基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强

双曲调频信号是主动声呐中常用的多普勒不敏感信号。在实际使用中,由于信道变化和混响影响,目标回波较弱。针对水下航行器主动声呐探测性能下降问题,本文提出基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强方法。该方法对目标回波和干扰信号的基矩阵分别定义,将发射信号的时频图作为目标回波的频率信息矩阵,对目标回波的时间信息矩阵做出约束,迭代处理完成目标回波的增强,获得较高增益的匹配回波检测结果。数值仿真和海上试验结果表明:本文方法与传统匹配滤波方法相比,其峰均比值提高了2 dB以上,提高了回波检测结果。

基于声散射统计特性的压缩感知水下目标定位与观测矩阵性能

近年来,压缩感知理论在水下目标定位领域得到了广泛的应用,压缩感知定位算法将水下目标定位问题转化为稀疏模型重构问题,具有较高的定位准确性,但定位结果受散射环境影响。该文开展水下目标定位的水池试验,对水听器阵列接收的试验数据进行处理,通过定位误差、可定位声源数量和定位信噪比分析定位结果,研究压缩感知定位算法的宽带性能、散射环境对定位结果的影响,并使用Spark系数和声散射统计特性近似分析了观测矩阵性能。水池试验结果表明,压缩感知定位算法在较宽的频率范围内有较好的适用性;随着环境散射增强,水声定位观测矩阵的列相干性减小,稀疏重构性能提升,使得定位结果更加准确;在近似分析水声定位观测矩阵性能时,声散射统计特性与Spark系数的变化趋势相似,并具有直观且计算简单的优点。

深海海底山引起的混响杂波联合预报方法

针对深海复杂海域的主动探测混响杂波干扰的联合工程预报问题,本文基于三维射线-简正波理论建立了深海海底山引起的混响杂波联合预报方法,将海底山当作一类具有强散射特征的体积散射源,提出了对海底山的体积散射函数在水平和垂直维度上进行网格划分的数值积分方法。研究了不同水平方位,不同地形条件下的海底混响和海底山杂波强度特征。实现了小起伏水平海底和海底山地形的深海海底混响和海底山杂波的统一预报。研究结果表明:海底山的体积散射源经过水平和垂直维度的划分后,可以和水平海底的小尺度散射过程形成有效耦合,而海底山杂波的时间尺度和包络强度分别受海底山的水平宽度和垂直高度影响。通过海上实验数据比对,验证了本文所提预报方法的准确性。

声栅结构信号增强性能及其影响因素研究

对于安装在水下航行器声信号接收段的水听器阵列,在其声障板上覆盖高声阻抗材料(称为信号调节板)是一种能有效提高表面声阻抗并减少信号衰减的措施。相比传统的完全覆盖方式,声栅结构(即周期性地敷设调节板阵列)可以极大地提高接收信号增益,减小接收段的质量。为了深入理解声栅结构信号增强机理,优化声栅结构设计,研究了调节板宽度、调节板厚度、入射角以及结构宽度比等因素对声栅结构信号增强性能的影响。仿真结果表明:斜入射会改变信号比(SR)的对称分布,但不会大幅改变结构的声学性能;调节板越宽、越厚,引起的非镜面散射会更强,声栅结构的信号增强性能就越好。在实际应用中,应合理设计声栅结构几何参数以满足现实环境的多重约束以达到总体性能最优,此外适中的宽度比能获得良好的总体声学性能。

基于有限数据的水下球类目标多基地低频散射声场预报方法

针对水下球类目标多基地声散射声场预报,提出了一种基于有限散射声压信息数据的预报方法.该方法将散射声场表示为声散射传递函数与声源密度函数的乘积形式,通过数值积分以模型表面网格信息作为输入得到声散射传递函数,以已知的少量散射声压数据作为输入,综合运用声学互易性、最小二乘法和矩阵变换得到声源密度函数.针对双层球壳以及带铺板球壳,分别利用Rayleigh简正级数解和有限元计算方法对该预报方法进行了验证.对带铺板球壳进行了目标强度试验,对比了测试结果和有限元计算结果,分别以几个测试数据和有限元数据作为输入预报了带铺板球壳多基地散射声场并与有限元结果对比.仿真和试验结果均吻合较好,验证了该预报方法的可行性.

