多波束相干海底成像技术

为使多波束测深系统获得高质量的海底地貌图像,研究一种基于多波束相干原理的成像方法.在分析多波束相干算法估计海底回波到达时间(time of arrival,TOA)与到达方向(direction of arrival,DOA)原理的基础上,结合水声环境与声呐系统参数对各检测点对应的反向散射强度和地理位置信息进行估计,并从相干信号的幅度、相关性以及频谱三方面对受噪声影响的相位差数据进行质量控制,实现了反向散射强度和空间位置信息的准确融合.试验数据的处理结果验证了该方法能有效抑制噪声对相位差序列的干扰并且所获声呐图像具有较好的空间分辨率.     

顾及姿态角的多波束声线精确跟踪方法

传统声线跟踪方法中波束初始入射角的计算采用理想状态下多波束提供的波束分配角,未顾及或未完全顾及船体姿态角的影响进而导致波束海底投射点归位计算带入显著性误差问题。针对此问提出了一种顾及姿态角影响的声线精确跟踪方法,该方法通过研究船体姿态影响下的多波束换能器状态,给出了波束声线实际传播面,并推导出了传播面内波束声线的实际初始入射角,结合声速剖面,最终根据常梯度声线跟踪得到了准确的测深点三维坐标。通过实验比较传统声线跟踪方法和精确声线跟踪方法计算波束在海底投射点的坐标精度,验证了精确声线跟踪方法克服了传统声线跟踪的不足,显著地提高了多波束测深的精度。     

基于多子阵检测法的多波束海底成像技术

为提高多波束测深声呐海底成像质量,提出了一种基于多子阵检测法的海底成像技术.其以多子阵检测法得到的高精度、高空间分辨率回波到达时间(TOA)和到达角度(DOA)估计序列为基础,对每个接收窄波束的波束输出信号经采样处理估计各个海底检测点的空间位置和回波强度,并考虑实际水声环境以及角度的影响对成像数据进行修正.由于该方法估计对回波强度与空间位置的解算都源于相同的TOA与DOA数据,所以两者能准确地一一对应,提高了成像质量,湖上试验数据的处理结果表明了该方法的有效性以及良好的空间分辨能力.     

利用RLS-Laguerre格型算法消除多波束测深声呐的隧道效应

为了避免多波束测深声呐输出数据中产生测深假象,分析了海底多波束测深声呐中存在的隧道效应及其产生机理,指出旁瓣干扰是引起隧道效应的重要因素,隧道效应的出现导致多波束测深声呐把相对平坦的海底绘制成凹面向上的水平半圆柱面海底地形.采用系统辨识模型仿真了基于先验误差的误差反馈递归最小二乘(RLS)Laguerre格型算法的极点位置对算法性能的影响,并利用该算法对湖试数据中存在的隧道效应进行分析处理.结果表明通过对Laguerre极点的选择,该算法能够有效消除多波束测深数据边缘波束中存在的旁瓣干扰并快速跟踪真实的海底回波,同时又能保留中央波束信号能量,减少对真实信号的影响.     

DS_CDMA系统中的DOA估计算法研究

DS-CDMA系统中,智能天线方向图的形成必须依赖于对移动台的到达方向估计.为精确估计来波方向,首先分析研究了适用于DS-CDMA系统的DOA估计的传统算法:MUSIC算法和ESPRIT算法.这两种算法基于子空间分解,运算量大,不易于实时实现.提出使用两种基于MUSIC算法和ESPRIT算法的改进算法进行DOA估计,计算量大大降低.通过模拟实验证明,在CDMA系统多径信号环境下,两种改进算法易于实时实现.     

一种顾及辐射畸变的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类方法

声学海底底质分类对于海底环境和生态系统的研究具有重要意义,而多波束与侧扫声呐是目前最常用于探测海底底质的声呐设备.然而,多波束与侧扫声呐都严重地受到辐射畸变的影响,导致声呐图像噪声较大且难以消除,进而造成对海底底质的误判,并且多波束与侧扫声呐通用底质分类方法目前仍然较为缺乏.为此,本文提出了一种顾及辐射畸变的多波束和侧扫声呐的通用海底底质分类方法.该方法包括了对声呐图像中辐射畸变的改正、针对两种声呐数据特点的不同角度数据归一化、分类数自适应的非监督底质分类以及形态学去除底质图像噪声的步骤,并给出了完整的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类流程.将本文方法应用于福建沿海同水域下实测的多波束与侧扫声呐数据得到了该水域的底质分类图像.实验结果表明了同区域下的多波束与侧扫声呐数据通过本文方法得到的底质分类结果具有较高的一致性,证明了通用底质分类方法的有效性,同时通过相互验证也提高了底质分类结果的可靠性.     

