运动目标低频矢量宽带谱干涉结构及其应用研究

随着安静型技术的飞速进步,舰船和潜艇的辐射噪声总源级越来越低,但其低频成分很难消除。推导了低频矢量声场双曲线方程形式的声场干涉条纹方程,建立了双曲线参数与目标运动参数的关系。分别利用射线理论和波动理论模拟了低频声场,计算了运动目标声压和水平、垂直振速的干涉谱图,采用短时傅里叶变换与霍夫变换结合的方法对干涉结构图进行处理,估计舰船目标的运动参数。仿真结果表明,利用运动目标的低频矢量宽带干涉谱可以有效估计出目标的运动参数,同时,垂直振速的干涉谱图参数估计结果较前两种谱图误差小。     

浅海低频声场水声信号时间相关性研究

起伏的声场接收信号是时变的,浅海声场的时间相关性研究有利于目标深度的判别以及水声信号的数据融合。研究浅海低频声场时间相关性以信号的自相关和互相关原理为基础,完成对信号时间相关半径、相关函数值的影响因素分析,得到不同声场条件下信号传播的作用结果。通过仿真比较在不同频率、不同信噪比条件下低频声场信号的相关性曲线,并结合实际海试数据进行验证。研究表明浅海低频声场随机扰动随着低频波长的增加而减弱,且信号时间相关性研究为声场的实际应用提供了一定参考。     

浅海低频声场的水平纵向相关性

基于一次浅海声学实验数据,研究了浅海低频声场的水平纵向相关特性。利用简正波干涉理论,对实验结果中声场水平纵向相关的振荡结构与强烈起伏现象进行了分析与解释。声场水平纵向相关的振荡结构是由简正波干涉所致,该实验结果进一步验证了该现象在浅海低频条件下的普遍性。当实验中采用的爆炸声源的标称深度位于声场中某号有效简正波的一个波节附近,声源实际爆炸深度的较小变化引起该号与其它号有效简正波幅度比值的较大变化,从而在有效简正波号数较少的情况下引起了声场水平纵向相关的强烈起伏现象,该现象表明在一定条件下声源深度是浅海低频声场水平纵向相关的一个敏感参数。     

基于声压振速联合信息处理的测向方法研究

本文研究了基于压差式矢量传感器声压振速联合信息处理的低频水声目标被动声测向算法,该方法综合利用了目标声场的声压和振速信息,有效的解决了小尺寸和低频条件下的高精度被动声测向,最后用实测的潜艇噪声数据进行了计算机仿真,并在消声水池对压差式矢量传感器的指向性进行了测试,获得了比较满意的结果     

水下目标低频辐射噪声矢量声场干涉测试分析

矢量传感器具有与频率无关的偶极子指向性,可以同步、共点和独立测量声场中的声压和质点振速,在水下目标辐射噪声测量领域得到广泛应用.本文采用虚源干涉模型和简正波矢量声场理论,计算和仿真分析了水下目标低频辐射噪声声压与质点振速近程声场的时间-频率干涉图案,利用单矢量传感器辐射噪声测量系统在北黄海海域对单个和两个目标的水下辐射噪声进行了测试和分析.结果表明:水下目标低频辐射噪声声场质点振速水平分量与声压的时间-频率干涉条纹具有相似性,而声场质点振速比声压的时间-频率干涉条纹清晰,且质点振速能够抑制目标与目标辐射噪声之间的干涉;利用质点振速LOFAR图,可以判定水下目标的数目,区分水面和水下目标.     

自编码器在浅海小目标前向散射信号检测中的应用EI北大核心CSCD

针对近距离浅海小目标前向散射信号检测受信道自身起伏影响较大的问题,提出一种基于自编码器的目标检测方法。该方法通过匹配滤波、希尔伯特变换和相位对齐等处理过程获取接收声场的稳态到达结构,利用自编码器无监督地学习无目标时背景声场的稳态结构,然后通过观测自编码器的重构误差能量变化实现目标探测。应用海上试验的蛙人穿越数据进行分析,说明了当收发距离为50 m,目标穿越位置与发射源距离为15 m时,单通道接收声场的探测扰动量大约可达到8 dB以上,联合多通道信号进行训练可进一步抑制背景声场的扰动。试验结果表明该算法在动态海洋环境中能够实现前向散射信号的检测,并可以确定目标的穿越时间。     

