浅海声速剖面对吊放声纳探测距离的影响

吊放声纳的作用距离不仅和自身设备性能有关,还和海洋水声环境特性及吊放声纳入水深度有着密切的关系.本文阐述了浅海不同声速剖面中的声传播特性,通过仿真声线轨迹分析了几种典型的浅海声速剖面对声传播的影响.通过对声纳、水声环境以及目标的模型化计算,利用射线模型仿真了几种不同声速剖面情况下吊放声纳的主动作用距离.分析了吊放声纳入...     

利用残缺样本声速重构声速剖面

用经验正交函数(experiential orthogonal functions,EOF)表示声速剖面受限于样本声速的测量深度,应用该方法重构声速剖面只能计算到样本中最浅剖面的深度。要想进行全海深声速剖面的重构,必须对残缺的样本声速进行合理地外延。为此,首先对样本中温度和盐度进行了外延,然后根据声速经验公式计算得到了全海深的样本声速。在此基础上,通过解多元方程组的办法求解经验正交函数系数达到了声速剖面重构的目的。结果表明,提出的声速剖面外延方法是有效的。另外,只要知道声速剖面变化较剧烈深度上的3个点的声速值就能重构声速剖面,对于文中的数据来说,重构的均方根误差可达到0.872 m/s;增加经验正交函数的阶数能提高重构精度,但5阶以上,阶数的继续增加对精度的提高将不会有显著的影响。     

一种非分层海洋中的声线计算方法

在浅海环境中,声速剖面和海底深度在水平方向上的变化都会对声传播产生较大的影响。将声速剖面用前几阶经验正交函数来表示,在一定范围的海域各阶经验正交函数系数可以近似为随水平距离线性变化,提出了一种非分层海洋中的声线计算方法,可以计算到达接收水听器的本征声线和传播时间。该方法计算速度快,计算精度较高,可以用于海洋中的声速剖面快速反演。     

多波束测深中声速剖面的分层EOF自适应重构

在海水性质变化剧烈地区利用重构声速剖面进行多波束测深时,传统的经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions,EOF)方法在阶次选取时未顾及声速浅水的复杂性和深水的平稳性的特点。针对传统EOF方法存在计算量大、精度低等问题,给出了一种声速剖面EOF重构中分层阶次的确定方法。根据常梯度声线跟踪计算深度,在满足0.25%倍水深限差的要求下,统计有效波束比,采用自适应方法确定出合理的阶次。实验结果表明,该方法相较于传统EOF重构声速剖面测深的阶次选取方法,降低了运算量,提高了精度。     

三元阵被动测距在浅海低频条件下的声速修正

声速是三点被动测距方法中影响距离解算精度的重要参数,当声呐系统的工作频率较高时,一般直接使用海水声速。但随着远距离探测声呐技术的发展,声呐工作频率越来越低。浅海波导中传播的低频声信号的相速度和群速度明显不同于海水声速,选取哪个声速项用于距离解算是一个值得研究的问题。通过理论分析与pekeris波导中的数值仿真,确定了三点被动测距解算公式中的速度项应为相速度。仿真结果表明选用简正波相速度用于距离解算能有效降低浅海低频时三点被动测距方法的误差。     

一种估计吊放声呐工作深度的简易方法

反潜战中,吊放声呐的工作深度对探测效果影响较大,研究如何根据不同声速剖面确定最佳工作深度使探测距离达到最远,可有效提高探测效率。先将声速剖面划分为典型的几类,然后设计了一种使计算机能够自动识别其类型的方法,再在此基础上利用Bellhop模型找出不同声速剖面下的最佳工作深度规律。仿真结果证明快速算法在一定条件下可替代逐深度计算声呐作用距离,再通过比较选出最佳工作深度的传统算法的。     

海水声速测量方法及其应用

在水声研究和海洋工程中,广泛地需要测量海水声速。纵观水声技术的发展历史,声速及其测量方法和手段一直是水声研究的基本问题。从水下声传播速度的物理特性出发,介绍了典型海洋声速剖面的特征,以声速剖面对声传播的影响为关注对象,示例说明了其对声纳最佳探测深度及声纳探测距离的影响,以及声速测量在大洋测温中的应用。在声速剖面测量方法方面,介绍总结了国内外的声速测量设备的原理、技术发展趋势以及主要产品。最后给出了海洋声速剖面测量的发展展望。     

