利用波导不变性提高声场的水平纵向相关

简正波干涉可以引起声场的水平纵向相关下降,从而降低大孔径阵列信号处理的增益。基于声场的波导不变性,提出了信道中具有一定纵向间隔的两点的频率响应函数之间的线性相位关系。利用该线性相位关系,提出了一种适用于声源频谱缓变条件下提高声场水平纵向相关的频移补偿方法。浅海声学实验结果表明,该方法能使实验中水平阵接收信号的空间相关得到显著提高。     

基于倾斜阵的距离与方位联合估计*

针对阵列倾斜引起的阵不变量方法定位精度下降的问题,该文结合倾斜阵声源定位的三维模型提出一种基于倾斜阵的距离与方位联合估计算法。该算法通过联合自校正方位距离联合估计方法对阵列倾角在声源-接收平面的投影量进行估计和补偿,改善目标距离估计误差的同时,利用匹配出的阵列倾角投影量反向估计目标方位,获得对声源二维位置的估计。通过仿真验证了该算法能够在阵列倾角较小时实现目标方位与距离的联合估计。     

声强谱频移补偿的波导不变量和距离估计方法

基于声强的距离一频率干涉结构,利用对水平阵不同阵元信号的声强谱进行频移补偿的方法估计波导不变量和距离。在波导不变量和距离其中一项已知的情况下,可以通过该方法估计另外一项。利用2011年12月北黄海水声实验中拖曳声源发射和海底水平阵接收的线性调频信号,通过上述方法估计了不同距离处的波导不变量。结果显示波导不变量的估计值在0.8到1.2之间变化,其均值与利用实测海洋环境计算的理论值符合良好。同时,利用相同的信号和波导不变量的理论计算值,通过上述方法在不同时刻进行距离估计,结果与GPS测量距离基本一致。      

浅海非均匀水平阵宽带声场信号无源孔径扩展

大孔径水平阵对于浅海低频水声物理实验研究和应用至关重要,然而受实际情况制约,通常使用的水平基阵孔径十分有限,通过孔径扩展处理来扩展基阵孔径是一条重要途径。传统的无源孔径扩展方法是建立在均匀线阵、匀速相对运动和相干窄带连续信号的基础上的,难以适用于非均匀阵以及非连续宽带声源的情况。针对这些问题,提出了非均匀阵宽带声场信号的无源孔径扩展方法。使用静止布设在海底的非均匀水平短阵接收运动声源重复发射的宽带声信号,先开展均匀空间插值,然后在阵元域和波束域进行宽带扩展孔径处理。仿真和实验结果表明,在水深约70 m的浅海波导环境中,纵向间隔27.5 m的2个阵元接收20~200 Hz宽带声场,其空间插值结果与真值的相关系数大于0.99,说明宽带声场插值方法的合理性。在水平非均匀、纵向孔径250 m的短阵接收声场无法分析简正波频散特征的情况下,仿真和实验数据经过宽带无源孔径扩展处理得到孔径大于1 km的均匀线阵的声场,能高分辨区分各阶简正波,证明所提方法是有效的。      

深海波导中基于采样简正波模态降维处理的广义似然比检测

针对深海波导中的水下声源检测,结合声传播与接收特性,提出了一种基于简正波模态信息降维处理的窄带声源检测方法,运用广义似然比(generalized likelihood ratio,GLR)方法导出了深海波导中的特征值检测器和恒虚警率特征值检测器(下统称为GLR检测器).理论分析表明,给定阵列输入信噪比下,GLR检测器的输出信噪比随接收数据空间维度的减小而增大.根据简正波理论,阵列接收信号声场位于由各阶采样简正波模态信息张成的空间(简称模态空间).由于阵列孔径尺寸的限制,在深海波导中常会出现"有效模态空间"维度小于阵元域接收数据空间维度的情况.基于此性质并根据阵列采样的简正波模态信息,提取"有效模态空间"以构造降维矩阵,分别导出了使用垂直线列阵和水平线列阵时的降维GLR检测统计量.数值仿真给出了GLR检测器的检测性能分析与对比,验证了降维GLR检测器的性能改善效果,同时表明水平线列阵接收声场位于更低维的"有效模态空间","有效模态空间"维度随阵元间距和声源频率的增大而减小.     

