海洋环境噪声中的α稳定分布模型

针对海洋环境噪声的非高斯特性,将α稳定分布模型应用到噪声统计建模中。基于模型特征指数与样本峰度物理意义的相似性,建立了二者的对应关系,并推导得出相互独立的两个随机变量之和的峰度。通过数值仿真,表明了α稳定分布对尖峰态噪声建模的可行性和适应性。以安静环境、气枪干扰、航船干扰3种典型环境下的海上实测数据为样本,借助分位数图判断了样本的非高斯特性,并利用分位数法和特征函数法联合估计了模型的参数,得出了特征指数的统计规律:安静环境下特征指数接近2.0,趋近于正态分布;气枪干扰下特征指数介于1.2~1.7之间,具有尖峰厚尾特性;航船干扰下与航速、干扰源到接收位置距离有关,航船影响越显著,特征指数越小,该现象恰好与干扰噪声的峰度变化在物理意义上一致。模型验证结果表明,α稳定分布对3类样本均表现出良好的建模效果,尤其对具有尖峰特性的气枪干扰噪声,效果远远优于正态分布。      

一种α稳定分布参数估计方法及其在冰源噪声统计建模中的应用

为研究冰源噪声的统计特性,扩展了一种用于合成孔径雷达图像信号参数估计的α稳定分布参数估计方法的适用范围,解决了该方法在特征指数α接近2时,偏斜参数β的估计精度严重下降的问题,并将其应用于北极冰源噪声的统计建模中。该方法利用两个特征函数点进行参数估计,第二个特征函数点ω₀的取值范围受尺度参数γ值影响。数值仿真表明:当γ∈[0.00006,0.4]时,ω₀> 1时的参数估计性能更好;当γ∈(0.4,2]时, 0 <ω₀ <0.5时的参数估计性能更好。北极噪声数据的验证结果表明,ω₀> 1时的α稳定分布对冰源噪声表现出良好的建模效果。最后给出了不同海冰状态下α值的统计规律。     

宽频带海洋环境噪声矢量场空间相关特性建模

基阵的信噪比增益与噪声场空间特性密切联系,海洋环境噪声空间特性建模始终是水声学研究的热门问题.声纳功能不同,其工作频段和带宽通常也不相同,因此,任意频带噪声场的空间相关系数对声纳系统设计具有重要参考价值.依据海洋环境噪声场的产生过程,在高频近似条件下,本文提出一种噪声场时域建模方法,给出了水平分层介质中表面噪声时域声压和质点振速的积分表示,为噪声矢量场宽带模型的建立奠定了基础.根据风成噪声谱结构,数值计算了不同频带、不同谱斜率的噪声场空间相关系数,揭示了带宽、谱结构对风成噪声空间特性的影响规律.随着阵元间距和带宽增大,噪声矢量场各分量的空间相关系数的振荡周期数逐渐减少,振荡幅度逐渐减小,这是由于噪声场相关系数频域平均的结果.当谱斜率小于零时,宽频带噪声场的空间相关半径大于窄带噪声场的相关半径,这是由于低频段噪声起主要贡献的结果,实测海洋环境噪声声压场竖直方向空间相关特性变化规律与理论结果一致.本文模型对换能器成阵技术研究以及环境参数反演具有潜在应用前景.     

南海夏季海洋环境噪声与海面风速相关特性分析

海洋环境噪声是影响潜艇作战及远程目标探测和定位的重要参数,由于海洋环境噪声具有很强的时空变异性,因此只能通过试验数据测量和处理了解环境噪声的统计特性。本文以2013年4月30日至8月1日,南海典型海域布放海洋环境噪声测量潜标系统所收录的环境噪声为研究对象,数据处理结果表明,在整个频率范围内,海洋环境噪声与对数风速具有很好的线性关系,但环境噪声随风速变化的斜率与频率相关,在1kHz附近达到最大值。本文通过波束形成分析了海洋环境噪声的垂直指向性,并给出了“垂直方向噪声”、“水平方向噪声”和“全向噪声”与风速相关性分析结果,可以看出,在风浪噪声与远处航船噪声都有贡献的中频段,“垂直方向噪声”与海面风速的相关性好于“全向噪声”和“水平方向噪声”与海面风速的相关性,且“垂直方向噪声”随风速变化的斜率略大于“全向噪声”随风速变化的斜率。     