浅海海底模型对低频声传播的影响

海底参数特性是影响浅海低频水声传播的重要因素。理论上需要知道海底所有深度的参数特性才能确定水声传播,这在实践中很不现实。如果在误差的允许范围内只需要知道某个深度以上的海底参数特性,而这个深度以下的海底参数特性可以忽略,这个深度就定义为海底最大深度。低频声波能够穿透海底更深,最大深度能够达到几十米深,对比较高频率只有几米深。海水声速剖面也能影响声波穿透海底深度,声速剖面为负梯度时海底最大深度比等声速要深。在低频声传播过程中,海底横波对声场影响也很大,尤其是在超低频100Hz以下,2002年5月的南海试验也证实了这一点。     

实用干涉合成孔径声纳复图像配准法

海底地貌测绘的最新技术是利用干涉合成孔径声纳(InSAS)进行三维立体成像,其信号处理的关键在于成像之后的图像配准、干涉成像等步骤。图像配准的精度直接影响相位图的质量,从而影响所求目标区域高度的准确性。在分析InSAS复图像数据特点的基础上给出一种实用的基于最大干涉频谱法的复图像配准方法,缩减了配准搜索范围,在一定程度上提高了配准速度和精度。利用该方法对湖试测得的湖底地貌数据进行配准,用复图像相干系数和干涉相位图的残余点数对配准效果进行评估,通过配准前后的参数比较,证实了最大干涉频谱法用于InSAS复图像配准能够取得较好的配准效果。     

少量声速剖面时浅海声传播不确定性研究

当只有少量的浅海实测声速剖面时,不能直接利用Monte Carlo法研究声传播的不确定性。基于经验正交函数法,提出扩展向量法对少量实测声速剖面进行扩展,产生与实测声速剖面统计量基本一致的扩展声速剖面,基于MonteCarlo法,利用扩展后的声速剖面计算了声传播损失概率密度分布。结果表明,扩展向量元素服从标准正态分布,扩展后的数据捕捉到了未能测量到、但可能存在的声速剖面,该方法为浅海环境下实测声速剖面数据较少时,研究声传播不确定性提供了一种新的途径。     

基于广义导向矢量的干涉合成孔径声纳干涉相位估计方法

提出了一种基于矩阵拟和的方法来估计干涉合成孔径声纳（InSAS）的干涉相位,该方法首先构造广义导向矢量,并利用相邻像素对的信息估计协方差矩阵,然后构造一个协方差矩阵全局最优的代价函数,使得这个代价函数最小时的相位即为精确的干涉相位。该方法在图像配准精度很差（可以允许达到一个分辨单元）的条件下准确地估计相应像素间的干涉相位。通过仿真和InSAS试验数据验证了该方法的有效性和稳健性。     

一种基于横摇稳定的多波束测深方法

针对阵列姿态变化造成深水多波束测深声纳测深误差问题,给出了一种基于横摇稳定的多波束测深方法。其基本思路是利用姿态数据实时地改变接收波束相控角,使得合成波束指向角稳定在较小的变化区间内,确保了波束形成后信号来自有效的波束宽度覆盖范围。通过发射时刻三维姿态和接收时刻横摇姿态解算得出波达时刻对应的合成波束指向角,进行声速修正和归位计算得到最终测深点的深度与位置。MATLAB仿真和实际海试数据处理结果表明,该方法能够获得期望方向附近的海底脚印覆盖并且达到较好的精度。     

采用反向投影算法进行宽带合成孔径声纳数据处理与图像重建

文中提出了宽带合成孔径声纳(synthetic aperture Sonar，简称SAS)成像的反向投影算法(back pmjection，简称BP)。该算法是在时间-空间域中对合成孔径线列阵中备个阵元接收回波的所有频率分量进行相干求和，以充分利用合成孔径上所有回波的能量，从而得到理想的SAS图像。同时，文章中分析了BP算法实现过程中拖尾(tall)现象的产生机理，对BP重建图像进行了斜坡滤波处理。并对载频为15kHz,带宽为20kHz的SAS系统进行了仿真，结果验证了这种算法的有效性。     