空间放电辐射脉冲的探测与定位

提出一种基于辐射场窄带测试的空间放电辐射信号探测系统,系统主要由8路定向性天线阵、高增益接收前端以及数据处理单元构成。基于该探测系统建立了空间平面4元阵列定位模型,研究了空间放电辐射源位置快速搜索算法,并对定位精度进行了试验验证。实验结果表明,该系统能对1km以内的空间放电辐射源进行探测,阵元尺寸为10m的空间平面4元阵列的距离定位误差小于2.5%。该探测定位系统可以用于复杂电磁环境下空间放电源位置的确定。     

深海声影区时频谱干涉结构与声源定位*

被动声呐探测位于深海声影区的水面舰船辐射噪声时,接收信噪比通常较低,导致声源被动定位方法的性能较差。针对这一问题,提出一种利用接收信号时频谱干涉结构的声源距离和径向速度联合估计方法。首先根据射线声学理论,建立时频谱沿频率轴和时间轴的干涉条纹周期与声源距离和径向速度的关系,然后对接收信号时频谱进行二维傅里叶变换和多频带处理以估计上述干涉条纹周期,最后解算声源距离和径向速度。仿真和海试数据处理结果表明,相比于现有利用接收信号自相关的声源距离估计方法,该文利用时频谱二维傅里叶变换的声源定位方法具有较好的稳健性,比较适用于低信噪比条件下的声源被动定位。     

浅海大孔径时钟弱同步阵列的信道匹配阵形校准

浅海大孔径时钟弱同步阵列的阵形校准,受到时钟偏移与信道频散的不利影响,校准精度难以满足探测要求。利用浅海波导环境中仅激发一阶模态的低频段校准信号,使用基于波导参数计算的相速度开展信道匹配距离测量,并将时钟偏移作为未知参数纳入校准模型,结合声源与参考阵元的位置信息,从而消除频散效应和时钟偏移的不利影响,可实现浅海大孔径阵列阵元位置与时钟偏移的信道匹配联合校准。实验数据分析结果表明,该方法有效校准浅海大孔径时钟弱同步阵列的阵元位置和时钟偏移,较之基于时延估计的传统方法,所提方法校准后的15阵元860 m大孔径水平线阵列,对正横和端射方向附近15～30 Hz目标信号的测向精度分别提高了0.2°和0.4°,阵增益分别提高了1.8 dB和4.4 dB。     

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

浅海波导中低频声场干涉简正模态的判别

浅海波导中,低频宽带声场中干涉简正模特性可用于声源定位和环境参数反演,然而实际应用中由于存在声源位置不确知、某些简正模激发较弱、模型参数选取失配等因素的制约,导致干涉简正模阶数的判别存在问题.结合水平线列阵应用,根据阵列接收信号中干涉简正模成分的波束输出角度与距离无关但与干涉简正模阶数和频率相关的波导固有频散特性,提出了一种基于阵元域接收信号自相关函数WARPING变换过滤干涉简正模,进而对其波束输出角度进行模基匹配判别简正模阶数的方法.利用2011年北黄海海域声学实验中坐底布放的32元水平线列阵接收的爆炸声脉冲信号,对方法进行了验证.并由仿真数据分析了声速剖面、海底参数和水深等参数失配及信噪比对方法性能的影响.结果表明水深变化14%以上对干涉简正模波束输出角度的提取值影响最大,可引起方法失效;声速剖面和海底参数在一定失配范围内对方法性能的影响可忽略;方法要求单阵元信噪比大于2 dB.     

运动声源与接收器的脉冲简正波传播

基于简正波声场理论,导出了声源和接收器运动情况下窄带脉冲声传播的表式。分析了窄带脉冲声的单个简正波Doppler频移特性。通过研究接收与发射脉冲信号的相关,给出了窄带脉冲信号的Doppler匹配条件以及Doppler频移补偿间隔的般表式。浅海55 km的D0ppler频移补偿实验验证了理论结果。     

基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法

浅海波导运动声源定位研究中,在声源距离未知时估计声源深度一直是个具有挑战性的问题.现有深度估计方法对声源未知初始距离敏感,且要求声源运动形成的水平合成孔径长度远大于模态干涉长度.针对这两个问题,本文提出一种基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法,首先将垂直阵接收声压数据在深度和水平合成孔径方向分别进行波束形成变换到波束-波数域,波束-波数平面的峰值幅度仅包含与声源深度有关的模态激励,峰值位置与模态传播角和水平波数相对应;然后,在波束-波数平面内提取各峰值幅度,并与拷贝计算的模态深度函数进行非相干匹配,实现声源深度估计.所提方法在波束-波数二维平面内进行模态分离,消除了声源距离相关项,提高了模态分辨能力,可在声源初始距离未知和水平合成孔径长度小于模态干涉长度的情况下实现声源深度估计.仿真和SWellEx-96实验数据处理结果验证了所提方法的优越性能.     

