基于图像处理的声相云图评价方法研究

基于图像处理,提出了声相云图评价方法,用于评价声相仪的声源定位误差。分析了声相仪的成像原理,提出将方位角误差和俯仰角误差作为声相云图声源定位误差的评价指标。利用差影法提取声相云图的声源定位成像区域,并经过灰度二值化、腐蚀膨胀和加权平均之后,计算出成像区域中心的像素坐标。在声相仪不同抓拍距离平面内,通过图像标定得到成像区域中心在实际物理空间上的位置坐标,将其与所定位的声源实际位置坐标相比较,计算得到方位角误差和俯仰角误差。实验结果表明,该方法所得方位角和俯仰角与声源实际位置坐标计算所得到的真实值相比,两者差异较小,能够客观地对声相仪的声源定位误差进行评价,且操作简单。     

远距离声源被动定位新方法研究

声源被动定位的重要问题在于如何提高定位精度、定位速度和扩大定位范围.本文基于射线声学模型,利用声线最短传播时间在基元之间的时间延迟和多途时间延迟,提出了最短传播时间延迟定位、细分声场二次定位和多途时延定位及其他们之间相互结合的定位方法,使得定位精度得到明显提高,定位距离突破传统的匹配定位范围,实现了较高精度的远距离声源定位.理论研究的结果表明,该方法有效地降低了计算量,定位距离达到60 k m,定位距离误差小于3%.     

两种不同的声源定位算法研究

讨论了两种基于声信号的声源定位算法。将声传感器获取的时延差作为观测量,结合已知的声探测器阵列的空间位置和声速确定具体的声源位置。采用两种定位算法对仿真数据以及试验数据进行解算,并对其结果进行分析;验证了两种算法的准确性及各自的优缺点。结果表明,合理地使用两种算法,能够快速、精确地解算出声源的位置信息。     

时间反转在列车转向架声发射源定位中的应用

针对高速列车转向架的动态检测提出一种新的损伤声源定位方法,采用声发射检测技术对转向架易损伤的焊接部位进行时间反转定位方法研究。首先利用有限元软件建立转向架焊接部位结构有限元模型;然后在模型上模拟发出一个声发射损伤信号,通过预置的声发射传感器接收声发射源信号;最后根据时间反转聚焦原理对接收信号进行处理,并通过检测区域成像,确定损伤声发射源的准确位置。数值仿真实验结果表明:该定位方法能够准确定位声源位置,定位结果比常规四点圆弧法更精确。     

应用于传声器阵列定位校准的空间点声源声场拟合方法

介绍了一种用于传声器阵列声源定位精度校准的空间点声源声场模拟方法,并基于该方法设计了一套空间点声源模拟系统,完成了一个传声器阵列的定位位置精度校准。文章采用多通道点声源空间声场合成算法模拟了一个位于自由场空间的点声源,根据传声器阵列中每一个传声器的空间位置坐标,计算出传感器所处位置声场的动态声信号。通过耦合腔标准声源将对应的多通道电压信号输入被校准阵列系统,完成点声源的模拟。然后,该阵列运用波束形成算法进行声源定位,得出点声源的位置,并与模拟点声源的位置进行比对,实现对阵列定位准确性的校准。     

一种声线修正的查表方法

在利用时延测距的水声定位系统中,由于在海洋中存在声速梯度,声线传播发生弯曲,为了提高定位精度,提出了一种声线修正的查表方法。由射线声学理论可知,声传播距离和时间都是声线初始掠射角的函数,在声源深度、接收深度和声速分布已知的情况下,对每一个初始掠射角,必有唯一一个传播时间和距离与它相对应,根据声线的这一特征,可以用查表法通过声传播时间来确定相应的传播距离。通过建立传播时延与声源与接收机的水平距离的对应关系表,利用声线在水平面的投影水平距离通过圆交汇解算出目标的位置,而不是利用声线弯曲的斜距进行球面交汇解算出目标的位置。仿真和海试结果表明,在复杂水文条件下,该方法能有效提高水声定位精度。     

深海波导中目标低频声散射特性研究

针对深海环境中目标的主动探测问题,建立了深海波导中目标低频声散射仿真的简正波耦合边界元理论模型。首先仿真了深海波导中Munk声速剖面条件下的声传播特性,然后根据深海波导中的声传播特性,仿真计算了声源位于不同深度时,波导中目标低频散射回波强度随声源与目标之间水平距离变化的特性。仿真结果表明,当声源深度为100 m(近海面)与1 400 m(声道轴)时,受完全声道的影响,在会聚区附近范围内散射回波强度较大;声源深度为4 900 m(近海底)时,受直达波与一次海面反射波的影响,在中近距离(小于40 km)范围内散射回波强度较大;对于接收水听器而言,置于临界深度以下时主动探测的距离更远。     

