水下近场目标声探测系统设计研究

为对水下近场目标进行定位和识别,设计了一种小型水下近场目标声探测系统。该系统采用水听器十字阵对目标进行被动方位估计和主动声纳测距相结合的工作方式。为验证声纳探测系统设计的可行性,设计了一个水下目标方位估计的水池实验,该实验系统利用LabVIEW便捷的数据采集和存储功能及MATLAB对算法的强大仿真能力,方便地实现了对水声信号的采集和分析。这种探测系统的设计可为水听器布阵和相关算法的选择提供参考。     

阵形非确知基阵方位估计的神经网络方法

近年来由于大孔径非刚性基阵如拖曳线列阵、声呐浮标阵等的巨大潜在性能,人们对阵形非确知基阵或波阵面畸变情况下的声源方位估计问题日渐重视。本文提出了结构匹配的神经网络求解方法。由于该网络是高度内联的,具有高度并行处理能力、Robust性和学习能力,因而这一新的方位估计方法算法结构简单、运算量小,且有较好的跟踪能力,易于硬件实现。计算机模拟结果表明,利用神经网络方法解决阵形非确知基阵的方位估计问题是相当有效的。具有很大发展潜力,值得进一步研究探索。     

DIFAR浮标反正切目标方位估计方法

DIFAR浮标是一种被动定向声纳浮标,广泛应用于目标的初始定位。它由一个全向水听器和一对正交偶极子组成。正交偶极子提供的指向性信息使其可以对目标进行方位估计。介绍了DIFAR浮标利用反正切方法对目标进行方位估计的方法。采用自适应线谱增强技术提高DIFAR浮标信号的信噪比。用反正切法估计目标的方位。给出了用LOFAR谱图和B-Scan图显示DIFAR浮标数据的方法。并给出了方位估计误差的解析表达。仿真结果表明,在相同信噪比下利用该方法得到的角度的方差小,满足DIFAR浮标的要求,提高了浮标的定位精度。     

基于波束域MUSIC方法的高分辨方位估计

现代声纳系统普遍采用水听器基阵和一定的信号处理来提高对目标的检测和定位能力，而基阵的波束形成则在其中起着核心作用。文中研究了窄带波束域高分辨方位估计技术，分析了波束域MUSIC方位估计的构造过程和具体实现方法。仿真计算表明，基于波束域MUSIC的方位估计算法是一种分辨空间小角域内多个目标的有效方法。     

聚焦矩阵在水中宽带目标被动跟踪中的应用

针对水中机动宽带目标,对于设计好的均匀线列阵,采用空间重采样方法计算基阵的恒定束宽阵元权系数,进而利用该阵元权系数产生聚焦矩阵,通过聚焦矩阵将不同频带的子带信号映射到同一参考频率上,然后将所有频率成分的信号功率谱密度矩阵作平均,并结合MUSIC(Multiple Signal Classification)算法,估计出目标的方位信息,从而实现水中宽带目标的被动跟踪。采用该方法进行仿真试验分析,结果表明在小孔径基阵上可实现宽带单目标的稳定测向被动跟踪,且对多目标具有一定的角被动分辨效果。     

声呐目标跟踪关联中的模糊关联方法

声呐目标跟踪关联是为了获得精确的状态和属性估计、完全和实时的态势和威胁评估。在多台声呐系统联合探测中,根据相同目标、不同观测具有相似特征,提出了声呐目标模糊关联算法。模糊关联能够处理模糊性和不确定性信息,求解具有相似特征目标的关联值。通过将探测目标的方位数据模糊化,利用观测的模糊量和模糊隶属度函数进行数据关联,计算关联时长内两台声呐探测目标方位的关联值,仿真分析验证了上述算法的有效性并取得了较好的实验效果。     

双耳低频高分辨快速精确定向算法

小型被动探测节点由于成本低、布放简单等原因在水声领域应用广泛。已有的被动声测向技术在这种条件下存在定向精度低、角度分辨力差等缺点。为了解决小孔径基阵的目标快速精确定向问题及多目标分辨问题,将人类听觉系统对低频声源的定向过程与高精度时延估计算法相结合,提出双耳低频高分辨快速精确定向算法。通过理论分析和仿真与湖试数据的处理,证明算法对小孔径阵在低采样率的情况下可以对多个目标的方位进行快速精确估计,并可获得各目标的频率信息,利用频率的不同可以分辨相同方位入射的不同声源。     

