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。     

未知声速分布下的一种水下目标GPS定位修正算法

由于海洋中声速分布不均匀,要实现水下目标GPS的精确定位,必须进行误差修正。阐述了采用应答器工作模式的水下目标GPS系统定位原理,在水下目标GPS系统定位过程中,分析了一种基于欧氏几何原理的修正算法在声速分布未知时的定位修正效果和局限性,研究了算法出现盲区的原因,并据此对该算法进行了改进。仿真计算结果表明改进后的算法可有效减小声速分布未知时声速估计不准确造成的定位误差,提高了水下目标GPS的定位精度。     

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。     

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。     

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。     

基于爆炸声传播时间的声速剖面反演

特征声线搜索以及传播时间测定的精确性是基于声传播时间的声速剖面反演的关键。在具有倾斜海底的三维海域,声线在海底的反射会导致水平偏转,给特征声线搜索和声传播时间计算带来了困难。为此,首先提出了一种三维空间特征声线搜索方法。通过对南海海洋环境反演实验数据的处理,分析了声线的水平偏转对声传播时间的影响,并用爆炸声传播时间作为代价函数,用量子粒子群算法作为优化算法进行了声速剖面反演。结果表明,海底坡度较大时,声线的水平偏转对声传播时间影响较大,考虑声线的水平偏转能有效地减小声传播时间计算的误差,进而使得声速剖面反演的精度得到显著提高。     

基于非对称往返测距的海洋无线传感网络节点定位算法

提出一种新的基于非对称往返测距的海洋无线传感网络节点定位(LMARR)算法,该算法利用节点间非对称的接收与发送测距信息的时间差,推算出节点间海水声速以及未知节点与其邻居参考节点之间的距离,将三维距离信息转换成二维,运用最小二乘法完成定位计算。与SWN和ARTL算法相比较,仿真结果表明:LMARR算法能有效地提高节点定位的精度,特别是在深度为20～120m海水声速持续变化的区域,定位精度比SWN算法提高了20%,比ARTL算法提高了33%;此外,LMARR算法还具有较高的稳定性。     

利用字典学习方法的声速剖面反演研究

针对经验正交函数（Empirical Orthogonal Function,EOF）建模反演得到的声速剖面（Sound Speed Profile,SSP）估计值分辨率比较低的问题,文章采用字典学习方法中的K-奇异值分解（K-Singular Value Decomposition,K-SVD）算法生成声速剖面的非正交原子,研究了该方法生成的学习字典（Learning Dictionary,LD）对声速剖面的重建性能。首先,采用K-SVD算法从获得的数据中训练SSP字典,然后利用正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit,OMP）的稀疏方法给出训练信号的稀疏向量,最后通过得到的最优学习字典和稀疏向量反演得到SSP的估计值。结果表明,K-SVD算法比EOF算法使用更少的基函数即可很好地描述SSP的变化,获得更高的反演精度。     

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。     

声速经验公式的适用范围分析

声速经验公式是海水中温度、盐度和静压力的函数,通过对直接测量声速和间接测量声速的分析,并应用近年来收集的南海声速剖面仪SVP和CTD数据,对九种声速经验公式计算的声速与直接测量声速的差异进行了分析,得出了声速经验公式的计算差异范围,结果表明各个声速经验公式各有优势,不同的公式适用的范围也不一样,并给出了在不同的范围内应用何种声速经验公式能获得较高精度的结论。     

浅海信道有效声速估计及其在水声定位中的应用

提出了基于本征声线视在搜索的浅海信道有效声速估计方法。在给定海面海底及垂直声速分布条件下,该方法能快速准确地估计浅海信道中任意两点的有效声速以及有效声速空间分布物理图像。因该方法采用本征声线视在搜索思想,计算量大为减小,易于实际工程应用。随后探讨了其在长基线水声定位解算中的应用。海试与应用结果表明,该方法可以提高长基线定位系统对浅海信道复杂水文的适应能力。     

