基于遗传算法的单矢量水听器多目标方位估计

矢量水听器能同时获得声场中某一点的声压标量和质点振速矢量,获得了比常规声压水听器更多的信息。矢量水听器自身是一个空间共点阵,具有一定的空间指向性,这些特点使矢量信号处理技术与声压信号处理技术具有重大差异。根据单个矢量水听器多目标分辨的数学模型,即声压和振速的偶次阶矩组成的非线性联立方程组,研究了该方程的解算方法,给出了可以使用遗传算法求解该非线性方程组的结论和计算精度。     

单矢量水听器目标方位估计

矢量水听器由于其不但能获取声场中的声压信息,还能获取质点振速这一矢量信息,所以给其信号处理带来了更大的空间.单个的矢量水听器由于其具有这一特征,就能对声场中的目标进行方位估计,而且由于振速为矢量具有方向性,故不会出现左右弦的模糊问题,在工程应用上也由于其小的尺寸而受到重视,本文针对单个的压差式矢量水听器,利用其声压和振速的相关性;对单个的目标进行方位估计仿真,并用水池试验数据进行了验证.     

单矢量水听器方位频率联合估计新方法

旋转不变子空间法和多重信号分类法需假设背景噪声为独立的高斯白噪声或自相关矩阵已知,当条件不满足时算法的性能急剧下降。针对这一问题,根据矢量水听器多通道输出的特点,提出了一种基于平行因子模型的单矢量水听器方位频率联合估计方法。首先利用矢量水听器各个通道t时刻和t+1时刻的输出数据,计算声压和各振速不同组合时的四阶累积量,并构建三阶平行因子模型;然后分析了 PARAFAC 模型低秩分解的唯一性条件并利用三线性交替最小二乘算法得到了单矢量水听器阵列流形和相位延迟估计,进而得到目标的方位和频率估计。与旋转不变子空间法和多重信号分类法相比,该方法不需要子空间估计和谱峰搜索,在高斯噪声和拉普拉斯噪声背景下对多目标的分辨能力好于ESPRIT算法。仿真和实测数据的分析结果证明了算法的有效性。     

矢量拖曳阵水听器流噪声探讨

拖曳阵声纳的左右舷模糊是实际应用中需要解决的问题。采用矢量水听器可以较好地解决此问题。采用波数．频率谱方法讨论同振柱形矢量水听器的流噪声。根据圆柱套管外壁湍流边界层的特点和同振柱形矢量水听器的工作原理,导出矢量水听器的声压通道和振速通道的噪声功率谱。通过数值积分法估计了流噪声功率谱与护套尺寸、水听器尺寸和拖曳速度等参数的关系。针对同振柱形矢量水听器的特点,所得结果有实际参考价值。     

矢量水听器阵列自适应子空间跟踪算法

矢量水听器能同时共点获得声场中声压和振速,与其他水听器相比,能获得更多的信息量,具有很好的应用前景。矢量水听器阵列的MUSIC算法能实现360°无模糊方位估计,然而对于方位时变的目标源,该算法很难完成对上述目标源方位进行实时跟踪估计。鉴于此,将MALASE算法和MUSIC算法相结合,提出了一种矢量水听器阵列的自适应子空间跟踪算法。仿真结果表明,该算法既保留了MUSIC算法的性能,又实现了对目标源进行实时跟踪估计,且方位估计误差仅为0．4°左右。     

应用矢量水听器阵反演浅海海底地声参数

0引言地声反演是获取海底声学参数的一种重要方法,地声反演方法是海洋声学研究的重要内容之一。目前,绝大部分地声反演方法都基于水听器阵列接收的声压信号来进行,而应用包含质点振速在内的声矢量场进行地声反演的方法则相对较少。矢量水听器是一种重要的新型水声传感器,能同时测量声压信号和质点振速信号,已有研究表明,在浅海声传播情况下,声压与质点垂直振速有不同的传播特[1]     

矢量水听器的声压场特性研究

1引言 矢量水听器由声压水听器和质点振速水听器复合而成,声压水听器测量空间的声压,质点振速水听器测量声场中的质点振动速度,因此,矢量水听器共点、同步测量声场的声压标量和质点振速矢量.一般,矢量水听器是将声压水听器均匀布放在振速水听器(球型)周围.根据声学理论可知,由于振速水听器的声散射和二次辐射,会对声压水听器的测量结果产生影响.因此,需要对振速水听器的近场声压特性进行理论研究.本文从同振球型振速水听器的工作原理出发,对其声压场进行了理论计算,分析它对声压测量值的影响.     