基于干扰方位跟踪的自适应干扰抑制方法

针对复杂海洋环境中声呐探测弱目标易被强干扰淹没的问题,提出一种对被动声呐探测到的强干扰源进行跟踪抑制的方法,通过对观测数据的互谱密度矩阵(Cross Spectral Density Matrix,CSDM)进行特征分解,根据干扰方位范围的先验知识,对干扰源的方位进行跟踪,依据方位信息选择代表强干扰的特征向量,依此根据不同的算法重构剔除了干扰信息的CSDM。数值仿真和海试数据验证结果表明,该方法能够在已知干扰初始方位区域的情况下自适应地抑制强干扰,较好地保留并提取目标信息,检测出感兴趣的目标。该方法为后续的目标识别与跟踪提供了有利条件。     

水下小体积阵的二维宽带目标被动定位

传统的宽带聚焦波达方向估计算法需要预估方位信息,不准确的前期预估将使最终估计结果出现较大误差。研究了一种基于无噪相关矩阵的二维宽带聚焦算法,利用各频点的频域无噪相关矩阵构造聚焦矩阵,不需要进行前期预估,避免了前期预估对最终估计结果的影响,且适用于任意结构阵列。该算法计算复杂度低,分辨率高,估计误差小。当基阵布放的深度已知时,可实现目标定位。基于9元体积阵的目标被动定位,对该算法进行了验证。     

多冗余被动定位系统精度分析

针对基于二元矢量传感器浮标的被动式水声定位系统高精度定位区域小的问题,采用增加浮标个数构成具有一定冗余度的测量阵,提高了系统定位精度,并且研究了冗余度对定位精度的影响。文中首先对基于纯方位测量的被动定位技术给出了多基阵解算算法的原理和解算步骤,然后仿真了多种冗余度(6~12个浮标)和不同阵型下的被动定位系统的定位精度。结果显示定位误差分布与测向误差、目标所处位置、阵元个数以及测量阵阵型有关,而且定位误差分布具有对称性。周边浮标组合在阵的中心区域定位精度较高,对角组合可以弥补四边连线附近的低精度区域。该仿真结果在参加的系统海上试验中得到了验证。     

MVDR自适应波束形成技术在水声中的研究进展

高分辨波束形成器比常规波束形成具有更好的方位分辨力与干扰抑制能力。该波束形成器能够提高阵列输出信干噪比,从而提高声呐的探测性能。与多重信号分类、旋转不变子空间等方法相比,最小方差无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器输出真实反映了观察方向的信号功率,同时可提供波束时间序列做后置处理,在水声阵列处理领域得到了快速发展和深入研究。对高分辨MVDR技术在水声阵列处理中的研究进展进行了回顾,重点介绍了其宽带处理、稳健性、运动补偿、解相干等国内外的研究热点和最新成果,同时给出其在各种水声阵列处理领域的应用前景。     

基于北斗通信的河道水质监测系统设计

针对当前水污染监测费时费力的问题,为了实现实时在线检测水质信息,提出了一种基于北斗通信的浮标监测系统,该系统包括浮标体数据采集系统和岸基接收站系统。以新型设计的浮标为载体的数据采集系统,采用STM32芯片,通过RS485协议读取传感器数据后发送并保存至SD卡中;同时通过北斗模块将数据发送至岸基,岸基上位机可远程浏览浮标状态数据、水质数据以及位置信息。整个系统采用太阳能供电方式,以此完成从数据采集、数据保存到数据传输、数据处理。经测试,整个系统运行状况良好,可实现水质自动化监测,达到预期设计要求。     

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。     

矢量水听器工程局限性剖析

重点研究了矢量水听器在工程应用方面的特点和局限性。首先给出了矢量水听器及其阵列的数学模型和它的性能特点;接着对矢量水听器和传统声压水听器在浮标/潜标平台、拖曳式平台以及水下航行器平台等应用情况下的性能进行了比较分析。结果表明,在浮标/潜标平台上,使用矢量水听器有利于低频时的目标探测,可以显著降低阵列孔径;而在拖曳阵及航行器等移动平台上,由于受流噪声、运动平台辐射噪声等因素的影响,矢量水听器的性能优势不易发挥。     

