次声监测系统设计和次声传感器相位校准技术研究

研究建立了次声监测节点和不同孔径的次声监测阵列,设计了消除风噪的花瓣式空间滤波器并实验验证了其降噪效果,建立了基于互联网数据库管理的次声实时监测系统,提出了基于改进STA/LTA算法的前兆次声信号提取方法和基于能量曲线与皮尔逊相关系数的前兆次声事件确认方法,使用改进的加权时延最小方差法对监测到的次声信号进行了声源定位,验证了定位的准确性;研究了次声传感器的相位校准技术,建立了试验样机,比较了试验结果和理论结果偏差,验证了次声相位校准的可行性。     

基于时延估计的海底线阵阵形估计方法研究

阵形估计是水听器阵列应用中的关键问题,基于时延估计的阵形估计方法比基于传感器测量和基于匹配场处理的方法具有更强的适应性和较高的精度。针对浅海水听器阵列中水平长线阵存在的纵向相关振荡现象引起的不能简单以某一阵元为基准求相对时延的问题,充分利用了阵元信号的高相关性,提出了基于子阵时延的阵形估计方法,针对子阵间时延估计误差向阵端累积的问题,该方法以时延估计的克拉美罗界为依据提出了合理的子阵方式,在一定程度上减小了误差传递。对已有海试数据阵形估计处理的结果表明,相对于单源固定间距方法和未分子阵的双源时延估计方法,基于子阵时延的阵形估计方法满足阵元间距的约束,有较好的空间谱特性,减小了阵形估计误差,对长水听器阵列的应用及阵形估计具有较大应用价值。     

基于三阶累积量及自适应滤波时延估计的管道定位方法

针对直接互相关被动时延估计法定位管道异常振动事件存在噪声干扰影响定位精度的问题,提出了基于三阶累积量及自适应滤波时延估计的管道异常事件定位方法。该方法对顺、反两路异常振动信号进行三阶自累积量和互累积量估计,抑制高斯相关噪声和对称分布噪声。然后利用自适应滤波时延估计算法对三阶自累积量和互累积量信号的时延进行迭代计算,在不依赖先验知识的情况下抑制非高斯相关噪声。经现场实验证明,该方法可以准确地对管道异常事件进行定位,对噪声具有很好的抑制作用,改善了直接互相关时延估计的性能。相对于直接互相关时延估计方法,相对定位误差由2.7%降低到0.6%,定位一致性提高了三倍,平均定位精度可达14m。     

多途效应影响被动定位时延估计精度的分析研究

在一定距离范围内,采用大孔径柔性阵对目标进行精确定位,采用的定位算法主要是基于时延估计的球面内插算法。为了提高球面内插定位的精度,采用了时延跟踪的方法来改善时延估计的性能,并在实验的基础上分析验证了多途效应对信号间相关性的影响。     

基于独立分量分析的管道异常振动事件定位方法

针对传统互相关时延估计法定位管道故障点的局限性,提出了基于独立分量分析(ICA)的互相关时延估计方法用于管道异常振动事件定位.利用ICA滤波后的管道沿线振动信号进行互相关运算,抑制了相关高斯噪声引起的时延估计误差,为管道安全监测系统提供了一种新的高精度时延估计方法.仿真结果和现场实验数据表明,该方法可以快速精确地定位管道周围异常事件的发生位置,改善了相关运算的时延估计性能,相对于传统互相关时延估计法,可进一步降低时延估计的平均误差和均方差,具有更高的定位精度和定位一致性.     

