水声环境对声纳作用距离影响的一种定量分析方法

本文分析了目标参数估计误差对声纳作用距离预报的影响,在此基础上,提出了一种预防方法,以减小目标参数估计误差,较客观地反映水声环境对声纳作用距离的影响。     

同步水声跟踪定位系统软件抗距离模糊技术研究

同步水声跟踪定位系统通过时延测量进行定位,当信号传播时延大于脉冲重复周期时,就会出现距离模糊。距离模糊是远程高帧率定位系统不可避免的问题。以往多采用硬件方法抗模糊,使得系统趋于复杂。本文提出了两种软件抗模糊方法:举手表决法和参考位置标示法,前者利用真解的一致性抗模糊,无需任何先验信息;后者利用目标的参考位置抗模糊,需要目标初始就位点这一先验信息。文中给出了算法原理和适用条件。软件抗模糊方法简化了系统设备,海试结果验证了算法的有效性。     

非同步的多普勒水声跟踪定位原理

提出了一种新的水声跟踪定位方法,它仅测量目标非同步声信标到达各测量基元的接收信号和频率,来对目标声学跟踪定位,称之为非同步多普勒定位方法,本文介绍其原理,处和仿真结果。     

Underwater target localization using long baseline positioning system

The absolute position of an underwater target is difficult to pinpoint because the global positioning system (GPS) cannot penetrate water bodies. The long baseline (LBL) positioning system can extend GPS using high-precision calibrated underwater beacons as references. While traditional LBL systems give the target position without considering calibration error of deployed beacons. To solve this problem, we propose a method different from previous works, that combining the errors of observations together. We use GPS outputs as true values to evaluate the localization performance. An LBL system with four beacons was installed in deep sea to test the results. The positioning accuracy in deep sea improves nearly 5 m. The results suggest that beacon positioning errors have a great impact on localization precision, that is significant in high-precision positioning tasks.     

Bubble acoustical scattering cross section under multi-frequency acoustic excitation

The acoustical scattering cross section is usually employed to evaluate the scattering ability of the bubbles when they are excited by the incident acoustic waves. This parameter is strongly related to many important applications of performance prediction for search sonar or underwater telemetry, acoustical oceanography, acoustic cavitation, volcanology, and medical and industrial ultrasound. In the present paper, both the analytical and numerical analysis results of the acoustical scattering cross section of a single bubble under multi-frequency excitation are obtained. The nonlinear characteristics(e.g.,harmonics, subharmonics, and ultraharmonics) of the scattering cross section curve under multi-frequency excitation are investigated compared with single-frequency excitation. The influence of several paramount parameters(e.g., bubble equilibrium radius, acoustic pressure amplitude, and acoustic frequencies) in the multi-frequency system on the predictions of scattering cross section is discussed. It is shown that the combination resonances become significant in the multi-frequency system when the acoustic power is big enough, and the acoustical scattering cross section is promoted significantly within a much broader range of bubble sizes and acoustic frequencies due to the generation of more resonances.     

针对周期偏移声信标的二阶高精度水声定位模型

针对传统长基线水声定位模型在以飞机黑匣子等周期偏移声信标为目标时定位精度显著下降的问题,提出了一种不依赖于信号周期信息的新型长基线定位模型。该模型将传统时延差定位模型拓展至二阶,通过求取到达时间的二阶导数,消去未知声信标周期。为避免由阶数提高引起的解算非收敛问题,引入了改进牛顿迭代算法,有效提高了新模型的收敛概率。所提出新模型的仿真试验及湖上试验的定位误差分别为3.14 m和1.19 m,试验结果表明,该模型实现了周期偏移声信标的高精度定位解算。     

分布式光纤中的稳健时间延迟估计方法

在分布式光纤传感系统定位中,传统时延估计算法常由于噪声相关性较强而失效。采用一种削弱相关噪声的改进型广义相关法,并针对系统特点,为进一步改善分布式光纤传感定位的准确度与稳定度,提出了一种先对数据按事件信号进行分帧,再采用卡尔曼滤波器对分帧时延估计结果进行跟踪的时延估计方案。系统仿真实验与实际数据测试结果均表明:提出的时延估计方案能够有效抑制强相关性的噪声,提高时延估计的准确度与稳定度。经大量现场测试,本文的方案能够有效地将时延估计误差稳定地控制在0.2个采样间隔以内,能够满足系统实际定位精度要求。     

