运动目标辐射声场干涉结构映射域特征研究

浅海低频声场呈稳定而显著的干涉特征,并蕴含声源状态和波导特性等信息.本文研究运动目标辐射声场干涉结构的简化映射以及映射域能量分布对目标运动状态的指示特征.理论分析了声压场和矢量声场空(时)频干涉谱图的二维傅里叶变换映射特征,推导了匀速运动目标时频干涉谱图映射域能量脊斜率与波导不变量以及距变率、航向角的关系式,证明了映射域脊斜率符号、脊斜率绝对值变化等对目标来袭或远离以及目标威胁程度的指示,并进行了数值仿真和海上试验研究.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性.研究结果表明:二维傅里叶变换可将声压场和矢量场时(空)频谱图干涉结构简化,匀速运动目标辐射声场干涉结构映射域的能谱脊斜率、距变率、航向角与波导不变量有解析关系式,声强谱、动能密度谱、声强流谱等声场干涉结构经映射后更为一致,映射域脊能简明的指示目标运动状态和威胁程度.     

海面偶极子声场中近程运动参数估计

对海面偶极子声场提出基于单个水听器的定位算法,并设计信号处理流程和双曲线提取的Hough变换法。海试结果表明信号处理和双曲线提取具有较高增益,定位算法稳健、具有较高精度。该算法所需设备简单,运算量小,在近距离目标运动参数估计和辐射噪声测量方面具有特色。     

多普勒频移和干涉谱联合的水声目标运动参数估计

常见水中运动目标会辐射连续谱噪声和线谱噪声,连续谱噪声在浅海波导环境中形成明暗相间的干涉条纹。根据干涉条纹可以得到目标最近距离与速度的比值,无法直接解出两个参数值。针对利用干涉条纹无法分别估计最近距离与速度问题,提出一种多普勒频移、干涉条纹结合的运动参数估计方法。根据单条线谱多普勒频移得到最近距离与速度参数耦合曲线,再将该曲线与干涉条纹得到参数比值线相交,交点即为两参数估计结果。数值仿真估计声源运动速度、最近距离,在信噪比6dB条件下,平均估计误差分别为0.71%与0.87%。将该方法应用在2021年6月大公岛海域海试数据,5组实验数据估计目标运动速度、最近距离平均误差分别为2.5%,4.4%,证明了方法的有效性。     

红外目标运动参数估计方法

图像光流的计算不需要在图像序列中建立特征之间的对应关系,但是直接利用光流法进行目标的运动参数估计和跟踪运算量很大,而且受噪声等影响而比较困难。首先采用聚类分割方法提取出目标区域,然后对目标区计算光流场,得到目标运动速度估计值,实现目标跟踪。此方法对比较复杂的红外图像也可以进行较好的分割,跟踪时无需建立图像间的特征对应关系,计算量大大缩小,目标运动速度的估计误差也很小。     

浅水近距离测量声场的干涉结构分析

为指导浅水中水平距离在十倍水深范围内进行的近距离声学测量工作,选取对软底浅水声场产生主要贡献的直达声线和一次水面反射声线,经过合理的近似处理,以射线解析方式给出了中低频信号声场干涉结构的表达式,并将表达式由单频信号推广到宽带信号和线性调频等信号形式。所得到的解析关系式定量给出了浅水中声场干涉结构与信号频率、信号带宽、设备布放深度和水平距离等参数的关系,由此进一步得到浅水条件下中近距离干涉声场的一些特性和规律。通过数值模拟和实际试验数据对上述关系式所进行的检验表明:在浅水的常规测量试验条件下,这些关系式可以较为准确地反映近距离干涉声场的起伏特征,由关系式推论得到的声场特性和规律也得到了初步验证。     

基于干涉图匹配的目标识别技术

 干涉光谱技术的优点是可以获取高分辨率的目标光谱图,再通过光谱匹配,可以实现目标的识别和分析,但它须经过从干涉图到光谱图的傅立叶变化过程。针对快速目标识别的应用,提出了基于干涉图匹配的光谱识别技术。在干涉光谱探测设备得到目标干涉图后,通过对其干涉图的匹配操作,可以确定待识别目标和期望目标的相似程度。由于目标识别中省去了傅立叶变化,使目标光谱识别的速度得到了提高。仿真计算结果表明,干涉图匹配技术从理论上是完全可行的。     

基于时空滤波理论的低频声场干涉结构研究

基于时空滤波理论, 采用相干函数、功率响应函数、扩展分布函数、双频函数四个系统函数较波导不变量更全面地描述了低频声场的相干结构. 理论分析、仿真研究和海试数据处理都验证了低频声场存在稳定的干涉结构, 当目标由远及近、又由近及远做匀速直线运动时, 相干函数(LOFAR图)的干涉结构为一簇类双曲线; 功率响应函数的干涉图表征了简正波群时延的差分, 体现了其频散特性; 扩展分布函数能反映LOFAR图上干涉条纹的斜率大小; 而双频函数能体现相慢度的差分. 各个系统函数均能特别突出干涉结构的某方面的特征, 各有特色.     