有限元/边界元耦合方法在海洋生物目标强度特性研究的应用

目标强度特性是海洋生物声学识别与资源量评估的重要依据,其中,基于近似几何体和声阻抗特性的理论模型法是研究海洋生物目标强度的重要手段。由于对几何形态近似处理以及数值求解方法的限制,传统理论模型对声波频率、入射方位以及目标声阻抗、形态尺寸等均有各自不同的适用范围,单一模型难以满足不同种类或同一种类但不同尺寸海洋生物的目标强度求解。该文尝试将逐渐见诸应用的有限元/边界元耦合方法用于海洋生物目标强度特性研究,分别以球形生物、纺锤形鱼类尾明角灯鱼(Ceratoscopelus warmingii)和细长形浮游动物南极大磷虾(Euphausia superba)为例进行仿真计算,并与相适应的经典理论模型进行对比分析。结果表明,对于球形生物,有限元/边界元耦合方法与解析模型的目标强度频响曲线完全吻合;对于纺锤形鱼类,有限元/边界元耦合方法可有效弥补基于模态级数解的形变圆柱体模型在中低频和两端入射时的准确性问题;对于细长形浮游动物,有限元/边界元耦合方法与畸变波玻恩近似模型高度吻合。综上,有限元/边界元耦合方法对多种海洋生物目标强度求解均具有较好的适用性,未来有待进一步结合实验测定进行验证。

水下振荡涡流场声散射与调制特性

本文针对水下振荡涡流场的声散射与调制问题建立了理论模型。采用间断伽辽金数值方法模拟了水下振荡涡流场对声波的散射与调制作用,研究了不同马赫数、不同涡流场尺度与声波波长的尺度波长比和不同涡流场振荡频率与声波频率的频率比条件下水下振荡涡流场对声场散射与调制特性。研究结果表明:声波经过振荡涡流场会产生散射和调制现象;振荡涡流场对声场的散射和调制作用均随着尺度波长比、马赫数增大而增强;散射和调制作用随着频率比降低而增强,随着频率比的降低,散射和调制作用增强速度变小,直至频率比的改变对声场的散射和调制作用几乎没有影响。水下振荡涡流场的声散射与调制能够使散射声场含有涡流特征信息,对水下目标探测与识别具有重要意义。

宽吻海豚声散射特性研究

基于COMSOL多物理场仿真平台构建宽吻海豚3D模型,利用有限元数值方法计算在频率为1~5 kHz的调频信号照射条件下,海豚收发合置散射指向特性。结果表明:(1)由海豚模型0°~360°全向目标强度概率分布可知,其目标强度主要分布在-36.4~-11.2 dB;(2)肺部模型和海豚模型的频率响应特性具有较高的相似性,肺部是海豚总体声散射的主要贡献;(3)海豚频率响应在1.2、1.9、2.9、3.7 kHz附近,在4.3 kHz和4.8 kHz频率处出现较窄的共振模态谷值,验证生物组织介质中存在Whispering-Gallery波;(4)当频率为5 kHz时,海豚(肌体+肺部)的目标强度指向分布呈现“蝶形”,正横方向目标强度为-22.3 dB,头部方向目标强度为-34.2 dB,尾部目标强度为-34.3 dB。通过缩比海豚模型的水池回声测试实验,验证了数值计算的正确性。

三维空时多波束方法在抗混响中的应用

根据混响散射元空间分布的特点,分析了方位角给定后混响谱展宽程度随距离的变化规律,指出在近距离处混响谱展宽严重。针对混响信号的空时特性,对空时多波束(STMB)处理方法进行了改造和扩展,提出了三维STMB方法,用来进行运动声呐混响的抑制。采用仿真混响数据对提出的算法进行了检验,结果表明,在数倍于海深的检测距离内,三维STMB方法能够取得比STMB和常规方法更好的检测效果。

渔业声学数据后处理中积分阈的选择与优化Ⅰ:目标离散分布状态下积分阈的确定

积分阈是渔业声学数据后处理中对回声信号进行积分的临界值,是参与积分的最弱回声信号的体积反向散射强度。通过合理设置积分阈,能在保留目标信号的同时有效地消除噪音和非目标回声信号,从而提高渔业资源声学评估的准确性。为研究目标离散分布状态下选择和优化积分阈的方法,推导了单体目标体积反向散射强度与目标强度之间的函数关系,提出了利用鱼类目标强度-体长经验公式和目标强度现场数据确定积分阈的两种方法,并以黄海鳀的调查为例,对上述两种积分阈确定方法进行了应用探讨,为渔业资源声学评估数据处理中目标离散分布状态下积分阈的选择与优化提供了有效参考。

一种改进的板块元目标回声计算方法

板块元法是一种水下目标回声特性的近似计算方法,提高其积分计算的稳定性和快速性是应用中常遇到的问题。将Gordon积分算法引入到板块元方法中,并结合面元声散射特点,对其加以简化。仿真结果表明,所提方法在计算目标回声中不仅有效克服了常规算法中的不稳定问题,也使计算速度得以提高。

频散、声场干涉结构、波导不变量与消频散变换

浅海低频声场具有稳定的干涉结构,在距离-频率平面干涉结构可以由波导不变量概念统一刻画.回顾了频散、干涉结构和波导不变量概念的关系.综述、解释了作者等人新近引入的消频散变换,一种类似Fourier变换的双参数酉变换,变换可以同时消除多模频散.变换的惟一先验输入参数是β-不变量.给出了初步实验数据处理结果.首次将消频散变换引入处理耦合简正波和混响问题,解释并证明了消频散变换在这些问题中的有效性.