多波束声呐水柱图像中气泡羽状流目标探测研究进展

多波束声呐水柱图像数据可以获得从换能器到海底的完整声学信息,通过其对气泡羽状流目标探测是发现海底可燃冰渗漏的一种重要途径,是目前海洋调查与监测中的重要观测内容.本文首先介绍多波束水柱数据的数据结构与成像原理,然后针对目前研究存在的图像噪声大且成因复杂、目标识别方法效率较低、气泡羽状流目标难以准确分割等问题,依次概述当前的研究进展,为海底可燃冰的勘探与监测相关研究提供理论基础.     

矢量阵的非空间ESPRIT算法

矢量水听器同时测量声场中某点的声压和质点振速的正交分量,单个矢量水听器可视为空间共点阵.建立了任意阵型矢量阵的数据模型,研究了任意阵型矢量阵的非空间ESPRIT算法.非空间ESPRIT算法不是利用空间2个子阵组成的矩阵对,而是利用矢量水听器不同的输出分量组成矩阵对完成目标的二维角度(水平方位角和仰角)估计.仿真研究了该算法对单个源和多个源方位估计的情况,并利用外场试验数据验证了算法的有效性.结果表明,在当时的试验条件下,常规波束形成获得的主瓣波束宽度为30°左右,而非空间ESPRIT算法对目标方位估计的标准差为3°左右,说明基于矢量阵的非空间ESPRIT算法在未知阵列流形的前提下可对目标进行高精度方位估计.     

二维ESPRIT算法参数的快速配对

针对二维ESPRIT算法的参数估计问题,为了简化算法的复杂度,提高参数配对的速度,提出了一种新的二维ESPRIT参数配对方法.该方法利用矩阵、矩阵的特征值及特征值对应的特征向量三者之间的关系,只需对包含信号到达角信息的2个矩阵中的1个进行1次特征值分解以及简单的除法运算就可以实现参数的自动配对,无需经过多次矩阵变换.在保证二维ESPRIT算法参数估计性能的前提下,该方法简化了参数的配对过程.计算机仿真验证了该方法的有效性.     

基于声图像的海底地形边界提取算法

针对海底地形边界难以自动提取的问题,提出一种基于声图像的自动提取算法.利用连通域标记找到满足面积准则的连通区域,以此区域上的单个点作为动态规划寻优的起点,在寻优过程中引入包括灰度、梯度、位置、韦伯分辨率等信息的能量函数的概念,在相邻纵列动态寻优的范围内以能量函数最小为准则实现边界的自动提取.对36例实际数据进行测试,边界提取准确率达到了92.6%,与金标准的吻合度为93.3%,与金标准的平均欧式距离为0.23个像素.结果表明:该方法能够在保留水体深度方向信息的基础上,更好地融合空间域信息,准确地提取海底地形边界,且鲁棒性好.     

浅海远程海底混响的空间相关特性分析

浅海环境中,海底地形复杂且散射强度大,加之波导效应明显,因此有效地掌握浅海低频海底混响的空间分布特性对工作在浅海的主动远程探测系统极为重要.以耦合简正波理论为出发点,把海底混响视为界面不规则起伏对入射声场的耦合作用所致.依据浅海混响的耦合简正波模型,分别计算了远程海底混响的垂向、水平纵向、水平横向相关性随收发位置、时间和频率的变化关系.利用实验数据验证了该理论得到的垂向相关的计算结果,并通过理论仿真比较了垂向、水平纵向、水平横向的相关特性.研究结果表明,对于低频远程海底混响水平横向相关大于水平纵向相关,垂向的相关特性最差.     

一种基于L型阵列的二维波达方向估计的新方法

提出了一种在高斯白噪声环境下基于L型阵列的二维DOA估计的新方法。该算法利用阵列结构的特点首先计算3个互相关矩阵,然后用这3个互相关矩阵构造一个特殊的大矩阵,对其进行特征值分解获得信号子空间的估计,进而利用二维ESPR IT方法实现方向角与仰角的估计。该方法不需要谱峰搜索,能够很好地解决参数配对问题。仿真试验表明,该算法估计精度高、计算量小,有一定的实用性。     

深水崎岖海底对下伏地层反射波特征的影响分析

基于深水崎岖海底地区的地震剖面建立崎岖海底地层地震地质模型;基于射线正演模拟及地震波在弹性分界面上的能量分配,分析研究崎岖海底影响下的下伏地层反射界面上的地震波运动学和动力学特征以及对崎岖海底对下伏地层成像精度的影响,分析结果表明,崎岖海底对下伏地层的反射覆盖次数、反射能量以及入射角范围有很大的影响,导致波的动力学特征发生明显变化,尤其海上长排列加剧振幅的横向变化,指出在复杂崎岖海底地区地震勘探必须选择合适的排列长度和覆盖次数才能确保保幅成像处理。     