基于矢量水听器的南海海洋背景噪声测试

矢量声压振速联合处理建立在信号的声压和振速相位基础上,海洋环境边界影响将改变矢量声场声压振速的幅度和相位特性．首先根据南海环境条件结合水下目标辐射噪声测量,采用声场矢量简正波理论估算海面非相干偶极子噪声和水下点声源矢量强度随深度的变化,然后设计了可用于深海海域噪声测量的矢量水听器测试系统,获取了南海海域典型深度上的背景噪声矢量强度并进行了特性分析．结果表明：深海背景噪声谱级在500Hz以下基本上不随深度变化,在500Hz～3kHz频段浅深度背景噪声谱级略高于较深深度的背景噪声;振速垂直分量的背景噪声要小于声压和振速水平分量的噪声谱级．     

一种单矢量水听器通道增益一致性分析方法

单只矢量水听器通道增益一致性对空间谱估计结果有很大的影响。通过理论推导证明,当单矢量水听器声压通道增益不同于两路振速通道时,最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)算法空间谱谱峰变宽,并且可能产生伪峰;当一路振速通道增益不同于另外两路通道时,MVDR算法空间谱估计值与真实值存在偏差,且可能存在伪峰,仿真分析验证了理论推导的正确性。根据分析结果,结合通道增益一致性对多重信号分类(MultipleSignal Classification, MUSIC)算法的影响,提出了一种判断单矢量水听器各通道增益一致性的分析方法。     

矢量水听器在时反水声通信中的应用研究

利用声压与振速垂直分量的弱相关性,将矢量水听器声压与振速垂直分量通道进行时反处理。仿真和试验都表明,此种处理方法可有效降低水声通信的误码率。     

单矢量水听器二维DOA估计算法

为了减小传统声压阵的布阵规模,提高传统声压阵的测量精度,利用矢量水听器的阵列流形特性,使用阵列信号处理的原理进行二维DOA估计。将单个矢量水听器理解成一个声压水听器和三个振速水听器组成的阵列,在无需知道信号先验知识的条件下,分别采用MUSIC算法和ESPRIT算法对多个不相关的单频窄带信号的二维DOA进行了估计。仿真结果表明:在高信噪比情况下,两种算法的精度都很高,优于5阵元的声压平行线阵。利用单矢量水听器能够对信号的二维到达角进行有效估计,远小于传统声压阵的布阵规模。     

声压基阵误差单辅助矢量水听器快速校准方法

针对方位依赖的声压基阵误差校正困难问题,提出了声压基阵误差单辅助矢量水听器快速校准方法。利用精确校正的单只矢量水听器,就可以对声源方位及方位依赖的声压基阵幅度相位误差,进行无模糊的联合估计。由于阵元位置误差、互耦及通道的幅度相位误差均可以等效为方位依赖的基阵幅度相位误差,所以可以对多种同时存在的基阵误差进行校正。该方法适用于任意的阵列结构,不存在参数联合估计的局部收敛问题,只需参数的一维搜索,运算量小可实时在线完成。通过计算机仿真实验验证了该方法的有效性。     

矢量线阵二维波达方位估计的方法

声矢量传感器南声压传感器和质点振速传感器组成,它可以空间共点、时间同步测量声场的声压标量和振速矢量信息。钏对声压线阵无法同时分辨目标的方位角和俯仰角,而三维矢量传感器线阵会带来成本的增加和工程应用上的困难．利用二维矢量传感器组成的直线阵对目标的二维波达方位进行联合估计,详细推导了矢量阵MUSIC算法的数学表达式,并着重对矢量线阵在三维坐标不同轴上时对方位估计的影响进行了研究。仿真结果表明二维矢量线阵布放在水平的X轴或Y轴上时存在方位模糊．而布放在垂直的Z轴上时可以实现全空间无模糊定向,且对双目标也有较高的分辨率。     

