利用井孔首波求取V_S和Q_P值的广义线性反演方法的应用研究

针对声全波幅度信息的利用还非常有限的实际情况，本文以更加接近实际的柱状声源在各向同性准弹性介质包围的轴对称井孔中激发的波场理论为基础，建立了利用首波幅度来求取地展横波速度ＶＳ和介质纵波品质因素ＱＰ的广义线性反演模型．首先，通过数值计算考察得到该方法在长源距声全波测井的测量频率范围内．对地层介质泊松比σ约小于０．３６的情况下适用．其次，在方法可行性研究基础上，对大庆油田几口井的现场长源距声全波资料进行了处理．结果表明，在深层井段较硬地层情况下，反演求得的横波时差与相似法信号提取的横波时差基本一致．反演求得的地层破裂压力梯度值与现场测试结果基本一致，误差在１０％以内．初步分析了ＱＰ值的合理性．最后，将反演实测资料所得到的结果运用到地震ＡＶＯ技术处理中，与实测地震ＣＤＰ道集进行比较，得到满意的结果，间接地验证了反演方法求取的地层横波速度（泊松比）的可靠性．该方法为求取较软地层的横波速度提供了一条新的途径，也为地震横波处理和介质衰减值的定量描述和定性解释提供了新的手段．

WKBZ简正波方法在深海匹配场定位中的应用

利用快速而准确计算海洋声场的广义相积分(WKBZ)简正波方法,研究在深海声道中进行匹配场定位的可能性。使用窄带脉冲声信号和宽带爆炸声以及27.5m和32.5m长的垂直短阵在深海声道中进行了实验,实验结果的处理和分析表明,对几百赫兹的声信号用垂直短阵来实现匹配场定位是可能的。

深海声场的垂直相干特性

从实验上研究了深海环境中声场的垂直相干特性与海洋环境、频率、声源距离和深度,以及接收器深度和阵元间距等因素之间的关系,并通过数值模拟,分析了带限信号的垂直相干特性随声源深度和距离的变化,其结果可用于声目标定位。

一种维纳加权频域自适应时延估计算法

提出了一种基于频域自适应滤波的维纳加权时延估计算法。该算法首先实现了对输入信号的维纳自适应滤波预处理,然后在频域实现了自适应时延估计。该算法在将相位数据拟合时,做了一次加权处理,有效地改善了时延估计的精度和自适应收敛速度。最后用实测的直升机噪声数据进行了仿真,验证了新算法的有效性。

声强谱频移补偿的波导不变量和距离估计方法

基于声强的距离一频率干涉结构,利用对水平阵不同阵元信号的声强谱进行频移补偿的方法估计波导不变量和距离。在波导不变量和距离其中一项已知的情况下,可以通过该方法估计另外一项。利用2011年12月北黄海水声实验中拖曳声源发射和海底水平阵接收的线性调频信号,通过上述方法估计了不同距离处的波导不变量。结果显示波导不变量的估计值在0.8到1.2之间变化,其均值与利用实测海洋环境计算的理论值符合良好。同时,利用相同的信号和波导不变量的理论计算值,通过上述方法在不同时刻进行距离估计,结果与GPS测量距离基本一致。

在线增强型复值混合信号盲分离算法研究

基于二阶统计量,对在线分离复值混合信号法进行了研究.假设源信号是独立的且非常态,信号的伪协方差矩阵能增加约束条件,从而可证明二阶统计量能够完全分离复值混合信号,而且对信号是否平稳不作要求.结合非常态信号的独立性,构造出代价函数,利用梯度下降法推导出在线盲分离算法.通过盲分离算法的仿真试验,发现所提出的盲分离算法能充分利用复值非常态信号的二阶统计量,算法具有鲁棒性好、运算速度快和可在线实现等优点.

基于矢量水听器的深海直达波区域声传播特性及其应用

对于深海近水面声源产生的声场,处于较大深度处的接收器在一定水平距离范围内能接收到直达波.2014年在某深海海域进行的水声考察实验中,应用深度为140 m的拖曳声源发射实验信号,布放在水下3146 m深处的矢量水听器成功地接收到了直达波信号.本文应用射线理论,分析了深海直达波区域声场的传播特性,得出了水平振速与垂直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角以及收发水平距离之间的关系.在以上分析的基础上,提出了一种利用水平振速与垂直振速的能量差估计声源距离的方法,并结合2014年实验数据对实验中两条航线上8 km范围内的目标声源进行了测距,测距结果与目标的GPS数据符合得较好.

