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。     

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。     

基于频谱Sevcik维数的目标运动速度估计*

在声目标无源估计应用中,目标与接收器存在相对运动时,接收的目标辐射的噪声信号存在多普勒频移。多普勒频移中包含目标的运动参数信息。针对线谱信号多普勒频移目标运动参数获取问题,提出一种基于频谱Sevcik维数的目标运动速度获取方法。首先利用Doppler-warping变换对接收信号进行重采样,然后对重采样后的频谱信号求Sevcik维数,最后通过寻找Sevcik最小值来实现速度估计。仿真证实了所提方法的有效性,在相同仿真条件下,所提方法相较于频谱求熵算法,速度搜索结果不仅具有更窄的主瓣宽度,而且可提高抗噪性5dB左右。两组实验数据的速度估计误差小于5%,证明了本文算法的有效性。     

线谱非平稳性与Dopplerlet测距测速

水中航行物的辐射噪声中的线谱特征通常被用来提高声呐的检测性能,本文用线谱特征来估计水中航行物的距离和速度。文中给出了四条水中航行物的时变谱图像和线谱图的例子,从这些例子中可以看到线谱非平稳性的一些时频形态,线谱非平稳反映的航行状态变化和由于辐射噪声与水声信道相互作用产生密集的干涉条纹等现象。文章指出了其中有二组特征蕴藏的目标距离和速度信息,线谱和干涉条纹。利用Dopplerlet变换和匹配投影算法提取到线谱中蕴藏的目标距离和速度信息。用计算机模拟验证了本方法的可行性,编写了较好的算法,并调查了算法的性能。在此基础上,从海上实验数据中估计出水中航行物的距离和速度,其估计值与海上实验实际的距离和速度相符。     

基于高分辨谱估计方法的快速运动目标分析*

水下运动目标产生的声场由一系列不同模态的简正波组成,不同模态简正波具有不同的多普勒频率移动,携带了运动目标速度、频率等参数的信息。针对快速运动目标水下辐射声场的这一特点,采用高分辨谱估计Burg算法估计不同模态简正波多普勒频移,进而获得运动目标的速度、频率参数估计。数值仿真结果表明,高分辨谱估计Burg算法获得了高频率分辨率,在较短的观测时间或是阵元不足的情况下,较准确地估计了多普勒频移,获得了目标运动速度和初始频率等运动参数。     

利用线谱起伏实现目标测距

常见水中目标辐射噪声的线谱会随目标运动而出现强弱起伏。不同号简正波之间的干涉是目标声强随距离起伏的主要原因,利用简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,推导了不同线谱随距离变化起伏的理论关系式。基于此关系式,提出利用两条或多条线谱声强起伏进行声源测距的方法。针对两条线谱起伏测距方法存在的旁瓣问题,解释其形成原因,并提出用多条线谱声强起伏抑制旁瓣。数值仿真验证了方法的可行性,利用多条线谱声强起伏测距的方法可有效抑制旁瓣。海试数据分析表明,当连续谱部分非常微弱无法有效测距时,利用多条线谱声强起伏测距的方法仍能稳定的估计渔船目标距离,估计距离的平均相对误差为12%。     

基于纯方位的浅海距离特征量解算分析

目标辐射噪声的LOFAR图中的干涉条纹包含了目标的运动参数和环境信息。当LOFAR图中的干涉条纹模糊或缺失时,其中的目标距离信息将无法提取。对于匀速直线运动的声源目标,仅利用方位信息,通过构造距离特征量和目标方位的关系模型,给出了一种浅海估计距离特征量的补充方法。浅海数值仿真和实验验证表明了该方法的可行性和有效性。     

高速运动目标的自适应线谱增强算法研究

本文研究了低信噪比、目标高速运动情况下,多普勒频移较大时针对线谱信号的自适应增强算法。对海试数据的分析表明,常规自适应线谱增强算法对多普勒频移下的线谱增强效果明显,但要求信噪比较高,且实时性较差;基于高阶累积量对角切片的自适应线谱增强算法对非线性高斯色噪声下的线谱增强效果显著,但对低信噪比环境下变化线谱的跟踪性能较差;频域批处理自适应线谱增强算法对低信噪比下的线谱信号具有很好的增强效果,降低了运算量。     

用于面形测量的光纤投影器相移和频移特性

提出了一种光纤投影器产生相移和频移的方法,给出了光纤投影器相移和频移特性的理论与实验相一致的结果。光纤投影器利用双光束干涉产生正弦调制的结构光场,通过在一路光中引入压电陶瓷PZT,调节PZT的驱动电压来改变双光纤中光波的光程差,从而使干涉条纹产生相移,得到相移随驱动电压的变化曲线;频移是采用移动光纤投影器到接收屏距离的方法来改变干涉光场的空间频率,给出了变频条纹的傅里叶频谱,得到干涉光场的相对空间频率,将其与理论值相比较,给出二者之间的线性关系曲线,从而证明了干涉光场相对空间频率与投影器到接收屏距离成反比的关系。     

