,利用图像形态学滤波去除Wigner-Ville时频面中的混响及刚性亮点之间交叉项,在时频形态特征域获取解混矩阵,实现了目标回波和混响的分离。仿真与实验数据处理结果表明,结合图像形态学的时频域盲分离算法提高了目标回波信号的信混比。      

水下目标几何声散射回波在分数阶傅里叶变换域中的特性

水下目标散射回波在时域、频域混叠在一起, 而且受声波入射角度的影响严重, 在不同的入射角度下表现出很大的差异, 需要建立全方位入射角度下回波分量的理论分析模型. 本文推导了目标几何声散射分量在分数阶傅里叶变换域中随入射角度变化的解析表达式; 确定了目标几何声散射回波分量在最佳分数阶傅里叶变换域中的全方位模型, 从理论上证明了目标回波的几何特征形式; 给出了离散分数阶傅里叶变换对声散射分量的分辨能力和计算精度与发射信号带宽和观测时间之间的关系. 实验数据处理表明, 建立的分数阶傅里叶变换域的全方位模型与目标几何特征是一致的, 对未知入射角度下的目标识别提供了理论依据.     

局部固体填充的水中复杂目标声散射计算与实验

利用二维有限元方法研究水中局部填充的带球冠柱体目标声散射特性,所采用的数值方法可高效地实现精细化、宽带、复杂轴对称模型散射声场计算.根据数值结果解释壳体、填充物以及入射方位对目标散射远场的影响,确定复杂目标散射研究中所必须考虑的重要物理和几何构成.完成水中悬浮目标自由场声散射实验,收发合置条件下将目标旋转360?接收并测量不同传播路径回波到达时刻得到距离-角度伪彩色图像.以表面环绕波和"回廊波"产生理论为基础,解释内真空和局部填充模型正横入射时目标散射信号中几何回波和各种弹性波成分产生的机理.由于固体填充与弹性壳的耦合作用,频率-角度谱的正横方向两侧呈现外八字"碗"形共振曲线.通过对比,理论计算和实验得到的散射函数关键频谱峰值特性符合较好.     

水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码研究

针对水下集群目标及敌我目标识别的难题,该文提出了一种基于水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码原理及方法。推导了水中4层弹性球壳目标散射声压的简正级数解,并与有限元结果进行了对比验证。通过构造高频主动声呐的探测脉冲信号,与4层弹性球壳声传递函数的简正级数解做卷积运算,获得了目标的时域回波脉冲序列。研究了分层弹性球壳的厚度、各层材料属性、排布顺序等对时域回波特征的影响规律,提出了基于时域回波特征的声学编码方法。研究表明：利用水中分层弹性球壳目标高频时域回波特征能够实现声学编码,回波结构稳定,且不受限于探测方向。通过携带或安装这种分层弹性球壳结构,有望识别水下航行体/悬浮体等目标。该文的研究对水下目标的主动探测身份识别及导航等具有一定的参考价值。     

混响背景下低秩矩阵恢复的目标亮点特征提取

有源声呐探测水下目标时,混响干扰增加了从目标回波信号中提取目标亮点特征的难度.依据目标回波与混响在时频域上能量分布的相关性不同,采用自适应核时频分析方法将目标回波信号变换到时频域上进行分析.通过低秩矩阵恢复方法将目标回波与混响分到稀疏矩阵和低秩矩阵中,从而分离目标回波与混响,降低混响对回波信号的干扰.针对稀疏矩阵采用Hough变换提取回波中的亮点峰,得到目标的亮点特征。通过仿真和实验数据证明在较低信混比情况下通过低秩矩阵恢复方法能够在时频域上进一步区分目标回波与混响,达到抑制混响的目的,便于获取目标亮点特征。      

水下目标回波盲分离性能的瞬时频率特征评价方法

在水下主动声呐目标回波与混响盲分离中,针对分离结果顺序不确定性以及缺乏分离有效性衡量手段的问题,提出了以信号瞬时频率特征为指标的盲分离性能评价方法。推导了目标回波与混响的时频分布特性,理论表明目标回波在瞬时频率序列的中心偏离程度以及整体随机程度上低于混响,据此提取信号的瞬时频率方差与瞬时频率熵两种信号特征,并将二者作为从盲分离结果中识别目标回波的依据。海试数据结果表明,在盲分离得到的所有分离信号中,目标回波具有最小的瞬时频率特征值,并且该特征值越小,目标回波与混响的盲分离程度就越高。     

