声传感基阵与数据融合的声源定位系统研究

针对实际应用环境中存在的噪声和反射对声源定位精度的影响,探讨一种基于五元平面阵声传感声源定位的三基阵系统的实现方法,利用声信号到达不同位置各传声器的时延差及各基阵几何位置参数关系进行定位.采用几何数学方法分析声源定位的基础,利用FPGA完成声信号的高速采集和预处理.实验证明,在具有一定环境噪声和反射条件下,系统能对声源的距离、方位进行有效定位,实验数据稳定可靠.     

采用两种被动定位法的声纳浮标接收器基阵设计

以矢量水听器的三元纯方位被动定位和测时差被动定位两种方法为基础,针对算法特点和声纳浮标的使用特点,分别设计了两种方法所采用的水下换能器基阵结构。两种基阵结构相似,部分重合,可根据实际工作条件任意选择算法,也可两种算法相互间自行切换。此种相互补偿的设计可以提高水下目标被动定位的精度和可靠性。     

基于FPGA的主动声源控制系统

随着水下潜艇隐身技术的迅速发展,水面舰艇面临的挑战日益严峻,对水下目标的主动探测提出了新的要求和挑战。将爆炸声源作为发射声源,设计了一套基于FPGA的主动声源控制系统。该系统以FPGA作为控制核心,采用RS232串口通信,收到上位机发送的起爆指令后进行引爆。与传统的主动声纳发射换能器相比,除了成本、功耗与体积降低以外,声源级更高,具有爆炸声源的全指向性,更便于小平台搭载。仿真与水下实验结果表明,该系统在接收到上位机发送的起爆指令后可实现水下爆炸声源有序可控的引爆,同时通过MEMS矢量水听器进行爆炸声源数据采集,经计算可得爆炸声源级为193.93 dB。     

实用声纳阵元信号测试系统设计

本文介绍了一种基于实录噪声文件的实用声纳基阵信号测试系统.该系统基于海上实录的水声信号,结合特定的战术背景及声场环境,通过态势推演、声场计算、逆波束形成、插值等处理,实时产生符合精度要求的仿真声纳基阵信号以驱动声纳装备,实现在不同战术背景下的声纳岸上测试与操作训练功能.实践表明,该系统产生的信号具有高度的视觉和听觉逼真度.     

七元非典型声强向量阵对舰船的被动定向和尺度估计

该文提出了利用七元非典型声强向量阵对舰船体积目标3亮点部位定向和定位的方法。基阵的7个阵元都可以布放在水下探测平台表面,并且阵元间的间距可以根据平台尺寸进行调整,便于工程应用。舰船体积目标中部、中后部辐射的低频声源用声强向量法定向,舰船尾部辐射的高频声源用传统的时延估计法定向,两种方法可以在同一基阵上实现。利用实测舰船辐射噪声数据进行了计算机仿真。仿真结果表明:该方法能够实现舰船目标3亮点部位的高精度定向,在信噪比10dB时,定向误差在2以内。并且在探测平台深度已知的情况下,利用定向的结果能够对舰船目标进行尺度估计,估计精度小于船长的10％。     

水下等离子体声源聚焦声场分布特性研究

研究了水下等离子体声源的工作啄理和聚焦原理,研制了小功率的实验装置,并进行了聚焦声场实验测量,从声轴和焦平面2个方向研究了声脉冲峰值压力与声场位置之间的关系,得出了聚焦声场的分布特性。研究结果初步验证了水下等离子体声源的优越性．为进一步改进这种声源．以将其应用于100km以上超远程水下通信系统打下良好的基础。     

基于声场HBT干涉的空间定位方法研究

为了实现介质中声源远距离高精度定位的目标,提出了一种基于声场Hanbury Brown-Twiss(HBT)干涉的空间定位方法,建立了HBT干涉目标定位模型,通过仿真验证了HBT干涉空间定位原理的正确性与精度,分析了传感器基阵在不同信噪比下对声源位置的探测效果。仿真分析表明,通过该方法使用6个传感器(两个基阵)在信噪比为0.04的情况下仍可较准确地找到声源的位置。同时还进行了在空气中的定位实验,结果与仿真吻合,验证了HBT定位方法的原理正确性,并实现了对声源级为85 dB,距离为42 m处的定位,定位误差为0.1 m。     

