水平阵的浅海水声环境参数盲估计方法与实验验证

1引言目前,水声环境参数估计一般采用直接测量或者匹配场反演的方法。直接测量的方法不仅费时、昂贵,而且很难大面积实施;利用匹配场技术反演水声环境参数虽然弥补了直接测量的不足,但需信息可靠的已知声源。水声环境参数盲估计是指通过     

几种优化算法在浅海匹配场反演中的性能比较

在分析模拟退火算法、遗传算法、差异进化算法、下山单纯形差异进化算法的优化机理的基础上,定量比较了上述算法在浅海匹配场反演中的效率差异。模拟退火算法与遗传算法只使用目标函数值信息在参数空间搜索全局最优值,效率低且易受参数间耦合的影响。差异进化算法使用种群中个体间的距离与方位信息在参数空间中搜索全局最优值,优化效率随着优化过程的进行而下降。下山单纯形差异进化算法将下山单纯形算法融入差异进化算法,增强了差异进化算法的寻优能力,混合算法对目标函数梯度信息敏感的特性使得这一算法具有较强的解耦能力。浅海匹配场反演仿真算例从最优参数反演结果、最终目标函数值、反演时间等方面检验了上述算法的反演效率。     

一种用阈值提取子空间的多步匹配场反演方法

在分析已有的匹配场反演方法的基础上,构造了一种用阈值提取子空间的多步匹配场反演方法。它根据一定反演环境下参数的不同敏感性将参数划分为子集（子空间）,并依次在各敏感子空间内反演。反演时用一定的阈值将目标函数优于阈值的参数区域提取出,最后在提取出的已相对缩减的区域和最后一个子空间（通常是不敏感参数子空间）内联合反演全部参数,求得最优值。这样既可减少反演参数空间又能可靠地保证精确度,避免了已有的子空间方法反演结果受非反演参数失配影响的问题。仿真研究结果表明,本算法比已有的两类算法性能上有明显提高。     

浅海单个水听器匹配场定位研究

本文研究了利用单个水听器的匹配场定位问题，分析了波形相关和包络相关两种处理方法。通过对均匀层条件下匹配和失配的数值模拟，讨论了运用单个水听器进行匹配定位的可行性和对浅海远距离匹配定位的可能性，以及反演海底参数的问题。从数值模拟的结果来看，运用波形相关方法进行匹配定位所得的模糊函数主瓣突出，分辩率高，是一种比较好的匹配场处理方法。最后，对一组浅海爆炸声传播实验的数据进行了匹配定位，取得了较为满意的结果。     

F湖单水听器宽带匹配场定位的实验研究

基于波形互相关的一种快速实现方法,我们在F湖开展了单水听器宽带匹配场被动定位的实验研究.本文介绍了定位原理、实验方法,对定位实现中的主要问题进行了讨论,提供了实际定位结果.研究表明在F湖利用单个水听器实现宽带水下声源的匹配被动定位是可能的.     

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。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。     

金刚石薄膜阴极电子发射特性研究

宽带隙半导体材料金刚石的负电子亲合势特性使其在电子场发射应用方面备受瞩目。材料的功函数对其热电子发射或场电子发射都有决定性的影响。本文从热电子发射的角度出发 ,对钨基金刚石薄膜阴极有效功函数进行了测量。文章阐述了实验方法、装置及结果 ,测得金刚石涂层阴极的有效功函数为 0 70eV ,并对实验结果进行了理论分析     

匹配场反演阵形估计算法的试验研究

传统的阵形估计算法都基于这样一个假设,即声传播为平面波或球面波模型,在浅海应用条件下,多途效应显著,该假设失效,造成此类算法的性能下降。提出了一种基于匹配场反演的阵形估计算法,采用简正波模型对声场建模,将多途建模为不同号数的简正波,从而消除了多途效应的影响;并且通过合理地选择目标函数,使算法对环境参数的扰动具有一定的宽容性;利用柔性阵的线性约束,将阵形畸变用弧线建模,使问题简化,在缺少声源精确位置等先验知识的前提下,仍能实现阵形的准确估计。理论仿真和试验结果表明,该算法是有效的。     

浅海单个水听器匹配场定位的研究

对匹配场定位方法的研究是近年来水声学研究的热点。匹配场定位的基本原理是通过比较信号在接收阵上的协方关国数与假定声源位置后，按传播模型数值计算得到的协方差函数之间的相关程度来确定声源的位置。目前，对匹配场定位的研究大多采用长垂直接收阵，且只局限于数值模拟，但是在海洋实验中想要随时记录一个垂直阵的各种参数（如倾斜度和倾斜方向等）是很困难的，因此我们着重研究了利用单个水听器的匹配定位。在处理方法上，我们研究了对宽带信号的波形相关和包络相关两种方法，并对声源的深度和距离进行了匹配定位。首先，我们在均匀层…     