一种声速-位置联合估计的水声导航定位方法

长基线水声导航定位方法利用各信标到水下航行器的信号传播时间和等效声速来估计水下航行器的位置,但各信标到水下航行器的等效声速估计存在误差,导致定位误差较大,且随着导航距离的增加,定位误差呈增长趋势。针对这一问题,提出了一种基于粒子滤波的水声导航定位方法,将等效声速和水下航行器的位置作为估计状态参量,通过测量信标信号到水下航行器的传播时间,建立粒子滤波模型对其位置进行估计,准确地估计并跟踪等效声速变化,从而提高定位精度,减小估计误差。仿真结果表明,在水下航行器初始位置未知的情况下,与常规方法相比,文中所提方法的定位精度提高了4倍左右。     

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。     

一种二分迭代实时声线修正算法

为提高对水下目标的定位精度,提出并实现了一种二分迭代实时声线修正算法。首先通过二分迭代法快速搜索出水下声源所发出的定位声信号传播声线的初始掠射角,然后以该初始掠射角对应的唯一声线为基础,根据斯涅耳(Snell)声线折射定理计算得到声源与水下接收阵元的距离值,最终利用与声线相符的三路测距值进行交汇解算,完成实时声线修正定位。湖上试验结果表明,该算法简单易行、运算速度快,能够满足实时修正处理的要求,在复杂水文条件下提高了水声定位系统的定位精度。该算法具有良好的工程实用性和通用性,可推广应用于同类水声跟踪定位系统。     

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。     

浅海海底地形对吊放声呐探测距离的影响

吊放声呐的探测距离不仅与装备的自身性能和海洋水声环境特性有关,还受海底地形影响。利用射线声学模型,仿真分析了正声速梯度和带有跃变层声速梯度下,不同高度和深度的海底山体和海底盆地（简称：海盆）两种典型地形下的声传播特性。通过声传播特性,得出了不同高度和深度的海底山体和海盆两种典型地形对吊放声呐作用距离的影响。根据声传播特性,得出了不同海底地形下潜艇规避吊放声呐搜索的大致航行区域,给出了吊放声呐增加搜潜概率的可行性方案。     

水下高分子吸声材料的声学设计

通过固体力学的波动理论，利用材料的弹性模量、损耗因子和密度等基本弹性常数，推导了材料的声波速度和声阻抗的实部、虚部，以及衰减系数的表达式。通过数值计算，模拟了材料声反射系数和衰减系数随材料声学参数的变化规律，分析了材料声学性能的影响因素，提出了通过优化物理参数的方法对材料进行声学设计的方法。     

矢量水听器宽带多途信号仿真及俯仰角估计性能研究

以声线理论为基础,建立了发射波形已知的声场振速信号的有限差分数值计算模型。在保证精度的前提下,仿真宽带信号所需的计算量和运算时间都大大减少,可满足实时处理的需要。通过仿真分析了浅海环境下近、远场的多途信号的到达结构及其对矢量水听器俯仰角定向性能的影响。研究结果表明：多途相干信号给矢量水听器的俯仰角估计带来严重误差,应该寻求匹配场处理或者其它信号处理技术提取直达波以改善其性能;使用等声速剖面近似弱负梯度声速剖面,对声压信号和垂直振速信号时域波形影响较小,但对水平振速的时域波形影响很大。     

基于参考点之间水声传播的声速剖面反演

针对海洋声速剖面测量成本高、长期观测困难的难题,文章初步研究了利用水下固定参考点与水面已知位置之间的声信号传播时延来反演海水声速剖面的方法,提出了一种等声速分层模型下的声速剖面反演方法。将海水分层,对声信号传播过程进行建模,推导反演声速的非线性方程组;再利用牛顿迭代法,对非线性方程组进行求解。通过仿真和海试试验数据处理,分层数不同时,反演声速与实际声速之间的误差随着分层数的增加而变小,声速误差最小为0.80 m·s^-1左右,验证了反演方法的有效性与准确性。