电子器件

Y2000-62209-1352 0012569换能器与阵列(含3篇文章)=Session 7I:transducersand arrays[会,英]//1999 Oceans,Vol.3.—1352～1380(PC) 本部分收有3篇论文。题名为:完全可卷海底拖曳基阵处理系统一般评价用的模拟与控制技术,利用电火花器声源代替爆炸 SUS 器件的声纳浮标的开发和 SIREM;超定向与亮度接收机阵列评价仪表。     

逆向捕获时间差的Voronoi声源定位机制

提出一种逆向捕获时间差的声源定位协议,可以使传感器网络在大部分时间里处于射频休眠状态,因此具有显著的节能效果;在利用时间差数据求解声源位置时,引入Voronoi图理论对搜索空间进行裁剪,以提高算法搜索求解的效率和成功率。理论分析和实验结果表明该声源定位机制具有明显的能量有效性、定位解算的精确性、快速收敛性和顽健性,适用于能量受限无线传感器网络中动态声源的实时精确定位。     

激光空中探测水下目标的新方法研究

为了实现在空中利用激光技术对水下目标进行探测的目的,基于迈克尔逊干涉仪的基本原理,提出了一种从水面散射激光中获取水下声源信息的新方法。设计并实现了一套空中探测水下声信号的实验装置。实验结果表明：频谱分析图中的峰值频率即为水下声源的发声频率,系统能够实时探测发声频率在1 kHz～14 kHz的水下声源,且测量标准偏差小于7 Hz。该方法为航空遥感水下目标提供了一条新的技术途径。     

被动合成孔径声呐阵列目标远程定位

该文讨论了被动合成孔径声呐远程定位问题。首先得到了合成孔径声呐阵列接收的声场方程,利用简正波滤波新方法,通过短线阵的水平移动,实现远程目标方位、深度及距离的定位。数值仿真结果表明,通过阵列的移动,可以合成大的孔径,提高目标的方位、距离估计精度。对合成孔径声呐阵列,利用简正波滤波方法可以很有效地实现对目标方位、深度及距离的估计。     

声强向量阵对低频目标测向及其优化算法研究

研究了基于典型声强向量阵——三轴六基元阵的低频水声目标被动声测向算法,该方法综合利用了目标声场的声压和振速信息,能在小尺寸和低频条件下实现水声目标的高精度测向。提出了基于几何平均声压测量声强原理的优化算法,进一步改善了定向性能。用实测舰船噪声数据进行了计算机仿真,结果表明：矢量传感器尺寸为0．5m,信噪比为0dB时,优化算法得到的全空间内方位角和俯仰角误差的最大值均在2°以内。     

分布式圆阵空间宽带声源定位方法

为提高空间声源定位精度、减少计算量、提高噪声鲁棒性,提出了一种高精度的分布式圆阵空间声源定位方法。该方法首先将声信号通过聚焦矩阵转换成窄带信号,再利用空间谱及其相位信息的群延迟函数乘积消除无关伪峰,得到高精度声源波达方向估计。然后借助于区域质心在三维坐标系的各投影面分别建立粗略信号源区域。最后结合联合可控响应功率相位,进行区域收缩,得到粗略收缩区域,并将互功率谱最大点作为声源定位估计。该方法利用群延迟函数提高了空间谱信息利用率,得到高精度波达方向估计,增强了初始区域的可靠性;区域质心收缩和可控响应功率相位联合应用,可快速锁定声源位置,降低搜索的复杂度。另外分布式阵列的大孔径、对子阵位置变化不敏感的特性增强了该方法对噪声的鲁棒性。仿真实验验证了该算法能实现高精度声源定位。      

基于MPI＋OpenMP混合编程模型的水声传播并行算法

声波是目前唯一能够在海水介质中进行远距离传播的有效载体,因此水下声传播成为海洋声学研究的主要内容之一,对现代声纳的设计和使用具有重要意义.宽带声传播、浅海地声反演、匹配场定位、水下环境仿真等技术的发展对水声传播提出了越来越高的要求,如何充分利用声传播模型和现代计算机技术实现声传播的快速计算已成为水声技术的一个重要研究方向.针对曙光TC4000L高性能机群系统计算节点多核处理器的组成特点,采用MPI＋OpenMP并行混合编程模型实现了射线-简正波-抛物方程模型并行算法.测试分析结果表明,设计的并行算法具有较高的并行计算效率.     