一种基于相关积分的互谱WVD目标方位估计方法

针对水下高速运动目标的被动跟踪问题,将魏格纳-威尔分布(Wigner-Ville Distribution,WVD)算法与互谱法相结合,构建了一种矢量信号处理框架下的目标方位估计方法——基于相关积分的互谱WVD算法。该算法利用了矢量水听器声压通道与振速通道信号的相关特性,首先通过计算两者的互相关函数来提取目标信号的特征信息,然后通过短时积分与傅里叶变换将互相关函数从时域转换到频域,最后在频域提取信号的特征参量,并进行方位估计。仿真研究表明,当目标处于远距离且低速运动时,所提算法的方位估计性能与互谱声强法基本一致;而当目标处于近距离且高速运动时,算法的方位估计性能大大优于互谱声强法。     

船舶辐射噪声源模型的试验验证

任何船舶在运动过程中其机械设备的运转,以及船体本身的运动,都不可避免地会产生噪声,这种噪声在水中向周围传播,就在水下形成了随时间和空间分布的船舶辐射噪声场。由于船舶体积庞大、设备众多,在近场是一个十分复杂的体积声源,其声场具有时、空变化特性和指向性,在测量船舶水下辐射噪声时,为保证获得足够的信噪比,通常只能在近距离进行测量。因此开展船舶体积声源的建模研究,是十分重要和必要的。为了验证浅海波导条件下的船舶辐射噪声源模型,在某浅海海域,测量了一艘渔政船的辐射噪声。实测数据的处理结果验证了船舶辐射噪声源模型的有效性,即利用建立的船舶辐射噪声源模型可有效地描述体积声源的声场分布。本文的研究成果对于分析船舶目标的固有特性具有指导意义。     

基于潜标的海洋环境噪声测量系统

对海洋环境噪声测量系统技术进行了研究,设计和实现了一种基于潜标的海洋环境噪声测量系统,并进行了海上试验.该系统采用潜标的布放方式,利用矢量水听器测量浅海海洋环境噪声场的低频噪声.矢量水听器同步测量声场空间一点处的声压和质点振速三个正交分量, 测量信号经预处理后,对信号进行数模变换,得到的噪声数据可以在潜标中自记录或通过水面浮标传输到岸站存储.对噪声测量方法进行的分析和海上试验的结果表明,该系统稳定可靠,能正确地拾取海洋环境噪声.     

基于简正波的浅海混响序列仿真

提出了一种基于简正波的混响时间序列仿真方法推导出了模型的理论公式,给出了其实现方法和仿真结果基于运动声源和接收器的简正波声场和混响点散射模型,并就仿真结果进行了混响时间序列幅度瞬时值、包络值的概率分布密度以及时间相关性等统计检验。和理论结果对比表明了该仿真模型的有效性,可用于浅海低频混响序列的仿真。     

有限平面障板对低频指向性的影响

为提高对水下目标的远程探测能力,降低水下航行体系统工作频率不失为一种较易实现的好方法。矢量传感器在各向同性噪声场中可以获得较大的低频检测增益,且其低频指向性好、体积小、重量轻,但是将矢量传感器安装在水下航行体头部的导流罩内时,传感器的后障板对其指向性有影响,从而影响水下航行体对目标定向的能力。该文从声学原理出发,对平面波在有限平面障板边界上的声压场和振速场进行了理论分析,在此基础上建立了矢量传感器在有限平面障板下的指向性模型,并通过计算机仿真分析,研究了有限障板对低频指向性的影响。设计了实验室试验系统,并进行了试验验证。试验结果表明,仿真分析与水池试验结果一致,证明了该模型的正确性,为减小有限障板对矢量传感器性能的影响奠定了基础。     

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。     

声场计算模型的环境宽容性分析

浅海水声环境容易受到各种因素的影响,导致其环境参数具有很强的不确定性,依据环境宽容性选择快速、精确的声场计算模型是保证后续研究分析正确性的重要前提。以海水声速为例,简述了基于传播损失和声场互相关系数的计算模型环境宽容性分析方法。为定量描述环境和声场计算模型的失配情况,在研究浅海不确定环境对于声场空间相关性影响的基础上,结合水声环境不确定性推理模型,得到声场空间相关半径和传播损失概率分布可信区间,提出利用声场空间相关半径相对值来度量声场计算模型的环境宽容性,同时利用非嵌入式随机多项式展开(NON-Polynomial Chaos Expansion, NPCE)法,结合差值评定方法对得到的环境宽容区间进行验证,结果表明,利用声场相关半径相对值可以定量分析不确定性环境下声场计算模型的宽容性。     

