基于创新科研引领的水声工程学科教学模式改革研究

分析了目前水声工程学科教学中存在的问题和挑战,提出了基于创新科研引领的教学模式改革方案。该方案主张将科研成果和实践案例融入教学内容之中,以激发学生的学习兴趣和创新思维。引入项目式教学和跨学科合作,促进学生综合能力和团队协作能力的提升。通过案例分析和实验研究,验证了基于创新科研引领的教学模式改革的有效性。研究结果表明,该模式能够有效提高学生的学习积极性和创新能力,为水声工程学科的人才培养和发展提供有益的借鉴和参考。

多波束测深声呐自主数据质量监测及门限控制

为满足水面无人艇等海洋无人平台的需求,确保多波束测深声呐系统在无人监控和参数调节下具备可靠自主工作能力,本文提出一种数据质量在线监测及门限参数控制方法。通过建立基于质量和异常因子的监测模型,结合粒子滤波技术,提高海底地形跟踪门限控制抗差性。仿真和湖上试验显示该方法能判定数据有效性、适应地形变化,并提供合理深度门限,适用于多波束测深声呐系统的在线数据质量监测和无人自主控制。

基于量子行为粒子群算法的舱室噪声监测点优化布置

针对舱室噪声在线监测及声场预报问题,本文提出了一种基于量子行为粒子群算法的舱室内部声监测点优化布置方法。根据研究频段范围确定所需声腔模态阶数,计算全部备选监测点位置处各阶声腔模态的声场分布,采用模态置信矩阵作为目标函数,基于量子行为粒子群算法对监测点位置进行优化,获得优化布置方案。从声腔模态采样的正交性及内外声场响应的角度与其他测点布置方案进行了性能比较。研究表明:本文方法优化得到的测点布置方案采集声腔模态信息更全面,可有效提升舱室内声场的重建精度和基于舱室内声场监测的水下辐射噪声预报精度。

浅海质点振速场强度的深度分布特性

质点振速场强度的深度分布特性对水声探测与估计具有重要影响.基于简正波非相干模态和变换到角度积分的近似条件,推导出质点振速的非相干简正波的角度积分形式,避免了本征值和本征函数的复杂计算,并揭示了质点振速强度在声源深度及对称深度具有显著变化特性的物理机理.数值结果表明:非相干质点振速的角度积分解析式可实现快速计算,并可较好地表征出质点振速强度的深度分布特性;同时,由于简正波模态幅度函数的叠加效应,垂直质点振速与水平质点振速的深度分布存在显著差异性;随后,以质点振速强度差为研究对象,分析了水平距离、声源频率、声速剖面及海水深度等参数对质点振速场强度的深度分布特性的影响.相关结论可为基于矢量场的被动目标深度估计提供理论依据.

多目标击水声信号特征关联方法

目标入水产生的击水声信号形式复杂,在海洋尖刺干扰的影响下易造成漏报和虚警,当多目标不等间隔陆续入水,不同观测节点间同一目标的击水声信号难以正确关联。针对上述问题,提出一种多目标击水声信号关联方法。通过经验模态分解将检测到的瞬态信号分解为固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF),并提取各阶IMF的频谱等特征,利用灰色关联分析,模糊C均值聚类两种算法实现多击水声信号的关联,为后续的分布式定位提供必要条件。仿真结果表明:当特征参数个数为6时,两种方法的目标关联正确率分别可达98%和87%;当测量节点个数为7时,两种方法的目标关联正确率分别可达95%和87%。仿真结果证明了本文方法的可行性和有效性。

矢量声呐技术理论基础及应用发展趋势

相较于传统声呐,矢量声呐可获得更为丰富的声场信息,因此该技术得到了广泛应用。文章从物理、数学、信号处理、信息量、低频探测性能以及目标定位方面给出了矢量声呐技术优势的理论基础,回顾了矢量声呐在自由场条件下的成功推广应用情况,重点介绍了作者团队在舰载矢量声呐应用中所取得的突破性进展,理论上解决了典型声障板条件下矢量声呐的应用基础问题,技术上突破了矢量声呐的适装性问题,同时展望了矢量声呐未来的发展趋势。