梯度磁场作用下光纤中磁流体光透射特性研究的建模与分析

对光纤中磁流体在梯度磁场作用下的光透射特性进行了研究,提出光纤中磁流体的光透射率变化主要来源于梯度磁场引起的磁流体密度分布变化。根据郎之万函数和流体理论,推导了光纤中磁流体在梯度磁场作用下的密度分布,并根据Beer-Lambert定律,得到磁流体光功率透射衰减和纳米粒子局部密度的关系,从而建立光纤中磁流体在梯度磁场作用下光透射特性的理论模型。进而对光纤中磁流体在不同梯度磁场作用下的光透射功率进行数值分析,得到不同磁场强度和磁场梯度下光纤中磁流体透射功率的变化规律。最后将数值分析的结果和实验数据进行对比,验证了模型的合理性, 同时也验证了梯度磁场作用下磁流体光透射功率的变化主要来源于磁流体密度分布变化的推论。     

光子成像系统信号与噪声的统计特性分析

在去除光子图像的本底噪声时,根据微弱点目标的探测统计特性,以泊松分布均值与方差相等的特点为判据,提出了一种确定阈值选取范围的新方法。利用点过程的分析方法研究了光子受限点目标的探测统计特性,并进行了实验研究,结果表明光子受限点目标的探测统计特性服从平稳泊松点过程。利用以上分析方法可以快速地获得微弱点目标事件的期望发生率,以及在下一段时间内目标至少再出现一次的概率,从而为后续的目标探测、跟踪以及位置预测奠定了基础。     

扩展目标光学特性的理论分析与研究

利用双向反射分布函数经验公式推导出激光主动照明条件下的目标反射截面表达式,给出了目标反射截面的一种近似计算方法,基于该方法计算了圆锥体目标反射截面。利用固体激光器和CMOS相机搭建实验系统,实际测量了目标反射截面随入射角度和不同目标体等参数变化时的变化情况,实验系统及数据同提出的方法计算得到的结果基本一致。结果表明,目标形状相同,入射角小于45时,目标反射截面随着无涂层、白色油漆、灰色油漆逐渐变小,大于45时白色油漆涂层目标反射截面最大;在目标表面特性相同的时候,目标反射截面随圆板、圆柱、圆锥渐次减小。     

扩展目标光学特性的理论分析与研究

利用双向反射分布函数经验公式推导出激光主动照明条件下的目标反射截面表达式,给出了目标反射截面的一种近似计算方法,基于该方法计算了圆锥体目标反射截面。利用固体激光器和CMOS相机搭建实验系统,实际测量了目标反射截面随入射角度和不同目标体等参数变化时的变化情况,实验系统及数据同提出的方法计算得到的结果基本一致。结果表明,目标形状相同,入射角小于45时,目标反射截面随着无涂层、白色油漆、灰色油漆逐渐变小,大于45时白色油漆涂层目标反射截面最大;在目标表面特性相同的时候,目标反射截面随圆板、圆柱、圆锥渐次减小。     

Bi-2212元件的超导限流特性测试与数值分析

Bi-2212元件(Bi-2212monofilar bulk element)是开发24KV/630A超导限流器(SFCL)的元件之一。本研究从实验和理论上探讨了Bi-2212元件的直流伏安特性、交流损耗特性、限流特性和局部温度分布。结果发现Bi-2212元件的临界电流增加了3.3倍而工作温度从77K降低到65K。尽管Bi-2212导体是线圈排列,但是其交流损耗的测量值与Norris方程的计算结果相似,温度都在77K和65K之间。故障期间每段温度的测量值与数值分析的结果一致。     