浅海矢量声场干涉结构形成机理及试验研究

浅海低频声场的微观结构特征在于具有可用波导不变量表征的 稳定空间-频率干涉结构.声场兼具标量场和矢量场, 波导条件下二者联合决定声场的全部特性. 本文研究浅海声场空频干涉结构的矢量场特征. 理论分析了声压谱、动能密度谱、声强流谱等矢量场干涉结构的形成机理, 探讨了矢量场干涉结构的波导不变量表征, 数值仿真研究了Pekeris波导中能量和能流密度的干涉特性, 进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性及表征的海上试验.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明: 中近程和中远程声场均能模态相干, 有稳定的空频干涉结构, 并且矢量声场空频干涉结构存在多种形式, 除各种能量和能流密度谱图外, 相干系数谱也呈现干涉特征, 这些形式的空频干涉结构均可用波导不变量理论有效表征. 关键词： 矢量声场 干涉结构 波导不变量 浅海低频声场     

利用宽带声场频率-掠射角干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法

针对典型深海环境中宽带声源的深度分辨问题,通过研究深海声场随频率起伏的干涉结构与垂直线阵频域波束输出图中的干涉结构,给出一种直达声区内可区分多水下目标的宽带声源深度估计方法。该方法以近水面目标的射线声场模型为基础,推导出近海面宽带声源接收声场的波束输出表达式,阐明了频域波束输出图中干涉结构与声源深度的对应关系。然后利用改进的傅里叶变换方法将二维频域波束输出图映射到声源深度-掠射角度域,可实现声源深度信息的有效分离。最后开展了深海实验验证,利用垂直阵接收拖曳声源发射的宽带白噪声信号,拖曳声源深度计算结果与实测声源深度基本一致。数值仿真与实验结果均表明该方法可以在多目标复杂环境下准确估计出水下宽带声源的深度。     

The target motion parameters estimation based on the acoustic field interference structure similarity match

A spectral sequence matched algorithm based on acoustic field interference structure is proposed to estimate the target motion parameters.According to the longitudinalcorrelation of the acoustic field using the spectral sequences of different frequencies obtained from the target LOFAR spectrogram and the target range solution vector obtained from the two-azimuth and two-range target motion parameters calculation method,a matching cost factor of the spectral sequences similarity is constructed to...     

基于声强向量法的体积目标被动跟踪和尺度估计

根据体积目标的几个特定部位的辐射噪声特性的不同,应用声强向量方法对它们进行观测,然后,应用卡尔曼滤波器对它们进行跟踪,并实现目标纵向尺度的估计。仿真结果表明:本文方法能在理想模型条件下实现体积目标的各个特定部位的良好跟踪并能完成目标纵向尺度的估计;即使在某一部位不可观测的条件下,该方法也可较好地实现对各个部位的跟踪和目标纵向尺度的估计。     

基于声场干涉结构的双水平阵(元)被动测距

为探寻适用于拖曳线列阵声呐的被动测距方法,基于海洋波导的重要特征一低频声场具有稳定可观察的干涉结构,结合波导不变量理论提出了两种被动测距算法。采用双水平阵(元)模型,分别获得各阵(元)的LOFAR图和方位时间历程后,对LOFAR图进行Radorn变换提取干涉条纹的频率时间历程,进而结合各测距算法实现被动测距。并通过仿真研究和定位精度分析,验证了算法的可行性。     

Passive ranging based on acoustic field interference structure using double arrays(elements)

Two kinds of passive ranging algorithms are proposed combined with waveguide invariant theory based on the important characteristic of the ocean waveguide that the interference structure is stable and can be observed in the low-frequency acoustic field,in order to explore the passive ranging method suitable for the towed line array sonar.The double arrays (elements)model is adopted,so the LOFARgram and bearing-time records of the each array (element)can be obtained.Then the frequency-time records can be extracted by processing the LOFARgram via Radon transform,so the passive ranging can be achieved combined the corresponding ranging algorithms.And the feasibility of the algorithms has been verified by simulation researches and positioning accuracy analysis.     

一种快速稀疏贝叶斯学习的水声目标方位估计方法研究

针对以具有时序结构的稀疏贝叶斯学习(Temporally multiple sparse Bayesian learning,TMSBL)为重构算法的水声目标DOA (Direction-of-arrival)估计方法存在运算速度慢的问题,结合块稀疏贝叶斯学习(Block-spare Bayesian learning,BSBL)理论框架下DOA估计模型与特点,采用MacKay提出的定点方法(Fixed-point method)对TMSBL算法中的核心超参量进行求解,提出一种快速的水声目标方位估计稀疏贝叶斯学习的方法,该方法具有运算速度快,重构概率高的特点,并通过实验仿真从运算时间、失败率和均方根误差等方面与TMSBL算法进行比较,验证了该方法的可行性与有效性。     

On fast estimation of direction of arrival for underwater acoustic target based on sparse Bayesian learning

The Direction of Arrival(DOA) estimation methods for underwater acoustic target using Temporally Multiple Sparse Bayesian Learning(TMSBL) as the reconstructing algorithm have the disadvantage of slow computing speed.To solve this problem,a fast underwater acoustic target direction of arrival estimation was proposed.Analyzing the model characteristics of block-sparse Bayesian learning framework for DOA estimation,an algorithm was proposed to obtain the value of core hyper-parameter through MacKay's fixed-point method to estimate the DOA.By this process,it will spend less time for computation and provide more superior recovery performance than TMSBL algorithm.Simulation results verified the feasibiUty and effectiveness of the proposed algorithm.     

The motion of interfaces and the similarity dimension

A discrete model of interfaces with self-similarity is proposed to show the power-law decay of the total area. In the case that the similarity dimension is equal to the spatial dimension a $\text{t}{}^{\mathrm{<mtext>?</mtext><mtext>1</mtext><mtext>2</mtext>}}$ law appears.