黄海中部内波特征及其引起的声起伏

用1996年中美联合黄海实验所取得的水文资料，对内波特征进行了分析，结果表明：（1）内波引起的质点垂直位移峰-峰值可达8m；（2）内波主要由第一阶模态控制；（3）内波谱能量密度随频率近似以－3／2次方律减小．根据实验得出的内波谱，给出了海水声速分布的数学模型，在此基础上，用PE方法对由内波引起的不同频率声信号强度起伏进行了数值模拟，并与实验测量结果进行了比较。

平面海底界面上球体目标的声散射建模研究

根据目标声散射的T矩阵方法、将界面附近点源激发的声场利用复像方法展开、并考虑到界面对散射声场的影响,建立了平面海底界面上方目标的声散射模型.与已有模型相比,该模型能够计算更一般情况点源激发的三维声散射场.通过计算考察基于复像方法的有关系数证明了该模型的准确性,并给出了不同入射方向的界面上刚性球体和弹性球壳的散射声场算例,对目标散射幅度的分布以及随角度的变化规律做了分析.最后,设计实验对该模型做了验证.

粒子滤波和独立分量分析的含噪信号盲分离算法研究

研究了两阶段含噪独立分量分析算法来解决含噪信号盲分离问题。第一阶段,通过粒子滤波实现对不含噪混合信号的估计,将含噪独立分量分析转化为不含噪的独立分量分析;第二阶段用现有的FastICA算法从估计的不含嗓混合信号中提取出源信号。不含噪混合信号的时变自回归模型和含噪与不含噪混合信号之间的关系构造了动态的状态-空间方程。该方程的特点是多变量、过程和观测噪声不限于高斯分布,粒子滤波是解决该问题的有效方法。提出了解决含噪独立分量分析的PF+FastICA算法,仿真试验表明所提出的算法性能优于相关文献的结果。

大深度接收时深海直达波区的复声强及声线到达角估计

基于射线模型给出了质点水平振速、垂直振速及复声强的表达式.结合深海直达波区的声线到达结构,分析了大深度接收时深海直达波区复声强的特点,理论分析与仿真结果表明,利用声场中不同组声线的复声强可以估计声线到达接收点的掠射角.根据在2014年进行的一次深海实验中布放在3146 m深处的矢量水听器获取的实验信号,利用直达波和海面反射波的复声强估计了直达声线与海面反射声线到达接收矢量水听器处的掠射角,结果表明,估计的声线到达角与理论计算结果基本一致.

非正则复向量的扩展MVDR算法研究

研究了非正则复向量的特性对MVDR算法的影响。将阵元接收数据经过FFT运算后,在任一频率下的列向量都是非正则复向量。根据非正则复向量伪自相关阵的特性,提出了扩展自相关矩阵和扩展驾驶向量,推导出了扩展MVDR(ExMVDR)算法。仿真试验表明ExMVDR算法比MVDR能够更好的压制旁瓣,主瓣的信噪比能够提高2dB左右。

在线复值独立分量分析算法

基于复向量不相关特性和复值非线性函数,提出一种在线复值独立分量分析算法.结合非正则复向量的协方差矩阵和伪协方差矩阵构造出了新的代价函数,进而提出新算法,通过复非线性不相关,从混合信号中提取出复值独立分量.由于充分利用了非正则复向量不相关的特性,获得了更多有用的信息量,因此算法的收敛速度更快、提取效果更好,并且在线方式下算法更加稳定.仿真试验表明,所提出的在线复值独立分量分析算法更具有实际应用前景.

三维渗流水电模拟测试技术的研究

本文介绍河海大学渗流实验室利用本校的现有条件,实现大型三向坐标仪测试自动化.技术处于国内领先地位.文中还介绍了在渗流模拟测试技术上取得的一些研究成果.例如;用悬浮式测针代替原用的硬接触针,用 SM 制模新材料代替了原具有致癌物质的模料;解决了封闭式模型的测试及修刮问题等,使渗流模型测试技术前进了一步.