海洋环境噪声研究发展概述及应用前景

海洋环境噪声是海洋声场的背景场,通常被当作干扰项。在传统的水声学和海洋声学中,对海洋环境噪声的研究目的大多是为了降低或抑制环境噪声对水下设备的干扰,提高水下设备的性能和作用距离。目前,许多国家纷纷投入力量,开展海洋环境噪声数据获取、分析及噪声场建模工作。从另一个角度考虑,海洋环境噪声是海洋中永恒存在的声场,包含了水体及海底海面等环境特性信息。因此,可利用海洋环境噪声来研究海洋环境物理特性,通过低代价换取丰富的海洋声学信息。若能对海洋环境噪声的宽频带和任意时间存在的特性加以利用,则可以从海洋环境噪声中提取出相关的海洋环境参数。     

双声道波导中低频环境噪声分布特性

针对北极冰下双声道波导的噪声分布特性研究,采用垂直阵对双声道波导内的噪声场进行了观测,北极冰下噪声物理模型使用混合加性噪声模型描述,统计分布模型使用α稳定分布描述.并将噪声划分为3个频段,按噪声来源分为背景噪声、冲击噪声以及航船噪声3种场景,分析其统计特性,给出了直方图统计、核函数估计与正态分布的比较结果,α稳定分布参数估计结果,峰度与偏度的计算结果以及累积分布函数检验结果。经分析讨论,给出结论:双声道波导中的噪声统计分布可用α稳定分布来描述,但上下表面声道的分布参数具有明显差别,上表面波导背景噪声明显偏离高斯分布而下表面声道的背景噪声接近于高斯分布;上下表面声道中不同频带的噪声分布差异也很明显,其中2~30 Hz差异性最大,30~100 Hz差异性较大,而100~500 Hz差异性相对较小,并且可以认为是对称α稳定分布.此外,上下表面声道中不同频带噪声α稳定特征参数变化也存在差异,上表面波导受冲击噪声影响α值变大,拖尾变薄;而下表面波导受冲击噪声影响α值则会变小,拖尾变重。     

南海北部海洋环境噪声谱级空间差异性分析

为研究中国近海海洋环境噪声的空间差异性,揭示其形成原因,以同一海域同一季节两个测量站位的长期观测数据为研究对象,对比两个站位噪声谱级的差异.结合海洋信道和噪声源特性的影响,分析港口强噪声源到噪声采集站位的传播损失,发现在50~500 Hz频段传播损失差值和噪声谱级差值呈现较强相关性;对港口航船噪声源级的分析发现,该频段内源级相差20 dB左右,与休渔期前后航船密度差异相对应。试验分析和研究结果表明,南海北部海域50~500 Hz频段内海洋环境噪声与航船噪声源密切相关,两站位噪声空间差异由海区传播条件差异与航船噪声源级差异共同引起。     

确定峰度非高斯海洋环境噪声模型研究

针对非高斯海洋环境噪声仿真问题,利用对衰减正弦信号均匀采样方法,产生了具有特定谱特性同时具有特定峰度值的非高斯海洋环境噪声序列。在理论仿真条件下,通过对低峰度值和高峰度值的分别讨论发现,当峰度值高于3.0时总可以仿真得到较好的结果,而当峰度值低于3.0时,需通过降采样或降阶的方法解决不能仿真的问题。4种海上试验条件下的仿真结果表明,在安静环境、单一航船干扰环境、气枪声源干扰环境以及冲击性干扰环境下,都可以产生与目标谱特性、统计特性几乎相同的非高斯海洋环境噪声序列。     

考虑噪声源深度分布的海洋环境噪声模型及地声参数反演

考虑到海洋环境噪声源深度分布不集中,建立了噪声源随深度分布的海洋环境噪声模型,分析了源深度对噪声场垂向特征的影响并从简正波角度予以解释,发现海底声阻抗和声源深度都显著影响由海洋环境噪声获得的等效海底反射损失大掠射角部分,进而将该模型用于地声参数反演.两段实测噪声数据200—525 Hz频段的反演结果表明:基于海洋环境噪声的地声参数反演最优值与声传播的反演结果相近;源平均深度最优值随频率增加有变小的趋势,说明随频率增加环境噪声主要贡献源逐渐由航船转为风浪;当海况大于3级时,400 Hz以上频段噪声源深度平均值很小,与Monahan气泡理论的描述一致.     

