矢量水听器拖曳阵的信号模拟器设计

本文中所设计的基于矢量水听器的拖线阵声纳模拟器,仿真了拖线阵的拖船干扰时域信号和空间传播特性,以及矢量水听器偶极子指向性。对于拖船干扰的仿真用Ecs模型来设定宽带功率谱,以AR模型来拟合指定功率谱,利用海底、海面对声场的一次反射作用仿真了拖船干扰的空间多途信道。利用插值滤波器的方法按照设定的时间精度仿真了宽带信号的阵元间精确延时。处理该模拟器所产生阵元时空采样仿真信号而得到的波束形成结果验证了该模拟器的有效性。     

基于矢量水听器的声压和质点振速的空间相关系数

矢量水听器同步测量声场空间一点处的声压和质点振速的三个正交分量,由此得到的幅度和相位信息有利于改善声呐的检测和估计性能。对三维球形各向同性噪声场中声压和质点振速的时空相关性本文进行了研究,推导了矢量水听器的噪声协方差矩阵的理论表达式;给出了矢量水听器水平线阵和垂直线阵的协方差矩阵;研究单个矢量水听器的噪声协方差矩阵,并给出了浅海近岸水域的试验结果;利用上述理论结果推导了矢量水听器阵列的声能流阵增益。     

MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性（英文）北大核心CSCD

提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176dB,且具有良好的“8”字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。     

矢量拖线阵不同形状水听器流噪声响应特性

拖线阵声呐流噪声大小与水听器形状密切相关,为了揭示矢量拖线阵流噪声响应特性,研究了不同形状矢量水听器滤波特性及其噪声抑制特点。基于波数-频率谱分析方法,导出了圆柱形、球形、胶囊形矢量水听器的波数响应函数以及噪声功率谱解析表达式;并根据湍流边界层压力起伏Carpenter模型数值计算了矢量水听器波数响应函数、流噪声响应特性与水听器形状和几何尺寸之间的变化规律,得到了不同形状矢量水听器抑制流噪声特点。研究结果表明,细长胶囊形矢量水听器具有较好的流噪声抑制性能。      

三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计

本文介绍了一种新型水声接收换能器－三维同振球型矢量水听器,这种水听器可以用来获取水下声场的矢量信息,文中概括地描述了矢量水听器的结构类型及其特性的表征;详细叙述了同振型三维矢量水听器的设计方法,给出了作者所研制的三维同振球型矢量水听器样器的声学特性测试结果。     

全面感知水声信息的新传感器技术——矢量水听器及其应用

文章介绍了一种新型水声接收换能器——矢量水听器(矢量传感器),它可以同时共点地测量声场的声压和矢量(水媒质质点振速,振动加速度或声压梯度等),使用矢量水听器比常规声压水听器能获得更全面的声场信息,因此,在水声技术中获得了广泛的应用.文中描述了矢量水听器的结构设计和工作原理及特性,给出了一些重要的应用例子.     

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验

为评估基于单矢量水听器的方位估计能力,在黄海海域对矢量水听器进行实验。矢量水听器吊放于接收船尾部,采用平均声强器和复声强器方位估计方法,并提出以概率密度值最大的方位角作为目标方位估计值的具体处理准则,对恒定方向、匀速行驶的目标船方位进行估计,并求出两种方法的方位估计误差。结果表明,水听器布放深度10 m时,对正横距离为0.42 km的航速10 kn的目标船,平均声强器方法的水平方位角估计误差18°,极角估计误差为5°,可以在离目标船最远1.17 km处估计其方位;复声强法的水平方位角估计误差为13°,极角估计误差为8°,可以在离目标船最远2.35 km处估计其方位。在有接收船的噪声干扰情况下,复声强器比平均声强器方法估计的方位更准确,可以对更远处的噪声源进行方位估计。     

声波水平折射引起水平位移椭圆极化和声能流水平偏转

针对矢量水听器测向的应用要求,研究了三维水声传播问题中水平折射对声矢量场特性的影响。理论分析表明,水平折射可使质点水平位移从线性极化转变为椭圆极化,同时引起声能流方向的水平偏转。声能流方向的水平偏转导致波达方向偏离目标水平方位,对目标水平方位估计造成误差。采用虚源法仿真了倾角为2.86°的楔形波导中的三维声矢量场,并给出了空间各点处由水平折射引起的单矢量水听器目标方位估计误差。结果显示,部分区域中由水平折射引起的目标方位估计误差可达10°以上。      