基于深海会聚区声强匹配处理的声源定位方法

匹配场处理技术(Matched Field Processing MFP)近年来在声源被动定位、海洋环境声学参数反演等方面得到广泛的应用。根据深海声道中声场的会聚现象,提出了一种基于深海会聚区声强匹配处理(Matched Convergence Intensity Processing,MCIP)的深海声源定位方法。当声源和接收水听器处在会聚区深度范围内时,MCIP方法利用单个水听器即可实现声源距离和声源深度估计。对单个水听器的实测信号进行相位补偿到会聚区距离上,得到实测场声强,与拷贝场会聚区声强进行相关计算并搜索峰值来确定声源位置。数值仿真实验验证了MCIP方法,并分析了环境失配情况下MCIP的估计性能。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。     

中频三轴向矢量水听器的研究

根据实际工程需要,设计、制作三轴向中频矢量水听器,其声压通道和矢量通道在结构上结合为一体,外形为两端带半球帽的圆柱形结构。矢量水听器体积为Ф44×88（mm）、工作频带为5Hz—8kHz。在驻波管和消声水池中对研制的矢量水听器进行了测试,测试结果表明：矢量通道的声压灵敏度级为-184dB(测量频率1kHz,0dB参考值1V/μPa),具有余弦指向性;声压通道灵敏度级为-198dB(0dB参考值1V/μPa)。研制的矢量水听器具有体积小、通道灵敏度高、使用时悬挂方便等优点,适合构建矢量水听器线阵。     

中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构设计

针对同振型矢量水听器后期悬挂金属弹簧或橡胶绳给使用者带来不便的问题,提出一种中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构的设计方案。通过矢量水听器振动系统对其声学特性进行分析,通过ANSYS有限元软件,利用Mooney-Rivlin理论对圆环形橡胶弹簧在压缩情况下的水平剪切刚度进行仿真计算,分析了Rivlin参数对橡胶弹簧剪切刚度的影响,并研制出矢量水听器样机。在1000~4000 Hz频率范围内,对矢量水听器进行了测试,并给出了测试结果。在1 k Hz时,声压灵敏度为-195 d B,指向性凹点深度大于20 d B。测试结果表明,此种设计免除了反复悬挂金属弹簧或橡胶绳带来的负面效应。     

Investigation of transverse oscillation method

Conventional ultrasound scanners can display only the axial component of the blood velocity vector, which is a significant limitation when vessels nearly parallel to the skin surface are scanned. The transverse oscillation (TO) method overcomes this limitation by introducing a TO and an axial oscillation in the pulse echo field. The theory behind the creation of the double oscillation pulse echo field is explained as well as the theory behind the estimation of the vector velocity. A parameter study of the method is performed, using the ultrasound simulation program Field II. A virtual linear-array transducer with center frequency 7 MHz and 128 active elements is created, and a virtual blood vessel of radius 6.4 mm is simulated. The performance of the TO method is found around an initial point in the parameter space. The parameters varied are: flow angle, transmit focus depth, receive apodization, pulse length, transverse wave length, number of emissions, signal-to-noise ratio (SNR), and type of echo-canceling filter used. Using an experimental scanner, the performance of the TO method is evaluated. An experimental flowrig is used to create laminar parabolic flow in a blood mimicking fluid, and the fluid is scanned under different flow-to-beam angles. The relative standard deviation on the transverse velocity estimate is found to be less than 10% for all angles between 50 degrees and 90 degrees. Furthermore, the TO method is evaluated in the flowrig using pulsatile flow, which resembles the flow in the femoral artery. The estimated volume flow as a function of time is compared to the volume flow derived from a conventional axial method at a flow-to-beam angle of 60 degrees. It is found that the method is highly sensitive to the angle between the flow and the beam direction. Also, the choice of echo canceling filter affects the performance significantly.