基于水声信道传播特性实现三元阵三维定位研究

三元阵通常被用来完成测距任务,要实现三维定位需要与其他设备合作或增加阵元数来完成。针对常规三元阵三维定位问题,本文基于水声信道传播特性,通过虚拟阵元实现三元阵的全方位被动三维定位;同时,本文通过对三元阵进行非直线布阵来解决直线三元阵对 轴方向定位的左右模糊问题,实现全方位三维定位。数值分析和仿真表明该方法能够很好的完成三元阵全方位三维定位问题,尤其对浅海近程目标。     

一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法

超短基线定位系统的定位精度和准确度是评价系统性能的重要指标, 通常采用固定点的定位重复度来评价定位精度, 采用其他解算方法作为真值参考评价定位准确度. 本文首先分析了以误差椭圆理论为基础的超短基线精度评价方法, 给出了理论推导公式, 证明了观测数据和理论误差椭圆的关系. 本文提出了一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法, 通过长基线交汇模型求解目标的真实位置评价系统的准确度. 根据该方法解算得到的待定目标位置作为真值参考, 能够反应系统误差的修正情况. 最后采用该方法进行海试数据处理, 处理结果表明该方法能够较好的反应定位精度, 进一步修正了系统偏差, 修正系统偏差后和修正前相比定位精度提高了0.2%, 具有良好的工程应用价值.     

软件抗距离模糊技术在异步水声跟踪定位中的应用分析

异步水声定位系统可在目标信号发射时刻未知时对目标跟踪定位,此时发射和接收时钟存在固定时差。对于基于时延测量的长基线异步定位系统,当信号传播时延大于脉冲重复周期时,就会出现距离模糊。本文提出了在异步水声跟踪定位系统中软件抗模糊的思想,探讨了一种利用目标参考位置抗模糊的算法。从异步定位模型出发,得出等价的抗模糊准则,依据准则推导了算法及相应的参考位置取值范围,分析并克服了固定时差对算法的影响。海试结果验证了算法的可行性和有效性。     

Experiments of ocean surface waves and underwater target detection imaging using a slit Streak Tube Imaging Lidar

This letter describes a flash Lidar imaging technique that uses a streak tube camera as a receiver to detect short scale surface wave fields for oceanographic, underwater target and coastal measurements. The range and intensity imaging of short scale sea-waves and underwater targets can be supplied by this system through light reflected from the surface of the sea and targets. Through a surface scattering model, more accurate range and intensity information can be extracted. The technique can be applied to surface wave measurements and underwater target detection with high resolution. The feasibility of this technique is demonstrated by applying the technique to data acquired by shipborne Streak Tube Imaging Lidar (STIL) in the Yellow Sea and also the East and South China Seas.     

水下回波处理中分数阶傅里叶变换的带通采样实现方法

利用球形压电陶瓷自身所具有的耐压能力,采用径向极化空气背衬压电球壳换能器作为声学接收敏感元件,设计并制作了一种球形耐压水听器。首先对其低频开路接收灵敏度和谐振频率等声学特性进行了分析和有限元仿真,然后对其强度和稳定性等耐压性能进行了分析和有限元仿真,最后对其声学性能和耐压能力进行了测试。测试表明,该球形耐压水听器的直径为36 mm,工作频段为50 Hz10 kHz,低频接收灵敏度为􀀀198:4 dB(0 dB=1 V/Pa),等效自噪声谱级为46.5 dB@1 kHz,其耐压深度可达3000 m。该耐压水听器为大深度水听器设计提供了参考,在深水声学领域具有重要的应用价值。     

Experimental studies of applications of time-reversal acoustics to noncoherent underwater communications

