第五讲新型光纤水听器和矢量水听器

光纤水听器和矢量水听器作为当前水声研究领域最具有代表性的两大技术倍受业界关注。光纤水听器的重要贡献在于，从一个全新的角度出发，试图解决传统的水声传感和声纳数据传输一体化设计和实现的一系列问题，这有助于改善声纳系统的可靠性，并且有可能降低其制造、使用和维护的总成本。矢量水听器则由于其特有的指向性和矢量一相位处理方法，在低频和甚低频水声微弱目标探测方面具有潜在的优势．经过不懈的努力，光纤水听器和矢量水听器系统已经从实验室逐渐进入到工程应用阶段．这些对未来声纳系统的发展会产生相当重要的影响．文章尝试从声纳设计的角度对这两者的技术现状进行简要综述，包括它们各自的物理基础、工作原理、关键技术和应用领域．     

基于经验模式分解的拖曳式声纳拖船噪声抵消研究

拖曳式线列阵声纳的拖船噪声具有多途角扩展等特点，并且是一个非平稳过程，使得对该噪声的消除或抑制是一大难点。经验模式分解是一种用于分析非线性非平稳信号的新方法，该方法自适应地将嵌于数据内部的多个固有模式函数逐一分解开来。本文尝试利用经验模式分解方法分离出水听器接收信号中的拖船干扰噪声，从而达到消除干扰的目的。海上试验数据的处理结果充分验证了这种方法的可行性。     

被动测距声呐中后置处理置信级的设定

精确测定目标信号到达不同水听器的延时差是被动测距声响正常工作的基础,由于海水中声传播的多途效应,往往使延时差随机起伏,被动声呐的后置处理系统应当采用合理的算法消除起伏的影响。本文提出一种类似于Kalman滤波的数据平滑算法,把测量数据的方差反馈到系统的输入端。同时用筛选的方法把由偶然因素引起的,实际上不可能是由目标信号的延时差过滤掉,从而给出置信度作为指挥决策的依据,这对提高被动测距声呐的测距精度具有重要意义。     

基于虚拟仪器技术的多路水声信号同步采集及处理平台设计

本文介绍了虚拟仪器技术在水声信号处理研究中的一个具体应用,利用LabVIEW语言编程,在NI公司高速数据采集硬件平台上实现了高采样率下多通道数据的同步采集、处理、记录功能,并在不使用信号处理机的情况下,利用主控单板机的单核CPU完成了32通道常规波束成形(CBF)的实时计算。同时,本文对非DSP硬件平台的实时信号处理实现方法进行了初步的研究。     

一种四元超短基线阵实现高精度定位

由于超短基线自身尺寸较小,随着作用距离增加,其定位误差增大。对此,本文在阵元数较小的情况下,通过优化阵型形成间距不等的四元阵来提高系统定位精度。该阵型既减少了已有八元阵的冗余阵元,也不需要发射端发送跳频信号。本文给出了新阵型的相位补偿公式以及所适用频带的理论分析。理论分析和数值仿真表明:本文所述新阵型与已有的八元阵定位精度相当。可为改善超短基线定位精度提供一些参考。     

二维频域波束形成方法

一般来讲，无论雷达或声纳从基阵接收的信号均是多维信号，本文将在二维频率域对窄带传输信号进行分析与描述，研究线列阵的波束形成问题，根据分析结果并考察了几种特例。     

具有良好宽容性的逆波束形成干扰抑制算法研究

在阵列信号处理中,逆波束形成干扰抑制算法利用干扰的方位信息估计干扰信号从而进行干扰抑制,但在复杂海洋环境中阵列接收的干扰信号往往存在相位随机扰动,此方法估计的干扰信号与实际干扰信号有较大偏差,造成干扰抑制效果不理想。为适应干扰相位的随机扰动,具有良好宽容性的逆波束形成干扰抑制算法充分考虑随机扰动的存在,利用干扰重建矩阵估计干扰信号,此时估计干扰信号更接近实际干扰信号,保证干扰抑制有较好的结果。该文算法充分考虑了复杂海洋环境中干扰信号的相位扰动,可以获得较好的干扰抑制效果,提高了算法的宽容性。理论分析、计算机仿真结果均表明该文算法的有效性。     

基于统一建模语言的声纳显控软件设计

运用UML(统一建模语言)对声纳显控软件进行建模,以适应声纳显控软件越来越丰富的功能要求,构建了声纳显控软件系统的用例图模型、顺序图模型和类图模型。以拖曳式被动声纳为例,利用基于UML的软件模型进行软件开发,开发了一套声纳显控软件。     

基于时延差方差加权的时延差估计方法

针对目标信源数未知时的时延差估计问题,该文提出一种基于时延差方差加权的时延差估计方法。该方法利用目标辐射信号频率单元对应时延差估计比较稳定,噪声频率单元对应时延差估计比较随机的特点,对各频率单元的时延差估计结果进行时延差方差加权,突出信号所占频率单元时延差估计结果,实现对目标信源数未知时的时延差估计。在该文仿真条件下,相比一般分频带互相关法,该方法对信噪比的鲁棒性提高了。理论分析和实验结果表明:该方法对信源数和信噪比的鲁棒性好于一般分频带互相关法。     

三元阵被动定位中时延差估计算法研究

为了提高三元阵被动定位精度,该文对互谱法时延差估计进行了研究改进。改进算法解决了单独采用互谱法进行时延差估计存在的相位模糊问题,增强了互谱法在实际应用的鲁棒性。该算法所得时延差由周期值和修正值构成;时延差周期值是通过对阵元间互谱信号进行时延补偿所得,时延差修正值是采用最小二乘法对补偿后互谱信号拟合所得。理论分析和实验结果表明:采样率为103 Hz时的时延差估计精度可以达到10-6 s,该方法具有很强的实用性。能有效提高三元阵被动定位精度。