水平阵信号压缩感知用于简正波分离

针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20~200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97~1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82~0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。      

大陆斜坡海域宽带声源的匹配场定位

2001年在东中国海大陆斜坡海域进行了中美联合浅海声学实验。基于该次海域数据对垂直阵接收的宽带爆炸声信号进行了匹配场定位研究。结果表明,若用水平海底模型计算拷贝场,声源的定位误差较大;考虑海底倾斜后,匹配定位结果就得到很大改善,在1.0～50.0km距离范围内,大多数信号的定位结果与GPS标称距离一致。     

使用同心多环阵提升声源定位鲁棒性*

房间混响带来的多径失真是影响声源波达方向估计精度的主要因素之一。应用于环形阵列的相干信号子空间方法可以降低相干反射声带来的不利影响。该方法对环形阵进行谐波展开,并利用环谐波域导向矢量的频率无关特性聚焦各频率下的空间相关矩阵。但单环阵列存在展开系数零点,这会导致严重的噪声放大而降低定位的鲁棒性。该文提出了一种环谐波域的最小模同心多环阵,来缓解系数零点处的噪声放大问题。设计了一套麦克风阵列系统,用于评估同心多环阵列定位的鲁棒性。仿真和实验结果均表明:与相同孔径和阵元数的单环阵相比,使用最小模准则设计的同心多环阵列可以显著提升混响场景下的声源定位的稳健性。     

确定声源频率和位置的超分辨阵列处理方法

基于均匀线阵接收一定距离的声源得到的时间和空间维的样本数据提出分离处理：用时间协方差矩阵确定声源频率;通过对近场空间协方差矩阵进行修正,用重构在相同方位上的远场近似空间协方差矩阵确定声源方位角。并在此基础上,通过改变阵列中心位置确定声源位置。计算机模拟和声学实验证实了上述方法的可行性．     

基于简正波分解的不同阵列匹配场定位性能分析

针对利用不同阵列对浅海环境中水下目标的定位问题,基于简正波分解方法,对组合阵的目标声源定位性能进行了研究,着力解决在实际实验环境下定位性能不够高的问题,并降低实验设备布放难度.在浅海环境下,基于匹配场理论的声接收阵可实现目标的定位,但定位性能受阵形、阵元数目等影响.通过研究不同声接收阵的简正波分解矩阵,可以有效辨别不同阵形定位性能的优劣.仿真实验表明,当某一子阵简正波分解效果较差时,会降低组合阵的定位性能.基于实际实验的需求,在对短垂直阵和组合阵性能的研究中发现,由于水平阵对接收声场的定位模糊度函数中的旁瓣有抑制效果,从而造成模糊度函数表面上旁瓣较低,定位目标的主旁瓣比有所提升的现象.仿真实验表明,不同组合阵形的定位准确度均在90%以上,基于实际应用的考虑,组合阵无疑是对定位性能和实验复杂度的折中选择.     

阵元随机均匀分布球面阵列联合噪声源定位方法

基于球面传声器阵列的噪声源定位方法,设计加工了阵元随机均匀分布64元球面传声器阵列,研究了球面近场声全息和球谐函数模态展开聚焦波束形成联合噪声源定位识别方法,对算法的性能进行了仿真分析,并利用球面传声器阵列进行了噪声源的定位识别试验.研究表明,阵元随机均匀分布球面阵列具有全空间稳定的目标定位性能,球面近场声全息对低频近距离声源具有较高的定位精度,球谐函数模态展开聚焦波束形成对高频远距离声源具有较高的定位精度,将两种方法联合进行声源的定位识别,可以在较小孔径的球面阵列和较少阵元的条件下,在宽频带范围内获得对目标声源良好的定位性能.     

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。     

不同频段下利用虚拟接收方法的声源测距性能分析

考虑到传统的匹配场处理定位需要复杂的匹配声场计算,并对环境参数和声场模型有很高的依赖,为了克服这种缺点,采用虚拟接收方法对声源进行测距。首先对垂直阵接收到的引导声源和目标声源的信号进行相关处理,得到虚拟接收声场并估计虚拟接收声场干涉条纹的斜率,结合波导不变特征量β对目标声源进行测距。通过数值仿真和2004年南海实验数据处理,讨论了浅海斜坡海域环境中不同频段下利用虚拟接收方法对宽带声源测距的性能。随着频率升高,需要展宽频带以获得完整的干涉条纹和良好的测距结果。在实验数据处理中,选取频段较高的信号时,由于阵列间距偏大不能保证采样的简正波模式的正交归一特性,不能获得正确的测距结果。