大气次声源定位算法及误差分析

逐步多通道相关方法是定位次声源的主要方法。该方法会忽略阵元的海拔高度差,从而引入误差。文章分析了基于广义互相关的时间延迟估计算法,讨论了基于时延的平面波入射角定位方法。着重研究了逐步多通道相关方法的误差来源,确定了基于时延的定位方法是产生误差的主要原因,明确了大气次声源定位误差来源于忽略了阵元间的海拔高度差。基于最小二乘法推导了在不考虑阵元高度的情况下计算次声波入射角的方法。对存在高度差的4元中心三角阵型进行了误差仿真实验,在忽略阵元海拔高度差的条件下,各方向入射的次声波角度定位误差最大达到4°,特定阵型的阵元最大海拔高度差与入射角度计算误差成线性关系,并探讨了入射角度计算误差对主要参数和后续定位的影响。     

时延差优选估计声源定向算法

基于时延差估计的定向方法因其抗干扰能力较强在被动声源探测中应用广泛。在此定向方法的基础上,结合实际应用中的实时性需要,通过对方位估计结果误差因素的定量分析,提出了一种时延差优选技术。该技术按照定向鲁棒性原则对时延差进行优选,然后利用优选的时延差估计结果完成声源定向,从而达到减少时延差估计数量且不降低定向精度的目的。计算机仿真结果表明：该方法运算量明显低于传统方法,且由于时延差选择合理,其定向精度也有一定的提高。     

基于慢度估计的次声台阵信号自动检测算法及应用

针对次声监测研究领域广泛使用的短时间与长时间信号功率比检测方法性能不能满足要求,渐进多通道互相关检测算法虚警率较高的缺点,利用信号的时、频、波数域特性和次声台阵各子台信号的互相关性特性,提出了一种基于次声台阵信号慢度估计的自动检测算法。次声信号慢度估计结果的合理性、一致性是该检测算法的依据。考虑到该检测算法计算量较大,在具体应用中加入其他计算量较小的传统算法,进行逐次检测,最后应用的慢度估计方法既是一种检测方法,也是对其他检测算法结果的最终审核,一方面可以降低单项检测方法对检测参数的敏感性,另一方面也可提高检测的正确率(虚警率和漏警率同时降低)。该复合检测算法应用于某实验次声台站信号的检测(信噪比大于1.1),结果虚警率为4.0%,漏警率为5.0%,表明了该方法的优良性能。从检测应用处理结果还可以推测,结合一个区域现有密集的地震台站数据和2~3个次声台阵的数据,可以方便地识别、监控爆破方式日益复杂的人工爆破事件和真正的地震(余震)事件,为地震灾害减灾防灾、采矿监控等多领域服务,具有重大推广价值。     

一种利用多路径声线时延差的定位方法

利用射线声学研究了发射信号已知情况下基于时延特征谱匹配的定位方法,首先从测量信号相关谱和模拟信号相关谱中提取出时延特征谱,然后通过特征谱匹配处理来估计目标位置。仿真和实验数据处理结果表明,基于时延特征谱匹配的定位方法对环境参数失配具有较好的宽容性,目标深度和距离的估计精度较高,非相干累积和平均垂直稀疏阵各水听器的模糊度图可以明显降低旁瓣。     

混响环境中突发声源定向方法及性能

针对突发性声源在混响条件下的定向技术进行了研究。基于传统广义互相关时延估计的定向方法,通过对互相关函数计算结果进行判别与约束、对数据帧采用滑动方式、对时延估计结果进行能量加权选举等措施,有效提高了声源定向结果的稳定性。实验结果表明,改进的算法在混响条件下能有效地对突发性声源进行可靠定向,可用于对枪声、爆炸声等突发性信号进行精确定向和定位。     

航空弹药实弹打靶安全距离评估方法

为解决基层单位实弹打靶时观测台安全距离评估面临的实际问题,实现现场安全距离评估的准确性,以实弹打靶安全距离评估需求为背景,给出了各种安全距离评估方法,包括估算法、工程近似法、数据拟合法。结果表明:估算法简单快捷,为预先评估的简单实用手段;与工程近似法比较,数据拟合法结果准确,数据安全,适合对各类航空弹药(粗短型或细长型)进行安全距离评估,为精确评估的主要手段。通过对实际弹药的分析评估,破片飞散最大距离2.7km,小于3.5km安全距离要求,观测台安全。     