阵间模基处理被动定位技术研究

随着目标声源级不断减小、环境噪声级不断增大,常规的基于单节点的被动定位方式已经不能满足声纳探测的需求,因此提出一种新的将网络化探测系统和模基处理技术相结合的被动定位方法,可以从空间不同角度对目标进行观察并充分利用环境声场的复杂性对目标进行定位。模基处理方法主要有匹配场处理、匹配模处理等,以匹配场处理为例进行分析,将常规波束形成(Conventional Beamforming, CBF)、自适应波束形成(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)两种匹配场处理器和阵间相干、非相干信号处理方法相结合进行仿真,对单阵和多阵、MVDR和CBF、相干处理和非相干处理、宽带和窄带之间的定位性能进行了对比。仿真结果显示,基于多节点的阵间模基相干处理方式在定位性能上明显优于单节点的模基处理结果。     

基于深海会聚区声强匹配处理的声源定位方法

匹配场处理技术(Matched Field Processing MFP)近年来在声源被动定位、海洋环境声学参数反演等方面得到广泛的应用。根据深海声道中声场的会聚现象,提出了一种基于深海会聚区声强匹配处理(Matched Convergence Intensity Processing,MCIP)的深海声源定位方法。当声源和接收水听器处在会聚区深度范围内时,MCIP方法利用单个水听器即可实现声源距离和声源深度估计。对单个水听器的实测信号进行相位补偿到会聚区距离上,得到实测场声强,与拷贝场会聚区声强进行相关计算并搜索峰值来确定声源位置。数值仿真实验验证了MCIP方法,并分析了环境失配情况下MCIP的估计性能。     

Broadband matched-field inversion for shallow water environment parameters

In this paper, broadband multi-frequencies matched-field inversion method is used to determine the environmental parameters in shallow water. According to different conditions, several broadband objective functions are presented. Using ASIAEX2001 experiment data and genetic algorithms, environmental parameters are obtained, especially in sediment.     

Ultrasonic imaging using spatio-temporal matched field (STMF) processing--applications to liquid and solid waveguides

This paper is devoted to imaging defects in liquid and solid ultrasonic waveguides. A new ultrasonic imaging technique, based on the spatio-temporal Green functions computation and cross-correlation, is presented. This technique extends the concept of matched field processing (MFP) used in ocean acoustics. Results of experiments conducted in water and in a solid Duralumin bar show that a strong improvement of the spatial resolution is observed with this MFP     

基于时间反转镜的宽带匹配场处理

声场的互易性和线性波动方程的时反不变性能用时间反转来代替频域的相位共轭。因此,时间反转技术可以应用于宽带的匹配场处理中。时间反转匹配场处理时,仍然需要知道海洋环境的先验知识,例如声场的声速分布,海洋边界条件等等。文章对时间反转应用于匹配场处理进行了仿真并分析海上试验数据。仿真和试验数据分析结果表明:该套时间的反转处理方法可以实现匹配场定位,定位精度较高,而且多元阵信号处理的增益也十分明显。     

Reliability enhancement of mixed-domain seismic inversion with bounding constraints

Seismic inversion works as one of pragmatic and effective approaches to estimate the subsurface parameters. One robust Bayesian sparse inversion method incorporating the mixed-domain convolution with model bounding constraints is proposed in this study. The time-domain response and partial frequency components are utilized in mixed-domain seismic inversion to improve the resolution and stability of seismic inversion. First, the objective updated function is yielded with Bayesian inference in joint time and frequency domain. And, the sparse constraint is incorporated into the objective function to improve robustness of inversion algorithm. Conventional seismic inversion methods always don’t focus on the lower and upper bounding constraints on subsurface model parameters, due to which unrealistic predicted results may arise. To get rid of the problem, the bounding constraints on P-wave impedance elaborated by logarithmic or inverse hyperbolic tangent formulas is introduced in mixed-domain seismic inversion as it renders to reduce the unrealistic parameters and enhance the reliability of prediction effectively. In addition, the synthetic examples demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed inversion algorithm. Finally, one field case is studied carefully and the estimated parameters with bounding constraints at the borehole-side location can preserve a high degree of agreements with real logging data to verify the practicability of the bounding-constraining mixed-domain Bayesian inversion.     

A Space Mapping Methodology for Defect Characterization From Magnetic Flux Leakage Measurements

We present an inversion methodology for defect characterization using the data from magnetic flux leakage (MFL) measurements. We use a single tangential component of the leakage field as the MFL response. The inversion procedure employs the space mapping methodology. Space mapping is an efficient technique that shifts the optimization burden from a computationally expensive accurate (fine) model to a less accurate (coarse) but fast model. Here the fine model is a finite-element method (FEM) simulation, while the coarse model is based on analytical formulas. We achieve good estimation of the defect parameters using just a few FEM simulations, which leads to substantial savings in computational cost as compared to other optimization approaches. We examine the efficiency of the proposed inversion technique in estimating the shape parameters of rectangular and cylindrical defects in steel pipes. Our results show good agreement between the actual and estimated defect parameters.