利用Doppler-warping变换的水下对空运动声源的线谱探测EI北大核心CSCD

提出了一种利用Doppler-warping变换的水下对空运动声源的线谱探测方法。该方法首先利用Doppler-warping变换线性化目标线谱的多普勒相位,再提取线性化后的目标线谱点,结合波束形成算法实现对目标的探测。仿真和海试数据处理结果表明,与直接提取目标线谱实现探测的方法相比,所提出方法有以下几个优势:(1)将目标线谱多普勒相位线性化,线谱跟踪更为稳定连续;(2)将目标线谱频带展宽的能量重新集中到原频率附近,在低信噪比环境下能更好地提取目标线谱;(3)将干扰线谱瞬时频率非线性化,能更好地实现干扰线谱的分离。海试数据处理结果表明,实现了对远至16.8 km处空中运动目标的水下有效探测,探测能力与抗干扰能力明显增强。     

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。     

空气中快速运动声源水下声场的波数积分模型

本文采用二维波数积分，对空气中高速运动声源激发的水下声场进行建模。针对二维波数积分计算声场时域解计算量大的问题，提出一种快速计算方法。用本文提出的方法，对深海和浅海情况下，空气中高速运动单频点声源激发的水下声场进行了计算和仿真。计算结果表明：在深海，水下接收信号的幅度和瞬时频率随时间发生变化；接收器深度、接收器与声源运动轨迹的最小距离对接收信号的变化快慢有较大影响，而声源高度的影响较小；在浅海中，接收信号呈现快速的幅度起伏，明显的多普勒频移和大的频率展宽效应。与简正波方法相比，本文方法主要适用于近场计算，而简正波方法适用于远场。另外，当声源频率较高时，二维波数积分方法的计算量将迅速增大。     

各种水下声源的发声机理及其特性

扼要综述了现有的七种水下声源产生技术,包括炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源、电磁式声源、激光声源和等离子体声源。分析了这些声源的发声机理,结合其性能特点阐述了在实际中的不同应用,并对等离子体声源的机理、特点和实际应用进行了重点分析。列表归纳总结了各种水下声源的原理、主要性能和应用范围,为水下声源的应用拓展提供了依据。     

空气中声源激发水下声场的水平纵向相关性

声场的空间相关特性是声场的重要特征,对水下探测、水声通讯等各种设备在实际海洋环境中应用的参数选择具有重要意义,是水声工程技术研究的重要基础之一。相比于水中声源激发声场的相关特性研究,空气中声源的相关研究很少。本文推导了空气中声源激发水下声场的水平纵向相关的简正波表达式,并通过数值仿真分析,比较了声源分别位于空气中和水中时水下声场的水平纵向相关特性。对南海海域进行的一次悬挂汽笛空气声源、海底水平阵接收信号海上实验获得的数据进行分析,结果表明:空气中声源位于不同距离时,其发射的声信号激发水下声场的水平纵向相关均存在明显的起伏结构,基于本文提出的空气中声源激发水下声场的水平纵向相关系数的简正波表达式能够较好地解释该现象.     

声学滑翔机联合的深海水下声源定位

为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性,提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据,分析了宽带脉冲信号的多途传播特性,然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明:在印度洋深海非完全声道条件下,在100 km范围内,使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确,但仍有估计误差较大点;联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度,对于200 m深度的声源,距离估计均方根误差为2.5 km,相对误差小于4%,方位估计均方根误差为2.4°。     

识别运动声源随机阵列生成法研究

针对随机阵列结构设计方面欠缺高效的生成方法这一问题,在保证阵列对声源识别精度的前提下,提出一种在极坐标下用于识别运动声源的随机阵列生成方法。根据声阵列识别运动声源的原理,推导了非等间距基本同轴圆环的半径,再通过降列分区、极坐标下条件筛选和模拟评价三个步骤,生成适用于识别运动声源的目标随机阵列,最后进行数值模拟和运动汽车噪声源识别实验进行验证。研究结果表明,用该方法能够高效地生成目标随机阵列,与常用规则阵列相比具有更良好的声源识别特性,并且具有准确的运动声源识别性能。     

低频水下声信号的激光探测

根据表面波声光效应的原理,提出了一种低频水下声信号的激光探测技术,并建立了实验装置。在几十赫兹的低频段,对水下声源所产生的表面声波进行了探测。实验过程中,利用MATLAB软件对拍摄的衍射图样进行扫描分析,得到了衍射图样中条纹的像素差。根据波长与条纹间距的解析关系式,得到了低频液体表面声波波长,其大小在毫米量级。利用计算机编程,根据最小二乘法拟合色散关系的回归曲线,测量结果与理论色散关系吻合。该方法具有实时、非接触的特点。     

稀疏驱动自适应线谱增强的水下目标谱熵检测

针对无人平台在水下复杂环境中的线谱弱目标自主检测问题,提出了一种采用稀疏驱动自适应线谱增强(ALE)为前处理的监督学习目标检测方法。该方法在ALE代价函数中引入稀疏性l_p范数,并将稀疏正则化推广到0<p<1;经过稀疏驱动ALE处理使目标声谱的熵特征差异更加明显,利用支持向量机(SVM)的小样本学习能力,对波束声谱的熵特性曲线进行分类,判别目标是否存在。仿真结果表明,输入信噪比为-20 dB情况下,l_1/2稀疏驱动ALE比常规ALE的处理增益高11.5 dB。利用水下无人平台海上拉距试验的数据对算法性能进行验证,在宽带强干扰影响下,该方法可有效检测远距离声源,虚警率为3.5%时,检测率达95.8%,有效提高了对线谱弱目标的检测概率,具有较强的环境适应性。     

