基于基阵不变量理论的水平阵被动估距方法研究

针对浅海水平阵测距问题,研究了一种基于浅海基阵不变量理论的瞬态声源估距方法,该方法利用了基阵常规波束形成后的被动波束-时间强度数据偏移不变性原理,相比于波导不变量的方法,它具有不需要多模态干涉和波导环境先验知识的优点。仿真和试验数据分析结果表明,所提方法在不需要波导环境参数信息的条件下就可实现对脉冲声源的准确定位。     

用频移补偿方法计算声场的波导不变量

基于提高声场水平纵向相关的频移补偿方法,提出了一种声场波导不变量的计算方法。该方法简单易行,只需处理具有一定纵向间隔的两个水听器接收的信号。该方法通过将波导不变量设定在一定范围内进行搜索,最终选取波导不变量的值为使两个水听器所接收声信号的经频移补偿后的空间相关系数取最大值时对应的数值。浅海声学实验结果表明,利用该方法能实现声场波导不变量的准确估算。实验结果中所得出的波导不变量值随频率的变化特性及相应的理论分析都表明,在频率较低时频率对浅海声场波导不变量的取值有一定影响,因此波导不变量并不是不变的。     

海深变化环境下目标距离测定

垂直阵接收到可以在时间上区分的引导声源信号和未知声源信号,通过对已知引导声源信号和未知声源信号进行相关比较,结合波导不变量β构建水平虚拟接收阵,可以对海底水平变化环境下目标声源进行距离测定。在宽带接收的情况下,只需要很少的环境信息就能对目标进行测距,与传统的匹配场处理相比,不需要复杂的声场建模和计算,而且降低了对环境参数信息的获取要求,体现了环境自适应信号处理。首先介绍虚拟接收的原理和方法,通过数值模拟和2004年实验数据分析,利用引导声源可对其它声源进行距离测定,误差在10%左右。     

基于波导不变量的双阵元被动探测方法研究

利用一种水声信道统计不变特征(波导不变量)实现被动探测。采用双阵元,分别对每一个阵元接收的宽带噪声信号进行LOFAR分析,对LOFAR图利用Hough变换等图像处理方法进行参数估计,得到波导不变量和曲线(文中讨论抛物线)参数估计值,进而运用几何关系估计出运动目标的航向角、速度和距离信息。利用Matlab仿真验证了该方法的正确性。     

基于干扰抑制方法和引导声源的水平阵被动目标测距

基于引导声源的被动测距由于其对环境参数较少的要求受到了广泛关注。而处于浅海复杂环境下的被动声呐中,目标信号的声场干涉结构可能被邻近方位上的强干扰的旁瓣掩盖或改变,影响最终的测距精度。首先利用基于特征分解的自适应干扰抑制方法对强干扰环境中的接收信号进行干扰抑制,获得更高信噪比和信干比的目标信号;然后采用自适应的最小方差无失真波束形成器方法进行水平阵波束形成,得到更精确的目标声源声场干涉结构;其次基于干涉条纹的波导不变量特点,利用引导声源与目标声源干涉条纹的关系进行目标声源被动测距。实验结果验证了该方法的有效性和应用的可行性。     

广义波导不变量

海洋波导中声场在空间-频率域形成明暗相间的干涉条纹,Chuprov根据距离-频率(r-ω)域干涉条纹定义了波导不变量。一直以来,科研工作者探讨波导不变量定义式均未考虑声源-接收器方位角对波导不变量β值的影响,传统的声场干涉研究也忽略方位角变化对干涉条纹的影响。通过实验和仿真发现,对于我国近海大陆架常见的水平缓变楔形波导,方位角变化对干涉条纹的影响显著,因此将Chuprov给出的仅考虑传播距离变化对干涉条纹影响的波导不变量定义式推广为同时考虑方位角变化对干涉条纹影响的波导不变量定义式,并将之称为广义波导不变量。通过理论推导、数值仿真及海上实验数据分析发现,在水平缓变楔形波导环境下,传统波导不变量定义式无法解释干涉现象时,广义波导不变量可很好地解释数值仿真及海上实验声场干涉现象。     

利用Hough变换提取波导不变量

针对浅海声场频率．距离干涉结构特性,利用Hough变换图像处理技术提取能反映干涉结构特性的波导不变量,该算法把频率．距离上的干涉条纹变换到参数空间的对应点,利用一段时间内的接收信号,在低信噪比下也能提取出干涉条纹的斜率。将实际海试数据分析结果与理论计算结果做比较,结果吻合。     

一种可稳定计算负跃层浅海环境下声场的波数积分方法

提出了一种可以稳定计算负跃层浅海环境中声场的波数积分方法,通过对艾里(Airy)函数的归一化,得到了声源位于水体不同层中的系数矩阵,该系数矩阵是无条件稳定的。结合仿真实例,将该方法的计算结果与 Airy函数未作归一化得到的计算结果进行比较,结果显示,当 Airy函数未作归一化时,在某些情况下不能保证深度格林函数的足够收敛性,而该方法可以很好地解决该问题。同时将该方法的计算结果与简正波模型 KRAKENC的计算结果进行对比,结果表明,文中提出的数值计算模型可以作为负跃层浅海环境中声场计算的有效补充。     

波导不变量和航向角联合估计方法研究

波导不变量是一个与环境特性和传播特性有关的物理量,对其准确估计有重要意义.结合LOFAR图和方位-时间历程图,提出了利用Hough变换进行波导不变量和目标航向角联合估计算法,该算法无需知道运动目标的距离信息,不要求目标有最近通过距离.提出了综合Hough变换参数估计算法,较提取单条纹参数估计算法有更好的稳健性,但增加了计算开销.仿真研究和海试数据分析均验证了算法的可行性,并表明该参数估计算法有较高的估计精度.     