Velocity measurement by vibro-acoustic Doppler

We describe the theoretical principles of a new Doppler method, which uses the acoustic response of a moving object to a highly localized dynamic radiation force of the ultrasound field to calculate the velocity of the moving object according to Doppler frequency shift. This method, named vibro-acoustic Doppler (VAD), employs two ultrasound beams separated by a slight frequency difference, Δf, transmitting in an X-focal configuration. Both ultrasound beams experience a frequency shift because of the moving objects and their interaction at the joint focal zone produces an acoustic frequency shift occurring around the low-frequency (Δf) acoustic emission signal. The acoustic emission field resulting from the vibration of the moving object is detected and used to calculate its velocity. We report the formula that describes the relation between Doppler frequency shift of the emitted acoustic field and the velocity of the moving object. To verify the theory, we used a string phantom. We also tested our method by measuring fluid velocity in a tube. The results show that the error calculated for both string and fluid velocities is less than 9.1%. Our theory shows that in the worst case, the error is 0.54% for a 25° angle variation for the VAD method compared with an error of -82.6% for a 25° angle variation for a conventional continuous wave Doppler method. An advantage of this method is that, unlike conventional Doppler, it is not sensitive to angles between the ultrasound beams and direction of motion.     

空气声源激发的浅海声场的理论研究

研究了将空气中声速分布建模为Epstein分布,水层和海底均为均匀分布的三层介质模型的条件下,空气中点源激发的水下声场。既推导得到了声压场的形式解,通过数值分析,表明空气中点源激发浅水波导,在水层中形成的波导简正波具有实数本征值,可以远距离传播,称其为"水波"。空气层中的Epstein波导简正波在水层中为非均匀波,传播速度取决于空气中声速,称其为"水面波",并指出空气中声源运动产生的水面波多普勒频移大于水波多普勒频移。     

结构在浅水中的振动和声辐射特性研究

建立了浅水域声学边界元方程和相应的有限元／边界元流固耦合振动方程，探讨了水深对结构振动固有频率、振动响应和声辐射的影响。研究结果表明：水深变化对结构固有频率有影响，随着水深减小，结构固有频率降低，特别是当水深与结构浸深接近时，各阶固有频率大大降低，且振型顺序也可能发生变化；水深变化对结构振动响应和声辐射均有影响，其中对声辐射特性的影响较为复杂，即使水深超过结构浸深的10倍，水深变化也会影响到结构的声辐射功率级。     

纠错编码技术在水声跳频通信中的性能研究

将水声跳频通信系统与纠错编码技术相结合进行了研究,针对复杂多变、强多途和起伏干扰的浅水水声信道,建立了基于BELLHOP射线模型的时变衰落水声信道模型,该信道模型建立起了信道特性与海洋环境参数之间的关系,在海洋环境参数给定的条件下可以精确仿真信道。在此基础上通过系统仿真的方法研究了卷积码、RS码和串行级联码三种纠错编码方案在水声跳频通信系统中的性能,给出了两种典型信道下的仿真结果并进行了对比分析,结果表明串行级联码具有更强的纠错能力,比较适合复杂多变的水声衰落信道。     

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。     

弹性球壳声散射对矢量传感器测向精度的影响

由无指向性的声压传感器和具有偶极子指向性的振速传感器组成的矢量传感器,被应用于水声技术的各个领域;在实际应用过程中,常常把矢量传感器固定在某个水下平台上,而平台产生的散射场会使矢量传感器的接收声场发生畸变,进而影响其测量结果。本文以实际应用为背景,建立了弹性球壳障板的声散射场对矢量传感器测向性能影响的模型,并通过仿真分析了不同入射频率、不同观察距离、不同球壳厚度和半径条件下障板对矢量传感器测向精度的影响,研究结果为矢量传感器在水声测量中的应用提供理论支撑。