体积噪声矢量场空间相关特性研究的一种方法

确定噪声场的相干结构对分析矢量水听器阵信噪比增益非常重要.建立了一个三维的噪声源在球面上均匀分布的各向同性噪声模型,研究了噪声场中声压与质点振速3个正交分量的自相关和互相关特性,推导得到了窄带噪声场空间相关系数的解析表达式以及单矢量水听器接收噪声的协方差矩阵.基于三维噪声场的空间相关函数,讨论了矢量水听器线阵的某些应用及其输出信噪比增益.数值算例表明,该三维噪声场空间相关特性模型可方便地应用于任意形状的基阵在任意姿态下的信噪比输出的获取.     

水平分层介质表面噪声矢量场空间相关特性

基阵之所以提高了输出信号的信噪比,其本质在于信号的空间相关半径大于噪声的空间相关半径.为了研究噪声场的空间相干结构,假设噪声源均匀分布在海面下方一定深度的无限大平面上,根据简正波理论首先建立水平分层介质表面噪声模型.在此基础上,根据欧拉公式便可以写出复合式矢量水听器接收噪声的互谱密度函数表达式.对互谱密度函数进行积分运算,得到了均匀半均匀无限空间和硬底均匀浅海(具有压力释放海面和刚性海底)表面噪声矢量场空间相关函数的解析式.对比分析可知,对于均匀半无限空间情况,与文献中的结果是一致的;而对于硬底均匀浅海,计算机仿真表明该噪声场的空间相干结构与绝对深度及介质的吸收衰减无关,但互谱密度函数却相反.     

单矢量时反自适应多通道误差反馈DFE均衡技术

复杂的海洋环境噪声和水声信道多途效应导致误差反馈DFE均衡器在水声通信中的均衡性能受到严重的限制。针对此问题,本文利用信号矢量场和噪声矢量场的相干性差异和矢量水听器振速通道具有偶极子指向性的物理特性,建立单矢量自适应多通道误差反馈DFE均衡器进行抗噪声;利用时间反转镜的空—时聚焦特性进行抑制信道多途干扰。仿真实验和外场实验结果表明,所提算法不仅保留了误差反馈DFE均衡器的优点,且其抗噪声干扰与信道多途干扰的能力更强,在水声通信中稳定性更好、均衡后误码率更低。     

单矢量时反自适应多通道误差反馈的判决反馈均衡技术

针对复杂的海洋环境噪声和水声信道多途效应导致误差反馈DFE均衡器在水声通信中的均衡性能受到严重的限制问题,本文利用信号矢量场和噪声矢量场的相干性差异和矢量水听器振速通道具有偶极子指向性的物理特性,建立单矢量自适应多通道误差反馈DFE均衡器进行抗噪声;利用时间反转镜的空-时聚焦特性进行抑制信道多途干扰。实验结果表明:所提算法不仅保留了误差反馈DFE均衡器的优点,且其抗噪声干扰与信道多途干扰的能力更强,在水声通信中稳定性更好、均衡后误码率更低。     

船舶辐射噪声远场空间指向性

为了获得浅海波导条件下船舶辐射噪声的远场空间指向性,提出了一种由水听器获得的船舶辐射噪声近场声压数据,推算其远场辐射声压的方法,即由近场声压数据,反演出船舶辐射噪声源模型中的多极子强度和位置,然后利用简正波理论,计算该反演参数所对应的远场指向性.仿真计算过程中,将该方法获得的远场指向性与原假设声源直接计算的远场指向性进行对比.结果表明,该方法能有效的计算出船舶辐射噪声的远场空间指向性.     

弹性矩形空气腔障板水下声散射近场矢量特性

为了实现矢量水听器在水面或水下载体上的工程应用,研究了弹性矩形空气腔障板声散射近场矢量特性.利用薄板的低频近似理论导出了弹性矩形空气腔障板水下声散射的声压和质点振速表达式,给出相应的声强表达式,验证了公式的有效性.在此基础上数值计算了弹性矩形空气腔障板声散射的近场特性,重点关注其近场矢量特性.理论分析和数值计算结果表明,由于弹性矩形空气腔障板的声散射作用,声压场和质点振速场表现为复杂的干涉结构,质点振速方向和声源方位不一致,声压和质点振速不再同相,声强方向也不再反映声源方位.本文结果为矢量水听器在弹性矩形空气腔障板条件下的工程应用提供了理论依据.     