水下运动声源的方位方差检测方法

为了提高对水下运动目标的检测能力,利用水下目标辐射信号与海洋环境噪声在空间分布特性上的差异,提出了一种方位方差检测方法。该方法采用时延估计法估计目标方位,对方位求方差以获得检验统计量。采用奈曼-皮尔逊准则,推导了该方法的检测概率关系式,得出了检测性能与信噪比关系曲线,并与宽带能量检测方法进行了比较,表明该方法的性能远优于宽带能量检测方法。理论分析和海上试验结果都验证了该方法的有效性。     

运动小孔径水平基阵估计目标深度

针对浅海动态声场,基于简正波模型提出了一种利用运动小孔径水平基阵估计目标深度的方法。通过合成孔径算法将运动小孔径水平基阵扩展成虚拟的大孔径水平基阵,利用稀疏近似最小方差准则可以在相对较小的合成孔径上估计各阶简正波模态能量,不同深度的模态匹配度由Camberra距离的负指数度量,目标深度估计结果是模态匹配度最大值对应深度。数值仿真与实验结果表明,在简正波声场结构基础上,声源频率越低则实现目标深度估计需要的合成孔径距离越小,当声源与阵列端射方向成一定角度时,对所需合成孔径的影响与其相对速度变化时的影响相同,在典型浅海水平分层波导中,当单阵元输入信噪比为10 dB时,准确估计200 Hz和350 Hz声源的深度,分别要求合成孔径大于12倍和16倍波导深度。利用实验数据验证了该方法对水下低频线谱声源的深度估计能力。     

循环移位扩频水声通信

针对常规直接序列扩频水声通信数据传输速率低及M元扩频水声通信接收机复杂度高的问题,基于扩频序列优良的相关特性,提出循环移位扩频水声通信方法.在发射端,根据输入信息对基本波形进行循环移位编码;在接收端,利用快速相关技术进行时延估计及译码.进行了中远程湖上实验研究,在15 km距离,2 kHz带宽内,总数据传输速率可达438 bit/s, 误码率为10^-2—10^-5.实验结果表明该方法具有带宽利用率高、复杂度低的特点,适用于中远程及多用户水声通信. 关键词： 水声通信 扩频 循环移位 时延估计     

M元码元移位键控扩频水声通信

针对传统直接序列扩频、M元扩频和码元移位键控扩频水声通信速率低的问题,基于小Kasami序列优良的自相关和互相关特性,提出了M元扩频和码元移位键控扩频两者相结合的水声扩频通信新方法.不仅利用了不同的序列信息,还利用了相同序列的扩频码相位信息.对于自相关和互相关函数在加性高斯白噪声和衰落信道下对M元码元移位键控扩频这种水声通信方法的影响进行了分析,并分别在两种信道下对其性能进行仿真,仿真结果表明在同等通信速率下M元码元移位键控扩频的抗噪声能力要高于直接序列扩频、M元扩频和码元移位键控扩频.在水池对M元扩频、码元移位键控扩频和M元码元移位键控这三种情况进行了比较性实验.在10~4比特的数据量下,实现了253.6 bps通信速率的M元码元移位键控无误码传输.     

正交码元移位键控扩频水声通信

码元移位键控(CSK)作为一种广义的M元扩频技术被广泛应用于水声通信领域来克服扩频增益对通信速率的限制.为了获得更高的通信速率, 减少通道间干扰, 并充分利用 CSK的冗余信息, 本文提出联合利用码元相位信息的正交双通道CSK扩频水声通信技术.首先, 推导了正交CSK每符号积分输出的表达式; 然后, 研究了正交CSK的性能及与传统CSK和双通道CSK对比仿真的误码率; 最后, 通过实验验证了仿真对比的正确性. 实现了正交CSK在10⁴ bits, 4 kHz带宽下580.6 bps通信速率的有效传输. 通过公式推导、 仿真分析和实验研究, 得到正交CSK提供了优良的性能的结论. 关键词： 水声通信 扩频 正交 CSK     

基于面阵CCD的瞬态光谱检测方法研究

针对瞬态光谱检测中对CCD线扫描速度要求高的特点,提出一种基于面阵CCD的瞬态光谱检测方法。该方法通过改变面阵CCD的电荷转移方式,以实现基于面阵CCD的高速线扫描。为了探究此方法的可行性,初步通过改变线阵CCD的电荷转移方式,建立了基于线阵CCD的单点超快探测系统。在发光二极管(light emitting diode,LED)光脉冲探测实验中,系统分别工作在单点超快探测模式和正常模式下。测试结果表明,基于线阵CCD的单点超快探测方法是可行的,单点探测速率可达20MHz。从而在理论上证明,通过改变CCD电荷转移方式以实现基于面阵CCD的瞬态光谱检测也是切实可行的。     

气体浓度激光光谱检测温度影响修正研究

基于激光吸收光谱技术的气体检测手段具有非接触,分辨率高,灵敏度高等优势,然而激光在线检测气体过程易受温度变化导致其浓度测量偏差增大。以氨气为研究对象,探究了温度对氨气吸收谱线线强的影响规律及影响机制,搭建了非常温条件（298 K至323 K）氨气激光检测实验平台,提出了气体吸光度-温度关联式法对浓度反演结果进行修正处理。结果表明:浓度一定时,总配分函数比值rQ是氨气分析吸收线强随温度升高过程中的主导控制因素,总配分函数比值与温度的负相关关系造成氨气光谱吸光度随温度升高而降低;修正前浓度反演值随着温度升高而降低,温度达到323 K时,浓度反演值为3.13%,与标准浓度值相比其误差高达37.4%,经过修正后的浓度反演值与标准浓度值的相对误差在0.2%～1.4%范围内。