航空弹药实弹打靶安全距离评估方法

为解决基层单位实弹打靶时观测台安全距离评估面临的实际问题,实现现场安全距离评估的准确性,以实弹打靶安全距离评估需求为背景,给出了各种安全距离评估方法,包括估算法、工程近似法、数据拟合法。结果表明:估算法简单快捷,为预先评估的简单实用手段;与工程近似法比较,数据拟合法结果准确,数据安全,适合对各类航空弹药(粗短型或细长型)进行安全距离评估,为精确评估的主要手段。通过对实际弹药的分析评估,破片飞散最大距离2.7 km,小于3.5 km安全距离要求,观测台安全。     

基于小波包分解的多尺度互相关管道定位方法

针对直接互相关时延估计法定位管道故障点存在定位精度差的问题,提出了基于小波包分解的多尺度互相关时延估计方法用于管道故障点定位.首先对2路光电检测器采集到的管道沿线振动信号进行小波包分解和重构得到不同尺度数据,然后对2路信号的同一尺度数据做互相关运算,利用互相关时差定位和加权平均原理计算故障点位置,抑制了噪声引起的时延估计误差.现场实验数据表明,本文方法平均定位误差小于150 m,相对误差小于0.4%,最大定位误差不超过±400 m,定位均方差小于0.05,相对于传统直接互相关时延估计法,此方法可进一步降低时延估计的平均误差和均方差,显著提高定位精度和一致性.     

音频无人机定位的时延估计模拟分析

针对无人机非平稳音频信号时差定位中,广义互相关时延估计算法抗噪性差和时延估计值精度低等问题,文章采用了一种基于广义二次相关时延估计的改进算法。算法对叠加了实际噪声（如风声、雨声、汽车鸣笛声等）的无人机音频信号进行频谱细化的广义二次相关,有效抑制了噪声干扰,融合相关峰精确插值算法,提高了互相关函数的分辨率,使得时延峰值更加明显。仿真实验结果表明,改进的广义二次相关方法在不同信噪比时,比广义互相关和广义二次相关算法的时延估计精度更高,稳定性更好。改进的广义二次相关算法对无人机定位中的时延估计具有更好的性能优势,具有较强的实际应用性。     

双矢量潜标被动定位方法研究

为了解决双矢量潜标交会定位法在基线区定位误差大的问题,根据定位方程推导了时差定位法和交会定位法在二维坐标系下的定位误差几何稀释的最简数学表达式。依据实际双潜标系统的测量误差,数值仿真给出了两种方法的定位误差分布的等高线图,对比分析可以得出,时差定位法能很好改善基线区的定位效果,而交会定位法在远离基线区时定位性能优于时差定位法,然后通过分析目标方位对定位精度的影响给出测角误差对定位产生很大影响的原因,与数学表达式分析结论吻合。最后将两种定位方法应用于实验数据处理中,验证了数值仿真分析的结论,为双潜标定位系统的实际应用提供参考。     

修正时延扩展卡尔曼滤波MIMO声纳目标跟踪方法研究

分布式多输入多输k~（Multiple．InputMultiple—Output,MIMO）声纳是一种通过MIMO技术规划时空信道来提高声纳探测性能的新型主动探测声纳体制。由于分布式MIMO声纳节点分布间隔大,水中声速较小,由各发射节点同步发射的测距信号将经过不同的时延到达目标,因此各接收节点测得的距离值分别对应于目标不同时刻的状态。常规的定位方法并没有考虑传播时延对测量值的影响,因而定位精度受到限制。提出了一种修正时延的扩展卡尔曼滤波方法（ModifiedExtendedKalmanFilter,MEKF）对分布式MIMO声纳系统中的移动目标进行跟踪。仿真结果表明,与常规的目标定位跟踪方法相比,该方法有定位精度高、收敛速度快、跟踪性能稳定的特点。