前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强方法研究

结合时反算子分解和时反混响置零方法,提出了一种前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强新方法。利用目标回波出现时刻及其出现前后时刻的回波信号,通过时反算子分解获得目标距离对应的一个二维信号子空间和目标前后距离附近的海底聚焦权向量,根据该信号子空间和海底聚焦权向量,以目标前后距离附近的海底声场置零、目标处最大为约束条件,导出了时反阵的一个约束最优激励权向量。该方法解决了现有直接时反处理、混响置零方法以及时反选择性聚焦方法存在的局限性,可以在没有探测声源、没有目标和海底散射强度谁大谁小的先验知识的条件下,实现声场在目标处聚焦,同时在目标距离附近海底处设置混响凹槽,进一步增强回波信混比。针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真验证了所提方法的有效性及其改进的信混比增强能力。

有吸收流体介质中典型弹性壳体的共振散射

研究了环境流体有吸收时弹性球壳和圆柱壳的共振散射特性。利用严格弹性理论和分离变量法导出的经典简正级数解仍然成立。但是,散射形态函数要根据介质吸收而进行修正,否则将得到不合理的结果。重新定义了有吸收介质中的反向散射形态函数,计算了各种吸收条件下中空和有固体填充物的弹性球壳和圆柱壳的形态函数。结果表明,环境流体的吸收导致中频段的吻合共振显著减弱,但对壳内填充物的低频共振影响较小。

充水圆柱壳声散射的环绕波分析

研究了内部充水圆柱壳散射声场的构成。采用弹性薄壳理论和Sommerfeld-Watson变换(SWT)方法导出散射声场的解析解。数值搜索环绕波的复波数极点,比较圆柱壳体内部真空和内部充水两种情况下表面环绕波的相速度、衰减等性质。用镜反射波和环绕波的叠加合成反向散射形态函数,与简正级数解符合良好。计算流体附加环绕波的回波时序并与实验数据对照。结果表明,流体附加环绕波的再辐射是内部充水圆柱壳的形态函数出现更加丰富的共振峰和回波结构形成的重要原因。

敷设吸声材料复杂目标的目标强度计算

研究敷设吸声材料复杂目标的目标强度的计算方法.利用ANSYS建立水下复杂目标的数值模型,利用传递函数得到模型敷设吸声材料前后的反射系数,根据非刚性表面目标特性计算的板块元方法计算复杂目标敷设吸声材料前后的目标强度.结果表明：在1~30 kHz低频时,水下复杂目标敷设吸声材料对于降低目标强度的效果不明显;而随着频率的增大,敷设吸声材料后的目标强度降低值越大,吸声材料的作用也越明显.

近水面双圆柱壳耦合声散射研究

文章针对小水线面双体船水下片体结构的声辐射特征,建立了近水面双柱壳的耦合声散射模型,通过对双片体结构与水面间耦合散射声场的数值计算,分析了双片体结构参数和水面镜面效应对散射声场的影响规律,提出了相应的噪声控制建议。

水声信号时频分析方法比较及应用研究

浅海中的宽带水声信号传播呈现出频散的特点,通过高分辨率的时频分析方法可以刻画频散曲线。通过数值仿真和实验数据处理,对比分析几类常用的时频分析方法在提取宽带声信号频散曲线方面的性能。结果表明:STFT时频局部化精度不够高;在较强频散的情况下,DSTFT时频分辨率较高。WVD时频聚集性最好,但是有严重的交叉项干扰;固定核函数的CWD较好地抑制交叉项,时频分辨率虽优于STFT,但弱化了时频聚集性;AOK时频分布采用自适应高斯核函数,在抑制交叉项的同时,时频聚集性较好,有望较好地用于提取信号频散曲线。

基于地声模型的浅海混响地声反演研究

利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数.混响形成过程中声波多次与海底发生相互作用,因此海底参数之间以及它们与海底散射常数之间的耦合非常严重,未知参数之间的耦合使得常规地声反演方法很难获得海底参数.文中首先利用相对混响强度消除了混响数据中的海底散射常数项,然后利用Hamilton地声模型,分别将海底声速、密度和衰减系数表示成孔隙率的函数,采用自适应下山模拟退火混合反演算法,对单个未知数(孔隙率)进行反演,最后再分别获得海底参数和海底反向散射常数.理论分析和数值模拟表明,该方法可以快速准确获得海底参数,同时具有很好的抗噪声干扰能力.

Helmholtz表面积分方程中奇异性解决方法研究

针对Helmholtz表面积分方程中存在的奇异性问题,理论推导了水中目标在平面波入射时散射声场的积分解,给出了采用边界元方法数值计算该积分解的公式,提出用等价面元近似方法来解决其一阶和二阶奇异性问题。对刚性球的散射回声计算结果表明,该方法在研究水下目标散射特性中,可以在较宽的频率范围内,有效地解决奇异性问题,且具有很高的计算精度。