主动时间反转聚焦技术

时间反转（时反）是声互易性原理的应用之一，它可以使能量在空间和时间上得到聚焦，通过这种聚焦可得到声源位置并实现声源信号的重构。将此技术应用到主动探测中，特别是对于海底小目标的检测与识别中，将目标看作是二次辐射声源，利用时反技术使能量在目标处聚焦，由此检测到目标。     

双基地航空搜潜建模与仿真

根据双基地航空搜潜的特点,在对双基地条件下航空搜潜的搜潜距离及误差、目标强度、传播损失等模型及估算方法进行研究的基础上,建立了双基地航空搜潜条件下的搜潜距离和搜潜范围模型,确定了有效搜潜范围与发射声源级、环境噪声、接收指向性指数、检测阈值、声源与接收器的相对距离、目标方位等的关系,仿真分析了发射频率、双基地之间距离对搜潜距离和搜潜范围的影响,测向角对搜潜范围的影响等,获得了有益的结果,为航空搜潜训练提供了理论依据.     

强混响条件下基于广义互相关的声源定位算法改进

针对特定声场环境,提出了一种强混响条件下基于广义互相关的声源定位算法的改进措施,即利用混响成分中包含的声源位置信息,提高声源定位的正确率。混响与噪声是影响声源定位的两个主要因素。目前声源定位的主要方法都是以降低信号中混响与噪声成分为目标的,如波束成形、空间谱估计以及到达时间差法等。其中,基于广义互相关的声源定位算法属于到达时间法的常用方法,具有实时性强与高鲁棒性的优势。本文采用镜像源模型对室内环境进行建模,分析声源到双麦克风的传播路径,利用混响中存在的声源位置信息剔除错误定位结果,从而提高定位正确率。最后,利用蒙特卡洛法对本文提出的方法进行验证,结果表明:该算法提高了强混响低信噪比条件下的声源定位正确率。     

被动定向浮标探潜模型研究

反潜战中,被动定向声呐浮标是一种主要的探潜手段,两枚被动定向浮标同时发现目标即可对其进行定位。研究了初始浮标阵中仅有一枚浮标能够发现目标但不能实现定位的情况下,如何通过补投被动定向浮标对目标进行定位的模型问题。根据水下目标和反潜机的运动特点,将实际中所有可能出现的情况进行了分类讨论,建立了被动定向浮标的补投模型。通过仿真分析了模型的探测效能,验证了模型的正确性和可用性,为被动定向浮标的战术使用提供了一定的理论基础。     

线阵分裂波束处理技术在水声探测中的应用

声呐波束形成处理通常输出各个方位上的目标能量信息,利用指向性极大值位置给出目标的大致方位。为了得到更加精确的目标方位估计,需要寻找对目标方位微小变化作出灵敏反应的物理量。分裂波束处理所输出的各个方位二子阵的相位差信息,对方位变化十分灵敏,其测向精度接近于克拉美罗下界,不需增加太大运算量即可显著提高声呐系统测向精度,在水声中得到了广泛研究和应用。对线阵分裂波束处理在水声探测中不同的应用进行了梳理和总结,重点阐述了基于分裂阵半波束处理的被动声呐宽带相关检测、主动声呐相位单元化处理、超波束形成和水下慢速目标相位差空时方差自动检测跟踪(Automatic Detection and Tracking,ADT)技术的原理、处理流程和结果。     

基于BELLHOP模型的水下多目标跟踪算法研究

针对高频主动声呐的深海多目标跟踪问题,提出了基于BELLHOP模型的无迹卡尔曼滤波-高斯混合概率假设密度(Unscentesd Kalman Filter-Gaussian Mixture-Probability Hypothesis Density, UKF-GM-PHD)水下多目标跟踪算法。该算法首先利用BELLHOP射线声学模型,计算出本征声线、目标信号的幅度、相位及时延信息,以此构造目标回波信号并叠加高斯白噪声。然后,由回波信号计算得到目标相对于观测站的距离、方位角和俯仰角信息,作为目标跟踪系统中的量测信息。最后利用提出的UKF-GM-PHD多目标跟踪算法,实现高频主动声呐非线性系统的多目标跟踪。仿真结果表明,在深海高频主动声呐条件下,文章提出的UKF-GM-PHD多目标跟踪算法较传统高斯混合概率假设密度(Gaussian Mixture Probability Hypothesis Density, GM-PHD)方法,明显降低了目标丢失率,并且最优子模式指派统计量(Optimal Sub-Patter Assignment, OSPA)距离也更小,跟踪效果更好。     

探测高速小目标的声纳信号波形设计

针对用主动声纳探测水下高速运动的小目标存在的主要干扰,海面,海底混响和接收信号的起伏,讨论了宜采用的声纳信号形式,在混响信道中,对高多普勒目标采用加窗的长ＣＷ脉冲是合适的,而根据多途信道中回波存在的起伏的特点,需要采用多频脉冲,最后给出了用探测高速小目标的声纳最佳发射信号形式和频率编码方案。     