北极典型冰下声信道建模及特性

将Burke-Twersky (BT)散射模型与射线理论相结合研究北极典型冰下的水声信道特性。BT模型将极地冰水界面的冰脊视为随机分布在自由表面的半椭圆柱。首先根据BT模型分别对高频和低频情况下的冰面反射系数取近似,计算不同频率的冰面反射系数。然后结合射线理论计算冰下声场并分析冰下信道特性,并与相同条件下绝对软界面的水声信道进行对比研究。结果显示,由于冰界面的存在,冰水界面与绝对软界面相比,冰面反射系数较小,使得部分声线不会传播很远,且随频率的增加衰减越发严重,因此不利于声信号远距离传播;此外在信道结构上,由于冰层反射系数较小,冰下信道多径相较于无冰的水-空气界面其多途现象不明显。研究结果对认知极地冰下水声信道特性以及开展极地水声系统性能预报具有一定意义。     

利用海洋环境噪声估计浅海海底表层声速

为提高反演效率,提出一种快速估计浅海海底表层声速的方法。根据噪声能流理论,垂直阵接收的海洋环境噪声数据能够用于无源提取海底反射损失,反射损失曲线中具有明显的临界角效应,从而接估计海底表层声速。以射线模型为基础,推导了噪声提取的反射损失与理论值之间的差异,并讨论实际阵列波束形成在不同角度和频率下的性能。考虑到非等声速环境下声线会发生弯曲,需对角度进行修正以提高方法的广泛适用性。不同频率的临界角与有效深度之间存在对应关系,黄海某海区数据处理结果表明,在临界角不变的有效深度内,海底表层可以视为等声速层,该海区海底表层0.5 m内声速估计结果为1547 m/s,与有源反演结果相近。     

基于水下滑翔机的海洋环境噪声测量系统*

水下滑翔机是一种新型的水下潜器,将其用于海洋环境噪声测量具有很大的应用潜力。选择的平台是“Petrel II”滑翔机,为其设计和实现了深水水听器和数据采集系统。深水水听器具有耐高静水压和高灵敏度的特点,并通过了60MPa的高静水压力试验;数据采集系统具有体积小、功耗低、控制灵活和易于扩展的特点。搭载声学测量系统的滑翔机顺利通过水池测试和海上试验,测试结果验证了技术方案的可行性和系统工作的稳定性,可为深入进行海洋环境噪声时空特性实验研究提供技术支持。     

水下声学浮标南中国海海洋环境噪声实测分析

海洋环境噪声是多种自然噪声和人为噪声的复杂组合,其谱级大小和频率组成是影响声呐系统探测性能的重要参数,鉴于海洋环境噪声时空域特性非常复杂,需要对海洋环境噪声进行长时间和大范围的观测才足以分析其特性。该文通过在多剖面水下浮标平台基础上集成声学测量系统,研制了一种具有海洋环境噪声监测能力的水下声学浮标平台,该浮标平台可多次上浮、下潜,具备原位坐底和定深漂流两种工作模式,能连续观测海洋环境噪声时长多达数月。利用2019年8月在南中国海海区组织的多台水下声学浮标试验某一天的数据,给出了20 Hz、63 Hz、100 Hz、200 Hz、400 Hz、800 Hz、1.6 kHz和3.15 kHz 8个频点中心处海洋环境噪声谱级随时间变化,讨论了附近航船噪声对其的干扰影响。试验表明,水下声学浮标可作为一种潜在的优势水下漂流移动平台,用于监测关注海域海洋环境噪声特性。     

浅海环境噪声垂直指向性探测海底参数

浅海环境噪声垂直指向性和海底地声参数密切相关,可以利用它来反演海底参数。本文在水平分层介质噪声场模型下,讨论了海底参数对噪声垂直指向性的敏感度,并假设半无限大液态海底,采用效率较高的自适应单纯形模拟退火算法全局寻优,根据中国某海区实测噪声数据,估计了海底声速、密度及衰减,分析了反演结果的不确定性。鉴于声速和密度在不同频率的反演结果不够一致,文中提出多频海底参数联合反演方法,提高了反演海底声学参数的精度。