三元阵被动测距浅海试验及后置处理

为改进三元阵被动测距性能,采用了滑动窗互相关器估计时延,与常规互相关器相比时延估计性能有较大提高;采用的方位和距离的改进计算公式,在近程有很高的测距精度。针对实验结果瑕点多的现象,提出了在线自动跟踪剔除瑕点的方法,能稳健有效自动地筛选出高质量的数据,称之为“圆筛”。并引入了“动态滤波”,将其与“圆筛”结合作为后置处理模块。介绍了浅水、近程的三元阵被动测距海试结果,目标船分别为摩托艇和中型双体船,测距结果与精度为20 cm的差分GPS定位结果比较,表明“圆筛”和“动态滤波”相结合的后置处理方法,可显著改善测距效果。     

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。     

声矢量传感器线阵波导不变量被动测距研究

介绍一种利用水声信道的统计不变特征(波导不变量)实现被动测距的方法。对接收LOFAR(Low FrequencyAnalysis Record)图使用HOUGH变换等边缘提取技术提取条纹,得到波导不变量以及抛物线参数的估计值,进而得到目标的CPA(Closest Point of Approach)点距离。矢量水听器的振速通道数据所得LOFAR图信噪比明显高于声压LOFAR图,可以提高测距精度。仿真和试验数据结果显示本方法能以较高的精度提取CPA点距离。对比波导不变量经验值和在线估计值所得最近点距离结果,发现使用具有一定精度的在线估计波导不变量值可以显著提高测距精度。     

声场干涉结构相似度匹配的目标运动参数估计

针对水中运动声源定位问题,建立了一种基于声场干涉结构谱向量相似度匹配的目标运动参数估计方法。结合声场干涉结构水平纵向相关特性,利用目标辐射噪声LOFAR谱图中不同频率的谱值序列,基于两方位-两距离目标运动要素计算方法获取的目标距离解向量,构造声场干涉结构谱向量相似度匹配代价因子,实现目标运动参数估计。仿真数据与试验数据验证结果表明:在绘制的目标运动要素解算结果可视化分布图中可清晰呈现出目标初距、航向和速度结果。该算法实现过程简单、解算效率高,对目标方位误差有较好的鲁棒性。     

相控阵超声阵列换能器中阵元参数对声场的影响研究

为探究相控阵超声阵列换能器中不同阵元参数对声场的影响,以相控阵超声波检测基本原理和声场辐射理论为支撑,应用MATLAB软件进行数值模拟分析,建立辐射声场模型,进行不同参数下的阵列换能器指向性和声场分析.分析了阵元各项参数变化时对波束质量、聚焦范围、成像效果的影响,结果表明:阵元中心频率过小会使成像分辨率过低,阵元中心频...     

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     

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.     

水下被动测距的后置处理

本文根据我国海上实验数据,分析了水下被动定位后置处理的必要性和作用,并较系统地发展了以线性二维卡尔曼滤波为基础的处理方法。分析了平均法可获得的性能和存在的问题,详细地发展出用时延的二次差作状态变量的线性卡尔曼滤波器,讨论了噪声统计参数的选取,发现运动噪声参数对环境变化敏感,需要自适应调整。分析了极坐标和直角坐标下两级距离滤彼的性能。最后讨论了海上实验分析中发现的有待进一步研究的问题。     

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.     

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%。     

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...     

Passive acoustic tomography of the ocean using arrays of unknown shape

It was recently established that ocean acoustic tomography based on an inversion of ray travel times can be implemented without use of any dedicated sound sources by cross-correlating the ambient noise recorded on two line arrays, the shapes of which are known. In contrast to active tomography, the amount of useful information from noise interferometry is proportional to the product of the numbers of receivers in the two arrays. In our study based on the 2D and 3D numerical experiments, we examine a hypothesis concerning the feasibility of simultaneous performance of a passive ray tomography and passive positioning of arrays through cross-correlation of ambient or shipping noise. The numerical experiments are conducted under conditions close to those of a field experiment on passive ocean tomography. It is demonstrated that, when using arrays of 20–40 hydrophones, the sound velocity profile and the array shape can be found from noise correlation to an accuracy adequate for oceanological and acoustic applications.     

利用波导不变量进行运动单线阵的无源测距测速

为克服单线阵难以无源测距、测速的缺点,提出了利用目标辐射低频声场干涉结构和波导不变量的运动单线阵无源测距、测速方法。定义了运动目标的距离距变率比（目标距离与距离变化率的比值）,并利用与目标辐射声场的时间-频率干涉结构和波导不变量相关的变量来表征距离距变率比。根据此定义,通过对目标辐射声场的时间-频率干涉结构图进行Radon变换等处理,实现对距离距变率比的估计。利用所估计的距离距变率比,结合平台速度、目标方位角和目标航向角实现对目标距离和速度的同时估计。仿真实验验证了所提方法在测距、测速时的正确性和有效性。结果表明:所提方法在目标航向角较大时有较高的距离、速度估计精度;同时,目标方位估计误差越小,所提方法的距离、速度估计精度越高。     

多基阵联合的无源纯方位目标运动分析研究

研究基于两声呐基阵的方位数据融合的目标运动分析方法,给出了伪线性处理、扩展卡尔曼滤波、最大似然估计等算法的模型,进行了仿真实验,比较和分析了仿真结果。计算结果表明,所给出的多基阵联合的无源纯方位目标运动分析方法,不仅克服了单基阵纯方位目标运动分析需要本舰机动的限制,而且提高了参数估计算法的稳定性和全局性。     

基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题, 提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法. 在浅海波导中, 声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳定的频率特征. 声压和水平振速的自相关卷绕谱具有相同的准线谱特征, 垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征, 与声压自相关卷绕谱相比, 其尖峰个数比更多, 且尖峰宽度更宽. 利用引导源, 本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法. 利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理, 结果表明, 该方法能够实现气枪声源的有效测距. 与传统单声压水听器被动测距方法相比, 该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度.