薄壁球形导流罩对矢量水听器接收性能的影响

在实际使用时,为了减小流噪声对矢量水听器的影响,将其放置在流线型较好的导流罩内,因此对导流罩内矢量声场的计算是非常必要的。以水下弹性球壳为研究对象,从理论上研究了弹性薄球壳声透射对矢量水听器声场测量的影响;推导了平面声波对弹性球壳声透射的矢量声场数学表达式,计算了不同壳体参数下内充水弹性球壳的声透射矢量声场对矢量水听器各通道声波接收响应幅值和相位以及各通道接收指向性的影响。理论分析表明,弹性薄球壳透射声场对矢量水听器接收声场的影响与壳体机械阻抗和水听器安装位置密切相关,水听器安装偏差对其声场测量影响比较大。     

矢量拖线阵水听器流噪声响应特性

针对传统拖线阵流噪声理论的局限性, 建立了完善的矢量拖线阵流噪声理论分析方法, 可全面准确地揭示矢量拖线阵流噪声响应特性. 基于细长圆柱的湍流边界层压力起伏Carpenter模型, 采用波数-频率谱分析方法对矢量拖线阵流噪声响应特性进行了理论研究, 导出了圆柱形矢量水听器流噪声响应的声压和振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 定量分析了流噪声响应功率谱与拖曳速度、水听器尺寸、套管尺寸和材料等参数之间变化规律; 另外, 还讨论了圆柱形矢量水听器偏离护套轴线时矢量拖线阵流噪声响应, 导出了流噪声响应的声压、径向和轴向振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 数值计算结果表明: 轴线偏移距离对声压和轴向振速的高频噪声的影响要大于对低频噪声的影响, 而对径向振速的全频段噪声都有明显影响, 且对振速分量影响要远大于对声压影响.     

Geoacoustic Inversion Based on a Vector Hydrophone Array

We propose a geoacoustic inversion scheme employing a vector hydrophone array based on the fact that vector hydrophone can provide more acoustic field information than traditional pressure hydrophones. Firstly, the transmission loss of particle velocities is discussed. Secondly, the sediment sound speed is acquired by a matchedfield processing （MFP） procedure, which is the optimization in combination of the pressure field and vertical particle velocity field. Finally, the bottom attenuation is estimated from the transmission loss difference between the vertical particle velocity and the pressure. The inversion method based on the vector hydrophone array mainly has two advantages： One is that the MFP method based on vector field can decrease the uncertain estimation of the sediment sound speed. The other is that the objective function based on the transmission loss difference has good sensitivity to the sediment attenuation and the inverted sediment attenuation is independent of source level. The validity of the inverted parameters is examined by comparison of the numerical results with the experimental data.     

Beaked whale (Mesoplodon densirostris) passive acoustic detection in increasing ambient noise

Passive acoustic detection is being increasingly used to monitor visually cryptic cetaceans such as Blainville's beaked whales (Mesoplodon densirostris) that may be especially sensitive to underwater sound. The efficacy of passive acoustic detection is traditionally characterized by the probability of detecting the animal's sound emissions as a function of signal-to-noise ratio. The probability of detection can be predicted using accepted, but not necessarily accurate, models of the underwater acoustic environment. Recent field studies combining far-field hydrophone arrays with on-animal acoustic recording tags have yielded the location and time of each sound emission from tagged animals, enabling in-situ measurements of the probability of detection. However, tagging studies can only take place in calm seas and so do not reflect the full range of ambient noise conditions under which passive acoustic detection may be used. Increased surface-generated noise from wind and wave interaction degrades the signal-to-noise ratio of animal sound receptions at a given distance leading to a reduction in probability of detection. This paper presents a case study simulating the effect of increasing ambient noise on detection of M. densirostris foraging clicks recorded from a tagged whale swimming in the vicinity of a deep-water, bottom-mounted hydrophone array.     

压差式矢量水听器方位估计中的干扰抵消

矢量水听器由于能获取声场中标量（声压）和矢量（振速）信息，因此单个的矢量水听器就可实现目标方位估计。单个矢量水听器是利用信号的声压和质点振速之间相关性进行信号方位估计，但是当存在干扰，并且干扰和信号之间相关时，如果对运用能量流进行方位估计的方法不加改进，则会出现很大的误差，甚至出现错误的估计。本文提出一种存在已知噪声干扰情况下的干扰抵消方法，并针对该方法进行了仿真试验，最后运用湖试数据进行了验证。结果表明，该方法能有效地减弱相千千柑对信号的影响，实现对信号的方位估计。     