舰船辐射噪声指向性统计模型及分析方法

为了研究舰船目标辐射噪声空间特性,以单一部位垂向剖面的噪声指向性为例,建立了基于稳健回归理论和实测数据的舰船目标辐射噪声指向性的统计模型,给出了相应的统计分析方法,并开展了海上实测数据分析研究,验证了该模型及分析方法的正确性和可行性。同时,研究结果也表明:该统计模型及方法具有简单灵活、实用和可靠等优点,适用范围广,可为深入分析不同航行工况及测试环境条件下各类舰船目标的噪声空间特性及其统计规律创造条件。     

水下声源辐射声功率测量实验研究

针对水下声源辐射声功率测定问题,提出了一种混响水池测量方法.通过在混响水池内测量声源的空间平均声压功率谱,并对混响水池的声场进行校准,可以得到声源在自由场条件下的辐射声功率.研究了声源位置、声源与水听器的不同距离等对空间平均声压功率谱测量结果的影响,分析了在混响水池中测量声源辐射声功率的下限频率与水池尺度的关系.对空间平均功率谱进行了测量不确定度分析,其A类不确定度不大于1 dB.通过混响时间计算的混响场条件下的声源辐射声功率至自由场的修正量与实测修正量之间的差别不超过1 dB.该方法同时适用于水下复杂声源或具有一定空间分布声源的辐射声功率的测量.     

混响和水下目标回波的相位耦合性

双相干谱分析是一种随机信号的现代分析方法,它保留了信号的相位信息且能有效地抑制高斯噪声,描述信号的非线性相位耦合.该文利用双相干谱对水下目标回波进行相位耦合性分析,提取纯混响和目标回波的双相干谱的最大值,将最大值及其对应的频率分布作为特征向量,在三维空间对纯混响和2类沉底目标回波进行了分类、实验数据证明了利用双相干谱特征可以有效地区分混响和目标回波,提高水下目标识别率.     

可刚性固定的同振圆柱型矢量水听器的设计

针对同振型矢量水听器使用弹簧悬挂不便的问题,提出一种采用圆环型橡胶弹簧作为悬置元件的新型可刚性固定式同振圆柱型矢量水听器的设计方案。该水听器可直接固定在水下平台用于测量水下声波质点加速度信号。推导了内置加速度计的该型水听器的声压灵敏度表达式。通过理论计算出橡胶弹簧的剪切刚度,并应用有限元软件ANSYS对剪切刚度进行了仿真分析并制作了水听器样机。在0.5~2.5 k Hz的频率范围内,对矢量水听器的声压灵敏度和指向性进行了测量。1 k Hz时,声压灵敏度为-188 d B。测量频带内,指向性凹点深度均大于20 d B。实验结果表明,此种结构的矢量水听器可以实现刚性固定的目的。     

单矢量传感器倍频窄波束技术研究

在小尺寸声呐平台中单个矢量传感器较水听器阵有优越性,但其自然指向性波束较宽,-3dB波束全宽度约为90°,通常不能分辨多目标.本文分析了瞬时声强流(声压和振速的乘积)中所含基带频率的倍频成分,提出的倍频窄波束技术在不降低抗各向同性干扰能力前提下利用单矢量传感器形成尖锐指向性.仿真计算表明新方法形成的-3dB波束全宽度约为26°.这使得单矢量传感器有初步的双目标分辨能力.     

内燃机噪声源识别的小波相关系数方法研究

为了分析内燃机(ICE)噪声信号的时频特性和识别主要噪声源,研究了小波变换中尺度与频率之间的关系,重新定义了连续小波变换,并基于不同小波对同一信号分解时小波系数之间存在极大相关性,提出用规范化相关系数时频图分析噪声信号和识别内燃机噪声源的新方法.新方法能够准确地对信号进行时间和频率定位,且频域结果与信号功率谱相当吻合.对发动机声学信号进行了时频分析,同传统连续小波变换相比较,该方法能够更好地反映信号能量的时频域分布状况.结合声强结果,声学信号时频图能够直接地显示不同噪声源的时频特征.     