合成孔径声纳干涉相位图噪声抑制方法分析

讨论了合成孔径声纳的干涉相位图降噪问题。利用加性噪声模型,分析了四种降噪算法:像素平均法、非线性条件邻域均值法、模糊中值法和向量滤波法。通过仿真数据生成的干涉相位图进行降噪分析得到结论:通过像素平均法和条件邻域均值法降噪后不能准确地生成高度图,不推荐在实际中使用。而模糊中值法和向量滤波法通过降噪可以准确地生成高度图。通过相位图残留点数和高度图方差对比发现,向量滤波法性能最优,是一种快速有效的噪声抑制方法。     

Motion estimation in wide band synthetic aperture sonar based on the raw echo data using the method of displaced phase center antenna

Phase errors in synthetic aperture sonar (SAS) imaging must be reduced to less than one eighth of a wavelength so as to avoid image destruction. Most of the phase errors occur as a result of platform motion errors, for example, sway yaw and surge that are the most important error sources. The phase error of a wide band synthetic aperture sonar is modeled and solutions to sway yaw and surge motion estimation based on the raw sonar echo data with a Displaced Phase Center Antenna (DPCA) method are proposed and their implementations are detailed in this paper. It is shown that the sway estimates can be obtained from the correlation lag and phase difference between the returns at coincident phase centers. An estimate of yaw is also possible if such a technique is applied to more than one overlapping phase center positions. Surge estimates can be obtained by identifying pairs of phase centers with a maximum correlation coefficient. The method works only if the platform velocity is low enough such that a number of phase centers from adjacent pings overlap.     

水下小目标合成孔径声呐层析成像技术研究

水下小目标精细成像对于正确识别水下目标具有重要意义。目前,多波束成像声呐和条带合成孔径声呐是获取水下小目标图像的主要手段。水下目标的判别主要利用了目标图像的亮点特征,即使是同一目标从不同方位观测时得到的结果也可能差异较大,这给快速识别确认目标带来了困难。为解决该问题,提出了利用圆周合成孔径声呐对水下小目标进行水声层析成像信号处理方法,提高了声呐的多角度融合观测能力。仿真及试验数据处理结果表明,合成孔径声呐层析成像方法能够获得目标外形轮廓精细特征,有利于水下小目标的正确识别。     

基于非停走停及方位非均匀采样的多接收阵合成孔径声纳CS成像算法

针对采用多接收阵技术的合成孔径声纳(SAS)成像中普遍存在的不满足停走停假设和方位向采样非均匀等问题,在深入分析了停走停假设和方位向的非均匀采样对成像造成影响的基础上,给出一种可用于方位向非均匀采样多接收阵合成孔径声纳的chirp scaling (CS)成像算法,它较为精确地补偿了非停走停模式带来的相位误差,因而适用于宽测绘带远距离SAS成像.仿真和试验均证明了该方法的有效性.     

潜艇深度变化后的声纳跟踪条件

从理论上分析了正在跟踪目标的潜艇在其深度变化后，影响声纳继续跟踪该目标的主要因素，从跟踪条件下的声纳方程中，分析深度的变化引起声传播损失和干扰噪声的变化，给出了声传播损失和十扰噪声的计算方法，得出了潜艇变深后保证声纳得以继续跟踪目标的本艇航速及其预报方法和计算实例。     

Nonparaxial vector-field modeling of optical coherence tomography and interferometric synthetic aperture microscopy

A large-aperture, electromagnetic model for coherent microscopy is presented and the inverse scattering problem is solved. Approximations to the model are developed for near-focus and far-from-focus operations. These approximations result in an image-reconstruction algorithm consistent with interferometric synthetic aperture microscopy (ISAM): this validates ISAM processing of optical-coherence-tomography and optical-coherence-microscopy data in a vectorial setting. Numerical simulations confirm that diffraction-limited resolution can be achieved outside the focal plane and that depth of focus is limited only by measurement noise and/or detector dynamic range. Furthermore, the model presented is suitable for the quantitative study of polarimetric coherent microscopy systems operating within the first Born approximation.     

主/被动联合多基地航空搜潜定位及误差分析

根据主／被动联合多基地航空搜潜中主动声源、目标、被动接收器之间的空间几何位置关系,建立了目标位置的数学模型,确立了目标空间位置与主动声源-被动接收器声传播时间、主动声源-目标-被动接收器声传播时间、浮标方位角之间的关系;在此基础上,建立了各参量测量误差对目标定位误差影响的数学模型;最后,对所建定位及误差模型进行了仿真分析。