基于单元辐射叠加法的结构声源声场重建方法

为了提高分布式结构声源的声场重建精度,本文提出了基于单元辐射叠加法的结构声源声场重建方法.该方法首先利用声场叠加原理和结构振声传递特性,建立了结构声源表面振动与辐射声场之间的振声传递关系解析表达式,得到便于快速计算的振声传递矩阵,能够解决连续分布、相干结构噪声源的声传播模型精细化表征问题.然后利用振声传递矩阵作为传递算子进行声场重建,并与迭代加权算法相结合.通过将基于单元辐射叠加法的声场预报结果与解析法预报结果进行比较,验证了单元辐射叠加法具有较高的准确性.并将基于单元辐射叠加法的声场重建方法与传统等效源法近场声全息和迭代加权等效源法相比较,通过仿真分析与矩形板声场重建实验证明了基于单元辐射叠加法的声场重建方法能够改善结构声源的声场重建精度并增大近场声全息的有效测试距离范围.

水面运动目标跟踪监控系统的设计与实现

本文围绕海上无人值守平台周界安防技术需求,以800m范围内的快艇、渔船、客轮和商船为航行目标构建运动目标跟踪监控系统,并集成开发了基于水下被动声学检测和水上云台控制的光学视频系统为一体的声光一体化监控系统,设计了一套基于深度学习的目标检测算法,实现了对水面航行目标的跟踪检测与分类识别。本文在目前基于单一方法进行水面目标跟踪的基础上进行了突破,系统综合了水听器远距离目标监控跟踪和近距离的水面视频监控目标识别,当两者同时确认目标,由声警器发出警报驱离可疑目标,系统将水下声学监控和水面视频监控有效结合,极大地降低了平台的误报概率,同时实验测试结果表明该系统可有效实现对4类水面航行目标的跟踪检测和特征提取,且改进后的算法可有效提升目标检测效果与识别精度,具有较好的鲁棒性和有效性。

变声速弹性沉积层下压缩波与剪切波的耦合影响

针对压缩波声速n^2线性分布、剪切波声速平方线性分布的变参数弹性海底沉积层中声场建模问题,建立了关于压缩波与剪切波本征函数的偏微分耦合方程组,基于微扰法,通过逐次微分给出了本征函数的近似解析解.理论分析表明,只有剪切波声速平方的梯度不为零的情况下,沉积层中的压缩波才会与剪切波产生耦合.压缩波与剪切波耦合的影响会带来本征值的变化,其对近场声传播的影响较小,但远距离声传播损失的预报在考虑耦合后与实测数据符合得更好.此外,耦合还会导致沉积层中本征函数及其导数的变化,使得耦合与非耦合情况下沉积层中质点位移场不同.通过与商用声场软件COMSOL计算结果的对比分析检验了本文方法的正确性,且本文方法计算时间远小于COMSOL软件运行时间.

载波频率不一致且频谱严重交叠干扰下的盲自适应多用户检测试验研究

运动水声多用户通信时,干扰用户的载波频率很可能和期望用户的载波频率不再一致。针对运动水声多用户通信载波频率不一致时的多址干扰(MAI)问题,提出了适用于载波频率不一致下的盲自适应多用户检测(BAMUD)算法。利用虚拟用户技术,将期望用户的多途干扰(码间干扰)虚拟成MAI,即将水声多用户通信系统中的信道均衡环节和MAI抑制环节整合成一个环节,简化通信系统结构;利用卡尔曼滤波(KF) BAMUD(KF-BAMUD)算法的MAI抑制特性,即利用了KF在最小均方误差准则下的最优估计特性,抑制载波频率不一致下的虚拟MAI,有效估计出期望用户的传输数据,实现多用户通信。在渤海和渤海结冰期进行了载波频率不一致下的多用户通信试验,良好试验效果验证了所提算法的有效性。

基于三阶累积量的水声信号时延估计研究

针对海洋探测接收信号信噪比低导致水声信号时延估计困难的问题,提出了将三阶累积量的一维切片作为高阶统计量进行时延估计的新方法。该方法通过希尔伯特变换,对相关峰进行锐化处理,提高了时延估计精度。与直接相关法相比,此方法不仅可以在较低信噪比下获得良好的时延估计效果,而且可以抑制相关背景噪声和非高斯噪声干扰的影响,计算机仿真和水池实验验证了此方法在较低信噪比和背景噪声为相关噪声及非高斯色噪声情况下的有效性。此方法为海洋探测中微弱回波信号的时延估计提供了一种新的技术途径。