浅水区水下爆炸直达声辨识与时频分析

为有效截取直达声分量以分析真实的水下爆炸声源特性,提出一种利用局部相关峰进行直达信号辨识的标记算法,并建立起算法结果的评价函数,然后结合浅水区水下爆炸实验,对比射线理论计算所得直达声分量的数目,初步验证了算法合理性,最后对所捕获的最优直达声片段(宽度约1.8 ms)进行希尔伯特-黄变换(HHT),分析频谱特性。结果表明：直达声压级时间序列具有良好的自相关性,且在近程条件下,其相对排列特征能近似保持稳定;该算法可以获得较高的局部相关峰,使得直达声片段能够被清晰地标记出来,尤其是在超近程条件下,相关峰可达0.9以上;爆炸声源的主频带稳定在0~10 kHz,且峰值频率约1 kHz,但是当传播距离较远时,其形状会明显受到声速剖面影响。     

一种用于分布式阵列的球谐波域声源定位方法

本文提出一种适用于任意阵型和阵元指向性的球谐波域声源定位方法,能够在较宽的频域范围内,尤其是低频,提供较高的空间分辨率。水下噪声源的高分辨识别具有重大意义。传统阵列信号处理方法对低频噪声源的精确定位要求阵列具有较大孔径和较多的阵元数,导致系统过于庞大且成本较高。我们基于声场的球谐波表达和变换,采用分布在一定空间区域内的多个阵列估计该区域的球谐波系数矢量,对系数矢量进行信号处理实现声源定位。理论证明了该方法具有理想的空间选择特性。在一种特定的阵元分布下,仿真研究了该算法的方位谱估计性能以及阵元不一致性和位置误差对声源定位性能的影响。仿真结果显示,该算法在低频具有较高的空间分辨率且误差对算法定位性能的影响有限。      

主动合成孔径声纳几种算法比较

海洋开发和反潜战的需求成为推动声纳技术发展的主要动力。主动合成孔径声纳（ASAS）作为一种新型高分辨水下成像声纳,利用小孔径的物理声阵,得到与径向距离和频率都无关的方位分辨率。运动补偿是合成孔径声纳的关键问题,利用多接收阵回波数据的互相关特性进行补偿有距离多普勒、线性调频空变平移、波束域等多种算法,通过对几种算法的分析比较,结合仿真验证,为实际应用提供了依据。     

船载式水声跟踪系统定位原理及误差分析

阐述了水下定位系统的研究意义和基本分类,介绍了船载式水声跟踪系统的定位原理、实现方法,以及优点和不足之处,给出定位计算及姿态修正公式。针对声速、基阵孔径、时延值和姿态角等参数对系统产生的误差,进行理论公式推导和分析,最后给出系统误差公式。结合误差公式和随机误差理论,分析了跟踪系统的定位误差来源,并给出减小误差的基本方法。     

最小二乘矩阵滤波器在目标方位估计中的应用

雷达声呐目标探测主要依靠多传感器的阵列数据,当前广泛使用的MUSIC算法是一种准确度较高的目标方位估计算法,但在小快拍数、低信噪比、小阵元数条件下,性能会受到较大影响.矩阵滤波技术用于阵列数据预处理,可有效提高目标方位估计性能.首先,考虑最小二乘矩阵滤波器的设计方案,分析通带中心位置对其性能的影响;其次,利用设计的最小...     

多波束成像声呐显控软件设计与实现

随着海洋的国家战略地位持续提升,成像声纳系统在水声领域的应用中越来越广泛。结合目前的水声成像技术和图像处理算法,设计实现了一个多波束成像声呐显控软件,对软件的通信模块、显示模块以及图像处理算法等进行了阐述,并通过Visual Studio开发平台对其进行仿真及验证。结果证明,该设计不仅可以准确的实时成像,还可有效地识别目标物。