应用矢量水听器阵反演浅海海底地声参数

0引言地声反演是获取海底声学参数的一种重要方法,地声反演方法是海洋声学研究的重要内容之一。目前,绝大部分地声反演方法都基于水听器阵列接收的声压信号来进行,而应用包含质点振速在内的声矢量场进行地声反演的方法则相对较少。矢量水听器是一种重要的新型水声传感器,能同时测量声压信号和质点振速信号,已有研究表明,在浅海声传播情况下,声压与质点垂直振速有不同的传播特[1]     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

基于参数边缘分布的遗传算法在地声参数反演中的应用

经典的遗传算法和模拟退火算法对陷入极小值的免疫能力取决于代价函数极小值的分布和迭代搜索终止准则。提出了一种基于参数边缘分布的遗传算法,它不仅仅是从代价函数的大小来决定进化的趋势,而且也利用了参数分布的信息。仿真和实验数据处理表明它在多维地声参数估计中具有更好的稳健性。     

基于光纤矢量水听器的浅海噪声矢量场特性研究

基于简正波理论分析了浅海噪声矢量场声压和质点振速的强度特性,仿真了浅海声压和质点振速的噪声强度在深度和频率上的变化特性,噪声矢量场强度特性仿真结果与实验测量结果一致。针对声场测量的有效性,给出了加速度通道自噪声谱级和灵敏度必须满足的关系式,并提出了降低自噪声对接收系统影响的两种措施。最后分析并对比了系统自噪声谱级和海洋环境噪声谱级,结果表明,声压通道的自噪声比环境噪声谱级低20 d B左右,Y通道和Z通道的自噪声比环境噪声低3.5 d B以上,X通道的自噪声谱级在200 Hz附近与环境噪声谱级最为接近,约比环境噪声低1.5 d B。     

弹性球壳声散射对矢量水听器测向影响研究

以平面波在弹性球壳上声散射理论为基础,建立了弹性球壳近场声散射对矢量水听器目标定向性能影响计算模型,分析了入射声波信号频率、入射角度以及矢量水听器安装位置对目标定向的影响。计算和理论分析结果表明．弹性球壳声散射对矢量水听器测向性能的影响与壳体散射特性和水听器安装位置密切相关,在低频和高频段测向误差相对比较小,而在中频段则测向误差比较大,可通过选择工作频段,或者采用声学处理,降低壳体声散射强度,减小对矢量水听器测向性能的影响。研究结果为矢量水听器工程应用奠定了理论基础。     

应用匹配场实现单矢量水听器的三维定位

将匹配场原理应用到单矢量水听器上实现声源的三维定位,根据声压、质点振速表达式进行推导,获得Bartlett相关表达式并进行分析和仿真。对仿真结果进行分析后指出:声压方法可以获得距离、深度估计,但无法区分角度;声压、轴向振速、法向振速组合可以区分角度并且分辨左右弦,但是同声压方法相比,距离深度分辨严重下降;而垂直振速、轴向振速、法向振速组合可以区分角度并且分辨左右弦,并且在距离、深度上比声压方法稍有提高。所以在单矢量水听器下,为了同时获得距离、深度、角度的估计,需要应用垂直振速、轴向振速、法向振速组合方法。     

单光纤矢量水听器的浅海环境噪声指向性研究

0引言海洋环境噪声的指向性不仅是海洋环境噪声的重要特性,也是影响水听器阵列增益的重要因素。20世纪60～70年代,许多实验使用大规模拖曳阵或沉底阵测量了不同海域的海洋环境噪声场的指向性和谱特性。单个光纤矢量水听器可以共点测量声场的声压和三个正交的加速度分量,可以认为是共点的标量阵列。本文通过矢量波束形成方法,对浅海环境噪声场进行了水平指向性和垂直指向性的估计,并分析了降雨对噪声场指向性的影响。     

矢量水听器阵列自适应子空间跟踪算法

矢量水听器能同时共点获得声场中声压和振速,与其他水听器相比,能获得更多的信息量,具有很好的应用前景。矢量水听器阵列的MUSIC算法能实现360°无模糊方位估计,然而对于方位时变的目标源,该算法很难完成对上述目标源方位进行实时跟踪估计。鉴于此,将MALASE算法和MUSIC算法相结合,提出了一种矢量水听器阵列的自适应子空间跟踪算法。仿真结果表明,该算法既保留了MUSIC算法的性能,又实现了对目标源进行实时跟踪估计,且方位估计误差仅为0．4°左右。     

矢量水听器在水声通信系统中的应用

将矢量水听器应用于水声通信系统,利用矢量水听器的指向性屏蔽强干扰。建立了基于矢量水听器的多载波正交频分复用(OFDM)系统模型,对各向同性噪声场中矢量水听器的增益进行了推导,为抑制相干干扰提供了新的解决方案,并进行了仿真验证。仿真研究表明,该方案能够有效地增强系统的抗各向同性干扰的能力,达到提高信噪比的目的,降低了误码率,增加了系统的稳健性。湖上试验验证了该方法的有效性,表明基于矢量水听器的水声通信系统可为实现高速水声通信提供一种有效的途径。     

MEMS矢量水听器声压通道封装技术研究

为了更全面地获取水下声场信息,微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)矢量水听器常需集成声压敏感通道来提升单个换能器性能,MEMS矢量水听器的敏感芯片采用的是MEMS工艺制备完成,其封装必须与水隔离,传统的橡胶灌封方式会破坏MEMS敏感芯片的机电性能,故MEMS敏感芯片常采...     