修正时延扩展卡尔曼滤波MIMO声纳目标跟踪方法研究

分布式多输入多输k~（Multiple．InputMultiple—Output,MIMO）声纳是一种通过MIMO技术规划时空信道来提高声纳探测性能的新型主动探测声纳体制。由于分布式MIMO声纳节点分布间隔大,水中声速较小,由各发射节点同步发射的测距信号将经过不同的时延到达目标,因此各接收节点测得的距离值分别对应于目标不同时刻的状态。常规的定位方法并没有考虑传播时延对测量值的影响,因而定位精度受到限制。提出了一种修正时延的扩展卡尔曼滤波方法（ModifiedExtendedKalmanFilter,MEKF）对分布式MIMO声纳系统中的移动目标进行跟踪。仿真结果表明,与常规的目标定位跟踪方法相比,该方法有定位精度高、收敛速度快、跟踪性能稳定的特点。     

被动定向浮标阵卡尔曼滤波目标跟踪研究

文章研究利用被动定向浮标阵定位跟踪水下机动目标的方法,基于卡尔曼滤波(Kalman Filter, KF)原理提出一种定位跟踪滤波器的具体实现方法。该方法能够整合多枚浮标现在及过去有误差的测量数据,提高定位精度,同时连续输出水下目标运动参数估计从而锁定目标运动轨迹。该方法实现的关键在于建立水下目标与浮标阵的数学迭代运算模型,包括状态空间的动态与观测过程。由于被动定向浮标阵目标跟踪是一个非线性估计问题,而卡尔曼滤波器是线性的,因此文章设计了近似的线性观测方程以利用卡尔曼滤波来解决这个问题。通过计算机仿真研究该滤波器的跟踪效果并与最小二乘法进行比较,估计精度明显高于最小二乘法。同时通过仿真验证该滤波器可以自适应跟踪目标的非稳态运动过程。该方法在工程实践上具有一定应用前景与指导意义。     

DIFAR浮标反正切目标方位估计方法

DIFAR浮标是一种被动定向声纳浮标,广泛应用于目标的初始定位。它由一个全向水听器和一对正交偶极子组成。正交偶极子提供的指向性信息使其可以对目标进行方位估计。介绍了DIFAR浮标利用反正切方法对目标进行方位估计的方法。采用自适应线谱增强技术提高DIFAR浮标信号的信噪比。用反正切法估计目标的方位。给出了用LOFAR谱图和B-Scan图显示DIFAR浮标数据的方法。并给出了方位估计误差的解析表达。仿真结果表明,在相同信噪比下利用该方法得到的角度的方差小,满足DIFAR浮标的要求,提高了浮标的定位精度。     

连续波声呐中的调频信号设计方法及性能分析

相对传统的短时脉冲波主动声呐而言,连续波主动声呐是一种新型体制的声呐设备,允许在扫描周期内发射高占空比的信号,并且在发射信号的同时进行侦听,由此可以对水下目标实现连续照射,消除距离盲区。由于发射和接收机制的不同,连续波主动声呐对发射信号的波形和处理方法也各有差异,一是要考虑到"直达波"抑制问题,二是要在时间带宽积和对目标的照射时间间隔两者之间进行折中。针对上述两个问题,设计了一种在连续波主动声呐中发射的新型脉冲串信号,该类信号由多个相互正交的广义正弦调频信号串组成,以此在频域上消除回波与拷贝信号的相关性;后置处理中对接收回波提供了三种不同的方案,在时间带宽积和照射时间间隔两者之间择优选择最佳检测效果。计算机仿真结果表明:该类信号波形以及相应的处理方法可以有效地抑制直达波干扰并给出目标的速度-距离信息。     

多冗余被动定位系统精度分析

针对基于二元矢量传感器浮标的被动式水声定位系统高精度定位区域小的问题,采用增加浮标个数构成具有一定冗余度的测量阵,提高了系统定位精度,并且研究了冗余度对定位精度的影响。文中首先对基于纯方位测量的被动定位技术给出了多基阵解算算法的原理和解算步骤,然后仿真了多种冗余度(6~12个浮标)和不同阵型下的被动定位系统的定位精度。结果显示定位误差分布与测向误差、目标所处位置、阵元个数以及测量阵阵型有关,而且定位误差分布具有对称性。周边浮标组合在阵的中心区域定位精度较高,对角组合可以弥补四边连线附近的低精度区域。该仿真结果在参加的系统海上试验中得到了验证。     

水声干扰器干扰效果参数级建模与分析

水声干扰器作为一种水声对抗器材,对声呐具有干扰压制作用。借助声呐方程,针对声呐的主、被动工作方式分别建立了干扰器干扰效果参数级模型,分析计算了探测距离衰减率和压制扇面,最后给出了仿真分析实例。提出的参数级模型分析法是一种快速有效的衡量干扰器对声呐干扰效果的方法,可为干扰器对抗作战策略提供一定指导意义。