浅海起伏海底环境下的声传播

起伏海底对浅海声传播有着极大影响。文章利用一次东海夏季水文数据,结合蒙特卡洛方法统计分析了浅海长距离起伏海底环境下的声场特性,并利用射线模型分析了海底起伏对声场不确定性影响的机理。结果表明,高频声波对海底起伏的变化更为敏感,传播损失的概率分布更为分散。负跃层环境下,当声源位于跃层下方时,起伏海底对位于跃层下方接收点的声传播影响更为明显。等温层环境下,起伏海底对声传播的影响相比于跃层环境影响更小。起伏海底的倾斜度越大,声传播损失越大。对于相同倾斜度的起伏海底,相对起伏的大小,即起伏海底高度与海深的比值,比起伏周期的变化对声传播的影响更大。     

孤子内波对声场水平纵向相干特性的影响

运用抛物方程计算模型,研究了浅海孤子内波对声场水平纵向相干特性的影响。仿真结果表明,孤子内波会引起水平纵向相关系数随时间出现起伏。起伏的幅度与收发深度有关,起伏周期与孤子内波的传播速度有关。理论分析给出了在孤子内波的传播方向与水平阵平行时,水平纵向相关系数随时间变化的简明表达式。     

基于垂直线列阵数据提取浅海波导声传播参数的模值追踪法

垂直水听器线列阵接收的声数据或其互谱密度矩阵可以用来提取浅海波导声传播的简正波模深度函数、水平波数和海底参数。在实际应用中,布放在海洋中的垂直水听器线列阵不可避免地产生倾斜。计算机仿真结果表明,垂直阵的倾斜使提取参数误差大幅增大。针对此问题,提出模值追踪法,构建模值追踪代价函数,对垂直水听器线列阵声数据互谱密度矩阵的本征矢量的模值进行逼近。仿真结果表明,模值追踪法可以有效消除基阵倾斜的影响。在仿真条件下,水平波数估计误差小于0.1%,海底相移估计误差在±1.1范围内。     

浅海波导中水平时反线列阵布放深度选择研究

以浅海声传播模型为基础,通过计算机仿真分别在理想等声速的Pekeris波导中和接近实际的仿真典型浅海分层波导中观察到以下现象:在理想等声速的Pekeris波导中,由布放在探测声源深度或者其对称深度位置附近的水平线列阵时反后在探测声源处得到的聚焦强度最大;在仿真浅海波导中,只有布放在探测声源深度上的水平线列阵时反后在探测声源处得到的聚焦强度最大。利用简正波建模从声源产生的声场在不同深度上的分布情况出发解释了以上现象的物理机理。由此可以得出结论:与探测声源同深度布放的水平线列阵时反后可以得到最佳的聚焦性能。     

浅海波导中垂直时反线阵聚焦研究

在浅海波导中,垂直阵可以跨越整个波导,并能对大多数简正波模态进行精确采样.在给定声源及海洋环境信息的条件下,通过MOATL简正波模型仿真计算出到达垂直时反阵位置处的波形,即垂直时反阵的接收信号,将接收信号时间上取反,通过以KRAKEN简正波模型计算得出的返回声信道,在声源处取得了较好的聚焦效果.并分析了垂直阵基元数、基...     

浅海单模入射声场目标回波特性研究

浅海环境中,目标回波受到入射和散射双向过程的信道多途影响,具有复杂的多途结构。基于相控垂直阵的单模发射技术能激发出指定的单个简正波声场,可以降低海底混响干扰,简化目标回波多途结构,为主动探测提供了一种有效手段。在信道中点声源目标回波模型基础上,采用简正波本征函数加权研究了单模声场入射下球形目标散射问题,建立了浅海单模入射声场目标回波预报模型,并利用模型对刚性球回波进行了数值计算。结果表明:总声源级相同条件下,单模发射声场与传统的点声源发射声场相比具有一定的阵发射增益,目标回波具有较高的声压级;单模入射能够消除单程多途的影响,回波结构相对简单,有利于目标的探测和识别。     

基于矢量水听器阵的恒定束宽波束形成器的原理与设计

摘要：在对水下目标进行探测识别的应用中，一般要求声纳系统具备在较宽频带内形成恒定束宽波束的能力：过去对声纳恒定束宽波束形成器的研究一直针对声压水听器阵，近来随着对矢量水听器认识的深入，开展基于矢量水听器阵的恒定束宽波束形成器研究越发变得必要。本文正是体现了作者在这一方面的阶段性研究成果。文中首先介绍了单个矢量水听器的指向特性，接着提出了矢量水听器阵宽带恒定束宽波束形成器的实现原理和设汁方法，并以均匀等间距线阵为例，给出了获得实现恒定束宽算法所需频域加权矩阵的步骤，之后又进一步给出了恒定束宽算法的频域实现流程，并通过计算机仿真验证了其有效性：     

基于时反选择性聚焦的信混比增强方法

将时反选择性聚焦方法应用于浅海波导中的信混比增强,提出了一种基于时反选择性聚焦的信混比增强方法。在没有探测声源的条件下,通过对返回的回波信号进行时反算子分解获得时反阵与目标及海底散射体之间的传输函数信息,取一个与目标对应的特征向量作为时反阵的激励权向量,可以实现声场在目标处的选择性聚焦,并抑制相应距离上的海底混响,从而增强回波信混比。该处理方法解决了直接时反处理需要探测声源和混响零点设置方法在海底处设置混响零点的同时也会在目标位置设置零点的问题。利用典型浅海波导环境,进行了计算机仿真实验．验证了该方法的有效性。