解析声能流Capon空间谱估计

文章中把解析函数理论用于声矢量信号分析，提出了一个新概念“解析声能流”，给出了单矢量传感器输出的解析声能流表达式。并将这个新概念用于描述声矢量阵输出，得到了一种新的矢量阵输出模型“伪解析声能流”。利用该模型，推导了声矢量阵的Capon空间谱估计的表达式。理论分析和计算机仿真表明：1、解析声能流的实部和虚部具有正交的偶极子指向性，并且可以用移相的方法来旋转其主极大方向；2、在平面波和二维质点振速条件下，解析声能流将矢量叠加统一描述在它的相位中，从而可以综合描述声场的相位干涉和矢量结构；3、基于“伪解析声能流”模型，传统的Capon空间谱估计算法无需改动就可以直接用于声矢量信号处理，与传统的Capon空间谱估计算法相比，具有全空间无模糊定向能力、更低的旁瓣和对短时信号有更强的处理能力。     

非一致性噪声条件下的特征空间波束形成

由于水声环境的复杂性,阵列的噪声分布可能是非一致性的。当阵元噪声功率各不相同时,阵列协方差矩阵特征分解得到的特征子空间与真实目标的特征子空间之间存在误差,导致特征子空间波束形成算法的性能衰减。文章提出了一种新的非一致性噪声条件下特征子空间的估计方法,将阵列协方差矩阵对角线置0,进行特征分解估计的特征子空间将不受阵元噪声非一致性的影响。将该方法应用到特征空间波束形成算法,提高了非一致性噪声条件下特征空间波束形成算法的方位分辨能力。仿真和实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。     

信号相位匹配原理的低空目标测向实验

利用自行设计的圆柱阵和圆台阵,对基于信号相位匹配原理的奇异值分解（SVDSPM,Singular Value Decompo-sition Based on Signal Phase Matching Principle）算法的低空测向性能进行了外场实验研究。分析了在圆柱阵和圆台阵两种条件下,SVDSPM算法的空间谱以及均值、绝对误差、方差、均方根误差等方位估计的统计误差,并与CBF（Con-ventional Beamforming）和MUSIC（Multiple Signal Classification）算法的性能进行了比较。实验结果表明,利用圆柱阵和圆台阵两种阵型,SVDSPM方法的指向性均较为尖锐。与CBF和MUSIC算法相比,SVDSPM算法对俯仰角估计的均方根误差最小,圆柱阵时为1.9°,圆台阵时为3.3°。     

线阵声诱饵对抗具有尺度识别能力鱼雷的分析与仿真

为了研究线阵声诱饵对抗具有尺度识别能力鱼雷的性能,以分裂波束和方位走向法为例,分析了鱼雷对尺度目标回波的识别方法,以此为基础探讨了线阵声诱饵在对抗具有尺度识别能力鱼雷时的若干技术问题,通过仿真验证了线阵声诱饵对抗尺度识别能力鱼雷的有效性。本文证明了线阵式的声诱饵可以有效模拟舰船目标的尺度特征,在对抗有尺度识别能力的鱼雷时是很有意义的发展方向。本文所给出的仿真方法,除了建立线阵诱饵在诱骗有尺度识别功能鱼雷的仿真模型外,还可以作为物理模型应用在诱饵工作程序中,提供各阵元的延迟时间等声学参数。     

任意四元非平面阵的定向性能分析

定向精度是被动声纳系统重要技术指标,合理的阵结构可以提高其定向性能。建立空间任意四元阵模型,利用矩阵变换推导出定向的最小二乘解并从理论上给出方位角估计的误差公式,求得方位角估计方差的均值最小和不受方位角影响应满足的条件。借助计算机仿真给出俯仰角的估计误差的定性分析。最后得到空间四元阵在满足一定的空间结构时具有最佳的定向性能,为四元阵设计提供了参考依据。