The most difficult problem in shallow underwater acoustic communications is considered to be the time-varying multipath propagation because it impacts negatively on data rates. At high data rates the intersymbol interference requires adaptive algorithms on the receiver side that lead to computationally intensive and complex signal processing. A novel technique called time-reversal acoustics (TRA) can environmentally adapt the acoustic propagation effects of a complex medium in order to focus energy at a particular target range and depth. Using TRA, the multipath structure is reduced because all the propagation paths add coherently at the intended target location. This property of time-reversal acoustics suggests a potential application in the field of noncoherent acoustic communications. This work presents results of a tank scale experiment using an algorithm for rapid transmission of binary data in a complex underwater environment with the TRA approach. A simple 15-symbol code provides an example of the simplicity and feasibility of the approach. Covert coding due to the inherent scrambling induced by the environment at points other than the intended receiver is also investigated. The experiments described suggest a high potential in data rate for the time-reversal approach in underwater acoustic communications while keeping the computational complexity low.     

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。      

基于组合线阵的近程运动小目标被动定位跟踪

针对水下运动小目标被动探测与定位问题,提出了分段组合子阵联合处理探测方法,各探测子阵采用相互垂直结构布局,克服了单阵方位模糊及无法定位等问题。研究了分段组合子阵的宽带最小方差无畸变失真响应近场聚焦目标定位方法,实现了近程蛙人等水下小目标被动高精度定位。在此基础上,采用卡尔曼滤波算法对目标运动轨迹进行预测估计,将目标定位信息与跟踪轨迹信息进行匹配,实现高背景噪音下的运动小目标的跟踪处理。理论分析及仿真结果表明,分段子阵联合处理能有效对水下运动小目标进行定位和跟踪,海试试验进一步验证了该方法的有效性。     

时频分布重排方法在水下目标回声识别中的应用

特征提取是目标识别的关键技术,本文提出了一种基于时频分布重排的Wigner-Ville分布(WD)特征提取方法。选择WD作为研究问题的切入点,使用核函数方法,通过平滑伪Wigner-Ville分布(SPWD)抑制交叉项;为解决引入核函数导致信号时频聚集性下降问题,我们采用时频重排方法来增强目标的时频聚集性,最后用海上实验数据对本文方法进行了有效性检验。实验结果表明,本文提出的SPWD时频重排特征提取方法具有:(1)可有效抑制WD固有的交叉项;(2)增强目标回声信号时频聚集性;(3)可明显地提高水下目标识别率。该方法具有一定的应用推广价值,为解决水下目标识别问题提供了很好的思路。     

光纤干涉测距中的量程倍增系统

利用光纤传感技术,实现了一种可以测量１ｍ以上的绝对距离的光纤干涉测距的倍增系统。它主要采用两个干涉仪,分别对靶标进行定位及对光程进行调谐和对距离进行测量,通过引入已精确标定的光纤,利用短导轨,实现了高精度、大距离的测量。     

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。     

激光照明水下目标距离选通成像系统的研制

基于水下目标探测的应用需求,研制开发了一套激光水下距离选通成像系统。系统采用波长532 nm、最大单脉冲能量400 mJ的Nd:YAG脉冲激光器作为照明光源,采用最小选通门宽3 ns、像元10241024的ICCD相机作为门选通器件和图像记录器件,利用DG535型数字脉冲发生器作为精确延时和同步控制器件实现激光脉冲和ICCD相机选通门的同步以实现距离选通功能。利用该系统在某水库进行了水下目标探测实验,实验结果表明,该系统可在6.5倍的衰减长度上识别目标,在8倍衰减长度上发现目标。     

基于并行蚁群算法的长基线定位方法*

为了降低各个误差源对水声目标导航定位精度的影响,该文将水声目标导航定位问题抽象为带约束条件的非线性优化问题,并论证了最优化表达式参数求解过程与降低误差源干扰的过程具有同一性;设计了并行蚁群算法求其最优解。海试数据处理结果表明,该方法具有收敛速度快、解稳定和定位精度高等优点,能有效地降低各个误差源对水声目标导航定位精度的影响。