浅海中利用单水听器的声源被动测距

针对浅海声波导中远距离脉冲声源被动测距问题,提出了一种利用单水听器接收信号自相关函数进行warping变换的声源被动测距方法。理想水下声波导中,接收信号warping变换输出的傅里叶变换频谱中具有不变性频率特征,即与声源距离无关的各简正波截止频率;信号自相关函数中不同简正波相干成分也存在不变性频率特征;推导了未知声源距离时特征频率提取值与不变性频率特征之间的近似关系式。这些规律可推广到实际浅海声波导,并用于声源被动测距。利用声场计算模型来提供具有不变性频率特征的频谱,对2011年12月北黄海海域水声实验中单水听器接收的脉冲声数据进行了处理,验证了方法的有效性,测距结果和实际距离符合良好,平均测距误差在10%以内。

水平阵信号压缩感知用于简正波分离

针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20~200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97~1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82~0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。

浅海宽带简正模相干/非相干能量比值特征匹配的源深估计

无源声源深度估计一直是水声领域的一个难题。针对浅海波导中低频宽带脉冲声源深度估计问题,提出了利用单水听器接收信号中多阶简正模相干项能量与非相干项能量比值的特征匹配处理方法,不仅消除了声源未知激发谱的影响,而且由于在预先估计声源距离基础上实现对声源深度的独立估计,运算量小。同时,由于利用了实测数据与拷贝声场中具有相同简正模贡献的相干能量特征进行匹配,参数估计具有较高的稳健性。首先通过向量线性相关数学理论,在理想波导条件下讨论了简正模数目与源深估计单值性的关系,证明了仅利用两阶简正模时源深估计具有多值性,而声场含有三阶以上简正模时源深估计存在唯一解。进一步的仿真分析表明,当信噪比高于0 dB时源深估计结果的平均误差整体上在5 m之内。分析了水文参数、沉积层声学参数及声源距离失配时方法的鲁棒性。最后,利用浅海垂直阵采集的低频宽带脉冲实验数据对方法进行验证,声源深度估计结果绝对误差小于5 m的概率在79.1%以上。方法可推广应用于浅海水平或垂直基阵对低频宽带声源的深度估计。

非水平海底情况下海底地震波时域有限差分数值模拟

研究复杂海洋环境中海底地震波激发及其传播特性,对海底物理力学特性研究、资源勘探等具有重要的意义.目前针对时域海底地震波的研究大都局限于水平分层的情况,而实际的海底地质条件比较复杂,基于理想环境假设得出的数值解与实际差别较大.本文在考虑倾斜、隆起等非水平海底模型的情形下,采用时间2阶精度、空间10阶精度的交错网格有限差分方法,同时结合多轴完全匹配层边界条件,对复杂海洋环境下的海底地震波进行时域数值模拟与分析.利用计算得到的声场时域波形,分析了复杂海洋环境下海底地震波的传播特性.结果表明,采用空间高阶精度的交错网格有限差分方法,可改善数值计算中的频散问题;同时采用多轴完全匹配层替代传统的完全匹配层,解决了液-固介质中远距离声场数值模拟不稳定的问题.在含倾斜与隆起构造的复杂海底模型中,海底基岩隆起改变了Scholte波的传播方向,更有利于在较浅深度处接收到Scholte波.

浅海波导中折射类简正波的warping变换

Warping变换可以实现单水听器浅海低频声波导的简正波分离.本文讨论了海水声速随深度线性减小浅海波导中折射类简正波的warping变换.理论推导了海水折射类简正波水平波数、频域相位及瞬时相位的表达式,由此提出了相应的时域和频域warping变换算子,并由仿真数据进行了验证.本文的理论推导过程同样适用于海水声速线性增大或海水折射系数的平方随深度线性变化的浅海波导.

浅海非均匀水平阵宽带声场信号无源孔径扩展

大孔径水平阵对于浅海低频水声物理实验研究和应用至关重要,然而受实际情况制约,通常使用的水平基阵孔径十分有限,通过孔径扩展处理来扩展基阵孔径是一条重要途径.传统的无源孔径扩展方法是建立在均匀线阵、匀速相对运动和相干窄带连续信号的基础上的,难以适用于非均匀阵以及非连续宽带声源的情况.针对这些问题,提出了非均匀阵宽带声场信号的无源孔径扩展方法.使用静止布设在海底的非均匀水平短阵接收运动声源重复发射的宽带声信号,先开展均匀空间插值,然后在阵元域和波束域进行宽带扩展孔径处理。仿真和实验结果表明,在水深约70 m的浅海波导环境中,纵向间隔27.5 m的2个阵元接收20〜200 Hz宽带声场,其空间插值结果与真值的相关系数大于0.99,说明宽带声场插值方法的合理性。在水平非均匀、纵向孔径250 m的短阵接收声场无法分析简正波频散特征的情况下,仿真和实验数据经过宽带无源孔径扩展处理得到孔径大于1 km的均匀线阵的声场,能高分辨区分各阶简正波,证明所提方法是有效的.