基于空间平滑算法的二维相干源DOA估计

基于均匀矩形阵列,利用2D Unitary ESPRIT算法二维参数自动配对的优点,运用二维空间平滑技术进行解相干,并结合虚拟阵列扩展的EVESPA算法,提出了相干源的2D-SS-EVESPA-DOA估计算法。该算法在多径环境下能精确估计出二维波达角,能实现多径波达方向的分组估计,而无需进行谱峰搜索;并实现二维角度的自动配对,二维参数自动配对,无需二维谱峰搜索。仿真实验证明了算法的有效性。     

一种用于矩形阵列的二维波达方向估计方法

针对现有使用均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列的二维无格波达方向估计方法的性能欠佳的问题,提出一种基于二阶特普利茨矩阵重构和二维旋转不变参数估计技术的无格波达方向估计方法。使用均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列,对其接收信号的协方差矩阵进行二阶特普利茨结构表达,通过log-det稀疏测度与正定约束构造约束优化问题,并使用优化最小算法求解,最后通过二维旋转不变参数估计技术估计源的二维波达方向,即方位角与俯仰角。这种方法需要多次求解半定规划问题,计算复杂度相对较高,但能获得更好的波达方向估计性能。在仿真实验中,这种方法在均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列条件下均有非常低的均方根误差,接近克拉美罗界,证明了其良好的波达方向估计性能。     

利用多次奇异值分解对ESPRIT 改进

本文主要讲述了一种ESPRIT的改进算法，该算法利用两次奇异值及一次SCHUR分解从而实现对ESPRIT各维估计参量的配对，该方法采用了二排均匀直线阵并附加一阵元，以此来对阵列进行两次子阵分解。利用子阵信号数据矩阵中包含的信号空间的旋转不变性质，借助于矩阵束方法求解出信号的二维到达角，仿真结果证实了该算法的有效性。     

空间信号二维到达方向分离估计

基于L型均匀线性阵列和ESPRIT算法提出了一种避免谱峰搜索的多个空间信号二维到达方向分离估计及其配对处理方法,该方法可以并行实现。计算机模拟实验证实了其可行性。     

典型多尺度海面结构体辐射散射方向－光谱特性计算与分析

针对3级以上海况的高精度海洋场景红外仿真问题,提出一种“先拆后建”的研究思路:将含泡沫和破碎波的多尺度海面抽象为粗糙海面、泡沫、破碎波的组合,进而拆解出“粗糙海面”、“含泡沫粗糙海面”、“含破碎波粗糙海面”3类典型多尺度海面结构体,最后通过海面栅格化、结构体匹配、方向-光谱特性重构渲染等方法,由3类典型多尺度结构体方向-光谱特性组合重构大范围海面辐射散射特性,完成多尺度海面“气-面-体”耦合辐射/散射特性的计算。对拆解出的3类典型多尺度海面结构体分别开展多尺度耦合辐射、散射特性建模研究,构建3类多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算模型,并对结构体辐射散射方向-光谱特性的影响因素进行分析,结果表明:随着海面风速的增大,海面典型结构体中的泡沫厚度及气泡浓度逐渐增大,使得结构体的散射能力增强,从而增大结构体的双向反射分布函数;随着探测波长的增大,海水的吸收性显著增强,导致不同风速条件下结构体双向反射分布函数之间的差异显著增大;对于不同的入射角,结构体双向反射分布函数最大值对应的天顶角随入射天顶角的变化逐渐发生变化。     

基于悉尼协调自适应交通控制系统线圈数据的交通事件自动检测算法

为了克服目前悉尼自适应交通控制系统(Sydney coordinated traffic system,SCATS)获取的动态交通数据仅用于交通信号控制的局限性,从信息共享的角度,将SCATS中感应线圈获取的动态交通数据应用于交通事件自动检测。在详细分析了SCATS中感应线圈获取的交通数据特性的基础上,设计了一种新的交通事件自动检测算法,并采用实测数据进行了验证和对比分析。结果表明,所设计的新算法在检测率、误警率方面均优于经典的对比算法,可为改善SCATS覆盖道路在交通信号控制、交通信息引导和交通指挥等方面的协调性提供技术支持。     

海面声探测多目标数据预处理算法

该文针对复杂电磁环境下的海面声探测系统,造成传感器接收到多目标原始数据中,含强杂波、强噪声密集,提出了一种基于海面声探测多目标数据预处理算法.在最近邻数据关联基础上,利用方位角信息变化率、方位角相关性,采用拟合的方式及最近邻原则来解决目标关联及去噪问题.并由实验数据验证了算法的有效性,实现了强杂波、强噪声干扰下多目标数...