水下目标回波盲分离性能的瞬时频率特征评价方法

在水下主动声呐目标回波与混响盲分离中,针对分离结果顺序不确定性以及缺乏分离有效性衡量手段的问题,提出了以信号瞬时频率特征为指标的盲分离性能评价方法。推导了目标回波与混响的时频分布特性,理论表明目标回波在瞬时频率序列的中心偏离程度以及整体随机程度上低于混响,据此提取信号的瞬时频率方差与瞬时频率熵两种信号特征,并将二者作为从盲分离结果中识别目标回波的依据。海试数据结果表明,在盲分离得到的所有分离信号中,目标回波具有最小的瞬时频率特征值,并且该特征值越小,目标回波与混响的盲分离程度就越高。      

齿鲸生物声呐目标探测研究综述

齿鲸依靠其天然的声呐系统进行水下目标探测.齿鲸通过前额的声发射系统发出超声脉冲,经声阻抗各异的声学结构调控形成波束,作用于目标,利用下颌区域的多相声接收通道接收目标回波.齿鲸通过分析目标回波中蕴含的时域、频域与能量等多维度信息,并进行非线性组合,实现目标探测与辨别.齿鲸目标探测过程蕴藏复杂的物理机理.本文以目标探测实验测量、目标回波散射分析与仿齿鲸声呐系统为出发点,回溯齿鲸声呐目标探测的相关研究.齿鲸在目标探测过程中,会根据目标强度、回波的时频信息,自适应调整其声发射脉冲频率、发射系统几何形态,实现高效探测,是优越的水声探测系统.参考齿鲸声呐设计人工探测系统可获取多维度的声场信息,与生物实验测量相辅相成,加深对生物多相介质中的声发射与声接收过程的理解,丰富齿鲸目标探测物理机理认知,为人工仿生声探测技术的发展与仿生水下装置设计提供新参考.     

近岸4种鱼的声散射特征提取及融合实验研究*

为了有效地提取表征鱼类间差异的声散射特征参数,该文通过绳系法实验研究了近岸4种经济鱼类的声散射信号特征提取及融合方法。首先,通过自研双频鱼探仪采集花鲈、许氏平鲉、黑鲷和斑石鲷的个体鱼声散射信号;然后,分别测定200 kHz和450 kHz换能器下鱼体的目标强度,同时提取鱼声散射信号的时频域统计特征;最后,将降维后的时频特征与频差特征融合组成新的特征向量。该文通过实验验证了该方法的有效性,基于组合特征的支持向量机识别准确率达93%。结果表明,鱼的频率响应特性和鱼声散射信号的时频域统计特征能一定程度上反映鱼的固有属性,有效地增加判别依据能显著提高以上4种鱼类的识别准确率。     

水下掩埋目标的散射声场计算与实验

水下掩埋目标声散射问题是识别和探测掩埋目标的理论基础, 是声散射研究领域的热点问题. 本文基于射线声学推导了掩埋情况下目标声散射计算的格林函数近似式, 并在此基础上进一步给出了相应的远场积分公式. 在有限元方法的基础上, 将推导得到的公式写入有限元仿真软件, 对软件功能进行拓展, 构建二维轴对称目标的声散射模型, 并计算掩埋情况下弹性实心球在不同条件下的目标强度, 获得了其散射声场随频率、掩埋深度、沙层吸收系数等参数的变化规律. 开展实心球的自由空间和浅掩埋条件下水池声散射实验, 利用共振隔离技术处理实验数据, 提取目标声散射的纯弹性共振特征进行分析, 结果表明可将其用于掩埋目标识别和探测. 最后利用总散射声场与理论计算结果进行对比, 验证了理论仿真的正确性.     

水中有限弹性圆柱的窄脉冲回波响应与螺旋表面绕行波

用严格的解析方法求解有限长弹性柱的声散射问题是困难的,而近似的数值计算方法又缺乏物理的直观性.本文提出采用弹性螺旋表面波的声激励和再辐射理论分析模型,对入射声波方向在正横附近一定角度范围内(约±30°)有限弹性圆柱的脉冲回波响应作了分析,建立了用以估算回波时序、幅度和共振模式的基本关系式.给出了目标弹性特性与回波响应的直观物理联系。在水池中,实测了厚壁中空钢柱和铝柱的脉冲响应,实测脉冲回波时序与理论预报结果基本相符.     

旋翼叶片回波建模与闪烁现象机理分析

对旋翼叶片回波建模与闪烁现象进行了综合研究.基于散射点散射系数和分布情况,构建了旋翼叶片回波的散射点模型,并分析了散射点分布对回波的影响;在此基础上研究了回波时域闪烁现象的物理散射机理,并结合时频分析和横向分辨率分析了微多普勒特征及时频域闪烁现象;对两类不同分布间隔的散射点模型进行了仿真,并与积分模型进行对比性实验,结果验证了闪烁现象物理分析的合理性.该研究成果在旋翼目标的探测识别领域具有一定的理论与应用价值.     