同振球型矢量水听器声波接收理论研究

对同振球型矢量水听器声压和质点振速的声波接收理论进行了研究。以同振球型振速水听器测量原理为基础,推导了自由运动刚性球体和弹性球体的声波接收响应数学表达式,分析了振速水听器几何尺寸、平均密度与其频响特性曲线之间的关系;另外,根据球面接收器的声波接收理论,推导了矢量水听器声压接收响应数学表达式,通过理论分析和数值计算,研究了振速水听器表面上的声压分布规律以及声压水听器的声波接收压力系数与其接收面的大小、质点振速水听器的半径、布放的位置和半径等参数之间的关系;从理论上建立了矢量水听器声波接收理论模型和分析方法,为矢量水听器的设计和研制提供了理论依据。      

利用矢量海洋环境噪声提取声场格林函数

考虑到矢量水听器在垂直方向上具有8字形指向性,能够有效抑制远方非平稳噪声源的干扰,提出了一种矢量环境噪声相关函数(NCF)提取声场时域格林函数(TDGF)的方法。基于简正波理论建立了声压和垂直振速垂直相关性模型。在此基础上,给出了声压和垂直振速相关函数提取声场纵向格林函数的过程.数值仿真对比和实验数据分析表明,相对于声压提取方法,垂直振速提取方法能够有效消除直达波前出现的亮纹与亮区干扰。此外,对于同等时间长度噪声序列,声压提取方法只提取到直达波路径,而垂直振速提取方法还提取到了我们更为关心的海底反射路径。利用直达波与海底反射波到达时延差估计的海深与实测海深吻合较好。      

Investigation of the spatial correlations of flow noise in vector hydrophone towed linear array

Following the wall pressure spectrum of the turbulent boundary layer developed by Corcos, a method in the frequency-wavenumber space was presented to analyze the flow noise in the vector hydrophone towed linear array. The general forms of the acoustic pressure and particle velocity in the flow noise field were obtained, and the spatial correlations of the flow noise were calculated. The numerical analysis results based on wavenumber integration show that： （1） The spatial correlations of flow noise drops rapidly with increasing axial separation between the elements, so the flow noise received by different vector hydrophones usually sampled in a half-wavelength rate can be considered as independent; （2） The flow noise is highly correlated in the radial direction at low frequency, and only those of high frequency componet can be neglected.     

海洋环境噪声空间相关特性建模综述*

相对于大多数声纳,海洋环境噪声通常被视为背景干扰。水听器基阵的信噪比增益成为了基阵设计和性能估计的重要参数。从空间相关特性的角度看,当信号场已知时,阵增益可唯一由噪声场的空间相关特性来确定,这就是海洋环境噪声空间相关特性建模的动机。根据环境和声场之不同,文献中已给出几种不同的噪声场模型。为了阐明已有模型的特点及未来的研究方向,本文对噪声场空间相关特性建模做了简要综述。     

基于矢量水听器阵列空域预滤波处理的多重信号分类算法研究

矢量水听器能同时拾取声压和振速信息,在相同的信噪比、阵元数及阵列孔径下,矢量阵定向性能优于声压阵列。目前,以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的高分辨定向算法已经广泛应用于矢量水听器阵列中。但是随着信噪比降低、信号源方位间隔减小,传统MUSIC算法定向精度及分辨概率显著下降。本文采用最小二乘法设计适用于矢量水听器水平阵列的矩阵空域滤波器,用于阵列数据的空间滤波预处理,可以对阻带扇面噪声进行有效抑制。由滤波后的数据协方差矩阵可以得到新的噪声子空间,在传统MUSIC算法基础上修正通带扇面内阵列流型的畸变后即可得到滤波后MUSIC算法的方位谱。仿真结果表明,当信噪比较低时,改进算法有效提高了通带扇面内目标方位分辨性能。最后本文对四基元矢量水平阵列海试数据进行了处理,改进算法对窄带信号定向较常规算法-3 dB束宽减小了13°,旁瓣级降低约8 dB。对有一定带宽的行船辐射噪声定向处理得到了更加精确的航迹图,海试数据处理结果证明了该算法的可行性和有效性。     

Array gain for a conformal acoustic vector sensor array:An experimental study

An acoustic vector sensor can measure the components of particle velocity and the acoustic pressure at the same point simultaneously, which provides a larger array gain against the ambient noise and a higher angular resolution than the omnidirectional pressure sensor. This paper presents an experimental study of array gain for a conformal acoustic vector sensor array in a practical environment. First, the manifold vector is calculated using the real measured data so that the effects of array mismatches can be minimized. Second, an optimal beamformer with a specific spatial response on the basis of the stable directivity of the ambient noise is designed, which can effectively suppress the ambient noise.Experimental results show that this beamformer for the conformal acoustic vector sensor array provides good signal-tonoise ratio enhancement and is more advantageous than the delay-and-sum and minimum variance distortionless response beamformers.