三维信息测量的运动声源无源测距

针对运动声源无源测距问题,给出了目标方位、多普勒频移和距离特征量作为测量信息来估计目标初始距离的方法。通过伪线性化的处理方法,构造了一个异方差的线性模型。在声呐平台直航条件下,证明了非径向运动的声源目标,利用3个目标方位、2个多普勒频移和2个距离特征量的观测信息,可以唯一地确定目标的距离、速度和航向,而仅利用目标方位和距离特征量的观测信息,系统是不可观测的。蒙特卡洛数值模拟表明:对于初始距离5 nm(海里)的情形,三维信息测量方法比参考方法的目标距离的平均收敛时间要少200 s左右,收敛时间标准差要少40 s左右。随着初始距离的增加,两种方法收敛时间差有变大的趋势,这意味着三维信息构造的方法的稳健性优于参考方法。实验数据也进一步验证了在300 s左右,目标距离的估计逐渐趋于收敛。因此,该方法可以在稳定的干涉结构条件下,实现运动声源的无源定位。     

具有速度谱分辨能力的角色散FP干涉测量技术

 发展了可用于速度谱诊断的角色散Fabry-Perot干涉测量技术,使不同频移探测激光形成的干涉条纹在空间分离,从而可对单一或混合运动源引起的多普勒频移成分进行检测,并给出物体速度谱分布。利用Fabry-Perot干涉测量技术,开展了激光驱动铝箔飞片实验。随着驱动激光能量的变化,观察到了铝箔飞片的不同速度谱分布,包括没有速度空间分散的速度谱、分裂成几片并以不同速度飞行的离散速度谱、碎片云或射流状态下的连续速度谱分布,此外还观测到了冲击下铝箔/玻璃界面分离引起的条纹分裂现象。     

激光多普勒测速中散射粒子的大小对信噪比的影响

采用双光束干涉条纹模型,用光散射理论分析了激光多普勒测速中球形散射粒子的大小对散射光信噪比的影响。用数值解法求得了信噪比随散射粒子半径变化的曲线。仅从穿过测控区时光信号的信噪比这一方面考虑,结论是:粒子半径的取值不应大于干涉条纹宽度的0.35倍。     

地基气辉成像干涉仪探测高层大气风场的定标研究

我们研制的地基气辉成像干涉仪(ground based airglow imaging interferometer,GBAⅡ)样机成功地探测了地球上空90—100 km的大气风速和温度.为了提高GBAⅡ的探测精度,本文研究GBAⅡ所拍摄的成像干涉条纹的定标:对干涉条纹中心位置定标、电荷耦合器(CCD)暗噪声和平场定标、整个光学系统衰减系数定标、步进步长定标、光程差随入射角变化量定标、仪器响应度定标和零风速相位定标等理论和实验进行了研究.利用最小二乘法对GBAⅡ拍摄的30幅成像干涉图的圆心坐标定标在CCD(123.3,121.1)像素位置;利用632.8 nm激光获得GBAⅡ所用CCD的平场定标系数矩阵,分别得到平场前后的干涉图并检测出CCD的噪声和坏点;利用GBAⅡ获得图像的边缘亮环相位与中心亮斑相位的差值对入射角10.24°时,光程差相对0°入射角时变化了0.356个条纹;拍摄200幅成像干涉图的实验离散点进行正弦拟合后的均方根标准偏差达90.34%,该完整干涉条纹的步进间隔为4.06 nm,对应步进相位为0.0094π;针对正演公式中GBAⅡ的系统衰减系数对所拍摄的原始干涉图利用IDL编程得到光学系统衰减系数的多项式,拟合的均方根标准偏差达99.98%;采用632.8 nm激光作光源,简化了GBAⅡ的响应度表达式,通过实验得其响应度为4.97×10~(-3)counts·(Rayleigh·s)~(-1);针对GBAⅡ室外观测,给出零风速定标的矩阵表达式后,对532.0 nm和632.8 nm激光的对应零风速相位分别为-9.2442°和-68.6353°.本文提供了多种定标方法,并逐一通过实验进行验证,为国内被动遥感探测高层大气风场提供了强有力的实验支持.     

利用杨氏双缝干涉讨论Talbot效应

利用杨氏双缝干涉原理讨论了平行光垂直照射下光栅的Tablot及分数Tablot现象.在成像平面上所观察到的光栅衍射条纹实质上是光栅中一定缝距的许多双缝对的杨氏干涉条纹的可除相干叠加条纹,其条纹间距和明暗中心位置都未变化;但是像相对于光栅即条纹分布相对于光栅刻线可能有半个周期的偏移,这可由双缝对参数α的奇偶决定,如果α为偶数则没有偏移,如果α为奇数则有偏移.     

基于小波变换条纹修补和条纹自相似性的干涉条纹极值提取

提出了基于小波变换的条纹修补方法和利用干涉条纹自相似性的条纹灰度极值自动判读方法.基于小波变换的条纹修补方法包括滤除噪音、多尺度小波变换、模极大值检测滤除奇异区域、近似信号自动修补,在此基础上进行多项式拟合,首先实现最外层条纹灰度极值的自动提取.基于干涉条纹自相似性的条纹灰度极值自动判读方法是通过逐渐平移拟合区域,准确地提取了内层条纹的灰度极值位置,从而可以处理整幅图片的干涉条纹.此方法的特点是自适应、无需人为设定参量、处理速度快.实验结果表明,该方法有很好的可靠性和准确性,并且处理区域大、用时少,仅需对图片扫描一次即可提取全部条纹的灰度极值.     

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.     

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。     

光纤干涉位移传感器相位估计的一种精确方法

应用信号处理有关技术提出了一种光纤干涉位移传感器相位估计的方法,可以解决很大范围的不等幅、周期非均匀、带噪干涉信号条纹的精确计数问题。分析了此方法的适用范围及估计精度。对于１０ｄＢ信噪比的系统来说,位移在０．３ｍｍ以内的测量精度可达到λ／１００。