基于EEMD和ICA方法的驾驶室内噪声源时频分析

为有效控制工程机械驾驶室内噪声,利用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)后的本征模函数作为稳定独立成分分析(independent component analysis, ICA)算法中的多个虚拟通道,提出了基于EEMD和ICA相结合的驾驶室内噪声盲源分离方法。通过分析仿真信号验证了EEMD-ICA方法研究复杂非平稳信号可行。结合相干分析、时频分析方法研究推土机驾驶室内噪声特性。结果表明,柴油机的1／2阶、1阶转动频率是驾驶室内相关零部件的振动辐射噪声的主要激励来源,柴油机的燃烧噪声也是室内噪声的来源。通过相干分析与时频分析相结合的技术可较准确实现噪声源定位,结合测试对象的相关常识可实现对噪声类型判别、噪声传入途径等复杂的问题进行研究,为进一步实现驾驶室内噪声治理、故障诊断,提供经济实用的分析手段。     

矢量传感器阵列的空间谱估计及定向性能分析

推导了基于水声矢量传感器阵的Bartlett和Capon空间谱的解析表达式，并与标量传感器阵的空间谱相比较，分析了基于矢量传感器阵的两种DOA估计方法对阵列定向性能的改善，并给出了数字算例。     

基于矢量传感器的高速水声通信技术研究

矢量传感器较传统声压水听器有诸多优势，但将其应用于水声通信领域在国内外却未见有公开的文献报道、由此研究了声压和振速的联合处理获得指向性增益的方法，理论上证明在均匀加权的情况下，指向性增益为4.8dB、研究了最优权的选取方法，在最优权条件下，指向性增益为6dB、将该处理方法应用于相位调制的高速水声通信中，并结合自适应均衡算法进行相干解调和解码．建立了一套以矢量传感器为接收器的相位调制通信系统，在松花湖进行了试验研究，试验结果表明，该方法可有效地降低通信误码率，提高通信系统的作用距离．     

基于电磁矢量传感器阵列的空间谱估计

提出了基于电磁矢量传感器阵对非相关信源的Capon和Music空间谱的解析表达式.对比基于电磁标量传感器的空间谱,分析了基于矢量传感器阵的DOA(D irection ofArrival)估计方法的改善.根据阵列信号处理原理,对单个电磁矢量传感器分析,并进行DOA估计.通过计算机仿真表明矢量传感器阵对DOA估计比标量传感器阵有更高的分辨能力.     

水中柱面宽带近场声全息技术的实现

基于声强测量的宽带声全息技术(BAHIM)是由近场声全息(NAH)领域脱颖而出的一项新技术,它由全息面上互相垂直的2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,推导了全息重构公式在有限空间范围上的离散算法,对算法实现和滤波等关键技术进行了研究,并利用所编制的程序进行了仿真验证.该文的研究为BAHIM技术应用于在水中柱体辐射声场的重建噪声源识别和定位提供了方便.     

一种新的声矢量阵远程ESPRIT方位估计算法

为解决水下目标远程高分辨定向问题,文章提出了一种新的声矢量阵ESPRIT方位估计算法.与现有的将声矢量传感器(AVS)的振速信息作为独立阵元来处理的声矢量阵方位估计算法不同,新算法完全基于声压与振速联合信息处理,充分利用了声矢量阵(AVSA)中声压与振速的相干性原理,能更好地将ESPRIT算法的高分辨能力与AVSA的抗噪能力有机地结合起来,实现远程、高分辨方位估计.理论分析和基于湖试背景噪声的仿真实验证明了新算法的有效性.     

基于电磁超声的铝板缺陷识别方法

针对铝板中典型缺陷类型,提出基于电磁超声的铝板缺陷识别方法.通过平底孔和圆底孔人工缺陷模拟实际缺陷,使用电磁超声体波获得多组缺陷回波信号样本,采用小波邻域自适应阈值消噪方法,提升信号信噪比.从时域、频域和时频域提出多种信号特征方法,提取45种信号特征.以基于类内类间距离的类别可分性判据为评价指标,通过序列浮动前向选择算法(SFFS)搜索得到最优特征向量用于缺陷识别.采用k-折交叉确认方法确定支持向量机分类器的最优参数.试验结果表明,设计的分类器能够有效地识别文中铝板内的平底孔和圆底孔缺陷,识别正确率达到了96.7%.