负跃层条件下浅海海底单参数反演技术

海底参数反演是获取海底声学特性一种经济高效的办法。近年来,课题组提出用小掠射角下海底反射损失随掠射角的变化率F_dB（dB·rad^-1）作为描述海底的单参数,建立了浅海均匀水层和负跃层水文条件下的海底单参数模型。负跃层单参数模型的建立,为海底单参数反演提供了新的设计思路。文章基于浅海负跃层海底单参数模型,设计海底单参数地声反演方法。首先对负跃层水文条件下浅海海底单参数模型进行简单的描述和介绍;然后在浅海负跃层单参数模型基础上,利用声传播损失对海底单参数进行反演;最后利用实验数据对反演方法的有效性进行了验证。     

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.     

矢量拖曳阵水听器流噪声探讨

拖曳阵声纳的左右舷模糊是实际应用中需要解决的问题。采用矢量水听器可以较好地解决此问题。采用波数．频率谱方法讨论同振柱形矢量水听器的流噪声。根据圆柱套管外壁湍流边界层的特点和同振柱形矢量水听器的工作原理,导出矢量水听器的声压通道和振速通道的噪声功率谱。通过数值积分法估计了流噪声功率谱与护套尺寸、水听器尺寸和拖曳速度等参数的关系。针对同振柱形矢量水听器的特点,所得结果有实际参考价值。     

矢量拖曳式线列阵声呐流噪声影响初探

研究矢量拖曳式线列阵声呐护套管内的流噪声场。根据湍流边界层脉动压力谱的Corcos模型,采用频率-波数域上的二维谱方法,分析了流噪声对矢量拖曳式线列阵声呐的影响。给出了护套管内流噪声场声压和质点声振速的一般表达式,并由波数积分法得到护套管内点接收器、有限几何尺寸水听器和水听器阵列输出的流噪声各分量的功率谱。数值结果表明,矢量拖曳式线列阵声呐对流噪声的轴向分量十分敏感,在流噪声控制背景下,矢量阵的工作性能将退化为常规阵。     

基于矢量阵测量的局部近场全息技术研究

统计最优近场声全息技术是通过全息面上测量声压的线性叠加来反演重建面上的声学量,可以从理论上克服基于傅氏变换的近场声全息技术的局限性。针对水中圆柱体的噪声源识别问题,采用声压和质点振速测量来进行声全息计算,推导了基于振速测量的统计最优柱面近场声全息技术的重建公式。利用所编制的程序进行了仿真验证,最后设计矢量水听器进行水中全息实验,验证了该方法的可行性和准确性,实验结果表明,该技术在水中柱形声源辐射声场的噪声源识别和定位中有着明显的优势。     

基于遗传算法的矢量水听器阵相位误差校正

研究了矢量水听器阵各通道存在相位误差时,用MUSIC算法对信号到达方向进行估计的问题,并在利用遗传算法估计相位误差来对阵列流型进行修正时引入自适应概念,得出更加准确的信号到达方向值。采用与适应度函数值相对应的交叉概率与变异概率,逐步搜索,首先计算适应度值,采用轮盘赌法进行选择操作,并保存个体的适应度值,按照适应度分配交叉概率和变异概率,进行交叉变异操作,取得误差的最优解,通过仿真,可以看出引入自适应概念后的遗传算法具有较为精确的估计阵列相位误差的功能。与传统遗传算法相比,此方法能很好地得到全局最优解,并且成熟收敛,计算机仿真结果验证了本方法的有效性和可行性。     

采用矢量阵测量的水中宽带近场声全息技术研究

基于声强测量的宽带声全息技术(BAH IM)是由近场声全息(NAH)领域脱颖而出的一项技术,它由全息面上互相垂直的两个切向声强分量计算出全息面上的复声压相位,得到全息面上复声压,再进行NAH处理。针对水中圆柱体的噪声源识别问题,给出了该方法在柱体中运用的基本原理,利用所编制的程序进行了仿真验证,最后,采用矢量阵进行了水中近场声全息测量实验,验证了该方法的可行性和准确性,实验结果表明柱面内BAH IM技术在水中柱形声源内辐射声场的重建噪声源识别和定位中有着明显的优势。     

单矢量水听器二维DOA估计算法

为了减小传统声压阵的布阵规模,提高传统声压阵的测量精度,利用矢量水听器的阵列流形特性,使用阵列信号处理的原理进行二维DOA估计。将单个矢量水听器理解成一个声压水听器和三个振速水听器组成的阵列,在无需知道信号先验知识的条件下,分别采用MUSIC算法和ESPRIT算法对多个不相关的单频窄带信号的二维DOA进行了估计。仿真结果表明:在高信噪比情况下,两种算法的精度都很高,优于5阵元的声压平行线阵。利用单矢量水听器能够对信号的二维到达角进行有效估计,远小于传统声压阵的布阵规模。