基于独立元分析的水下激光雷达后向散射噪声去除方法

模拟了调制脉冲激光雷达在水下的探测信号,利用快速独立元分析方法(FastICA)的迭代算法将探测信号中的目标与后向散射信号分离,恢复出浑浊水域被强后向散射淹没的弱目标反射回波信号,极大地提升了信噪比.将解调信号设置为调制频率及三倍调制频率余弦函数之和,目标回波信号只需一次相干解调即可获得,其峰值位置与目标和探测器之间的...     

用物理声学方法计算界面附近目标的回波

用物理声学（KIRCHHOFF近似）方法研究界面附近目标的声散射。导出了计算形态函数或目标强度的积分表示式．所产生的散射场由三部分组成：（1）不存在界面时目标的散射场;（2）入射或散射波之一经受界面反射时的散射场,如同双站散射场;（3）目标相对于界面的镜象产生的散射场,其中入射和散射波都经受界面反射．对于一个自由界面下的刚硬球,数值比较说明本文的方法与严格的解析方法符合良好．本文提供了一种计算沉浸在海面下或躺在海底上的水下目标的回波计算方法．     

扩展性微动目标回波模拟与特征参数提取研究

研究了微动目标的多普勒回波模拟及特征参数提取技术. 提出了一种基于物理光学法和等效电磁流法的扩展性微动目标回波模拟方法. 将在目标坐标系下计算得到的后向散射场通过坐标转换, 成为雷达坐标系下的目标回波, 通过与解析信号模型对比验证方法的正确性. 分析了圆锥与带翼弹头的进动特性, 为获得较好的时频聚集性同时避免交叉项采用S-method方法对获取的回波信号进行时频分析, 分析了不同雷达波入射角度, 不同运动状态及不同几何外形的时频分布特点. 对时频分布图进行逆Radon变换, 将正弦曲线映射到参数空间, 从而获取目标的微动参数. 该研究结合电磁散射与信号处理技术, 通过对典型弹道目标的仿真, 获得一些不同于传统微动模型的结果, 结合电磁散射理论, 对这些现象进行了解释分析. 该研究成果在弹道目标的探测识别领域具有重要的理论与应用价值.     

高散射抑制比激光雷达水下探测技术探析

浅海海水严重的后向散射是阻碍激光近海水下探测应用的关键问题,回波信号中的后向散射制约了水下目标探测深度、分辨率和对比度.针对该问题,研究了两种高散射抑制比海洋激光雷达——混沌脉冲激光雷达和相干双频脉冲激光雷达,这两种激光雷达信号具有内在的高频强度调制特性,而后向散射具有低频特性.因此,在目标信号光和后向散射光同量级条件下,可通过带通或高通滤波将海水后向散射滤除,从而提高系统信噪比.     

水下声目标的梅尔倒谱系数智能分类方法

传统水下声目标识别分类方法具有较强的人机交互特性,无法满足未来水下无人平台智能识别分类水声目标的需求。针对这一问题,提出了一种基于梅尔倒谱系数（MFCC）的水下声目标智能识别分类方法,该方法通过提取水下声目标梅尔倒谱系数特征,采用长短时记忆网络（LSTM）构建了智能识别分类模型。使用实际水声信号对该方法进行了验证,结果表明,基于梅尔倒谱系数的水下声目标智能识别分类方法能够在不依赖人工提取特征的情况下,对目标噪声进行识别分类,具备智能化识别分类能力。     

双层周期加肋有限长圆柱壳声散射精细特征研究

研究了双层周期性加肋有限长圆柱壳在水中的声散射特性. 壳体振动用薄壳理论的Donnell 方程描述,环肋振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述,忽略弦间流体对环肋轴向力的作用. 数值计算给出远场收发合置情况下的周向目标强度和角度-频率谱图,并据此进行机理分析. 计算结果表明远场散射声场中除壳体弹性贡献外,弦间流体以及环肋与内外壳的相互作用对散射声场的贡献也是很重要的,并且在角度-频率谱中出现了舷间流体引起的流体附加波以及周期环肋引起的Bragg散射等回波精细特征,其中流体附加波是双层加肋圆柱壳声散射最重要的散射精细特征,是以往单层圆柱壳声散射所不具有的现象. 最后通过实验对理论推导进行了验证,实验与理论基本符合. 关键词： 声散射 圆柱壳 环肋 流体附加波     

水中双层弹性球壳的回声特性

研究水中双层同心弹性球壳的声散射．利用严格弹性理论和分离变量法导出了Rnyleigh简正级数解．计算并比较了单层和双层弹性球壳的反向散射形态函数．为了分析回波结构也计算了窄脉冲回波序列．结果表明,外壳很薄内壳稍厚的双层弹性球壳的回波特性主要依赖于内壳。在低Ka时双层壳体的回波可以近似用内部充水的外壳和内部真空的内壳的回波叠加而成．