非均匀波导中的最大声能流透射及鲁棒性分析

以变截面含可穿透散射体波导为模型,理论研究声波在非均匀波导中的最大透射问题.通过耦合简正波理论构建模态域内透射矩阵和水平波数矩阵,推导透射波能流的具体表达式,分析任意入射波的能流透射率随频率的变化,进而讨论任意给定频率下能够产生最大能流透射率的最佳入射波,并给出数组全透射声场算例.最佳入射波仅由可传播模态决定,与衰逝模态无关.利用衰逝模态不携带能流的特性,讨论衰逝模态对产生能流最大透射声场的影响,并分析最大能流透射的鲁棒性.在频率满足一定条件时,全透射声场可能表现出完美鲁棒性.文中所述方法可延伸至多种非均匀波导以分析其中的能流最大透射问题.

基于最优阶数的UUV航迹跟踪灰色动态滤波方法

针对水下无人平台(UUV)的航迹受平台噪声和外界干扰影响大、导航数据可能存在野值等问题,提出了一种基于最优阶数的灰色自适应动态滤波方法。该方法无需UUV系统的先验知识和噪声统计特性,而是根据导航数据建立起基于分数阶算子的灰色模型,计算灰色预测值与下一拍导航样本值的偏差,根据偏差进行自适应数据融合,以实现实时动态滤波。最后,通过仿真验证了该方法的有效性和可行性。

声衍射相移对深海会聚区焦散结构的影响

本文从射线-简正波理论出发,推导了计及衍射相移时声线跨距、传播时延与群速度的表达式,在此基础上给出了一种包含衍射相移影响的深海会聚区焦散结构计算模型.对典型深海声道中第一个上会聚区的仿真研究表明:高频条件下纯折射(refracted-refracted,RR)型会聚区有3条焦散线,海面反射(refracted surfacereflected,RSR)型会聚区有4条焦散线.通过与高频结果对比,低频条件下计及衍射相移后发现,界面反射相移引起的水平位移使RR型焦散线向靠近声源的方向水平偏移,使RSR型声线额外多产生数条焦散线,而声波以非均匀波形式传播时产生的位移使RR型焦散线向远离声源的方向水平偏移.频率升高后,声衍射效应减小,焦散结构趋于经典射线理论的计算结果.本文给出的模型物理意义清晰,计算简便准确,弥补了经典射线理论在低频条件下适用性不强的缺陷.

非合作目标后验概率分布定位技术研究

在水下多个非合作目标声学定位问题中,当目标声学特征未知或多个目标声学特征相似,则会存在观测数据与目标关联的困难,使得数据关联算法复杂度高、关联正确率低。针对这一问题,本文提出基于目标后验概率空间分布的水下多非合作目标定位算法。该算法首先结合定位系统确定观测区域,并将整个区域离散化,然后计算所有离散位置的目标后验概率,最后依据目标后验概率空间分布对位置离散点做筛选,对满足条件的点聚类分析,得出多目标定位结果。仿真和试验验证结果表明,该算法无需进行复杂的观测数据与目标的关联,可有效提高传统分布式定位系统对多个非合作目标的定位能力。

基于KF和虚拟技术的最优盲水声信道均衡算法

为了准确估计水声信道的多途数和多途时延,将虚拟技术和卡尔曼滤波(KF)盲自适应算法相结合,提出基于虚拟技术和KF的盲自适应水声信道均衡算法.采用虚拟技术将多途干扰和系统电噪声虚拟成环境噪声,基于最小均方误差(MMSE)准则下KF的最优估计特性,实现水声数据传输在信道环节的最优盲估计.短途水声通信试验(收发节点水平距离14 m,载波频率10 kHz,采样频率100 kHz,码元速率64.5 bit/s)和长途水声通信试验(收发节点水平距离5 km,载波频率6 kHz,采样频率48 kHz,码元速率11.8 bit/s)结果验证了所提算法的有效性.