事业导师,人生楷模——贺杨士莪院士九十华诞

2020年8月9日是我国水声领域著名专家杨士莪院士九十华诞,也是他从军从教、献身国防的第七十年。杨院士是我国工程学科奠基人之一、水声领域开拓者和学术带头人之一,倡导水声物理、水声换能与水声设备的结合,创建了中国首个理工结合、配套完整的水声工程专业,不仅开创了国内多个水声研究方向,还长期承担了水声行业发展规划的主持制定及组织实施,推进了多项水声领域重大基础研究,为我国水声事业发展做出了卓越贡献。

深海不完整声道下反转点会聚区研究

近期南海远程声传播实验数据的处理分析表明在深海不完整声道中声道轴以下存在一种会聚区,该会聚区相比于海面附近的上反转点会聚区在远距离处具有更高的会聚增益.本文利用射线简正波理论确定了水中反转型焦散线和海面反射型焦散线位置,对比发现实验中观测到的深海大深度会聚区位置与水中反转型焦散线位置一致,证明该会聚区是由大量简正波同相叠加形成的下反转点会聚区,其在深海声道轴以下的一定深度范围内都具有会聚效应,研究了该会聚区的形成条件以及声源深度变化对会聚区焦散结构的影响,对比了远距离处上下反转点会聚区的传播损失以及会聚区宽度,分析表明第七个下反转点会聚区的会聚增益仍不小于10 dB,研究了声速垂直结构变化对下反转点会聚区的影响,理论分析结果与实验数据吻合较好.

楔形海域声矢量场分析

海洋环境中的声传播是水声学研究领域的一个经典问题.在传统的研究中,关心的主要是声压场.随着矢量水听器的出现,不仅是声压场,介质质点振速场也受到极大关注.应用虚源法分析了ASA基准楔形模型中谐和点源的三维质点振速场.基于Deane和Buckingham给出的声场声压表达式,文中推导了三维质点振速的积分公式,并应用数值积分的方法计算了声场声压与质点振速,分析了它们的传播损失和相位差以及不同方向声强的衰减过程.结果表明,即使在远距离上,声压与质点振速的相位差并不为零.

一种新型低频声矢量场采集系统的设计与实现

针对低频声矢量场测量技术,设计和实现了一种声矢量场探测系统。其特点是将矢量水听器、信号采集设备、罗经与电源集成一体,传感器输出的模拟信号直接在其内部进行模数转换,避免了模拟信号由于长距离传输所造成的衰减和干扰,且易于布放回收。该系统可同步测量声场空间的声压和质点振速3个正交分量的数据,所得到的数据即可以采用自容式存储在系统内部TF卡中,亦可通过经优化设计的带宽3 MB/s的高速RS485总线实时传输。回收内部数据时可通过Mass storage协议利用预留USB接口来实现读取数据,无需开启罐体。该系统进行了实验室验证实验,并以潜标的形式进行了海上试验,对爆炸声信号进行了测量并对获得数据进行处理。结果表明,该系统工作可靠稳定,系统平均功率为350 mW,准确地获取了声矢量信号数据,可广泛应用于低频声矢量场探测领域。

矢量最优化稳健波束形成性能分析

针对标准的Capon波束形成在阵列导向矢量存在误差时出现严重性能退化,本文从权矢量模约束和不确定集两个角度出发,提出矢量最优化稳健波束形成方法,并通过二阶锥规划进行有效求解.文中还进一步给出自适应权矢量的近似解析表达式,揭示了影响最优权矢量的各主要因素.通过理论分析和计算机仿真研究,详细讨论了约束参数、信噪比、快拍数以及方位估计偏差对输出信干噪比及空间谱估计的影响.外场实验数据处理结果表明,将本文方法应用于实际工程进行空间谱估计,能够得到准确而稳健的高分辨方位估计结果.

Pi-Sigma神经网络在实时底质分类中的应用

本文基于Pi-Sigma神经网络,设计了一种针对水声回波信号的实时底质分类器,它具有运算快速、正确率高的特点,在海试中实现了实时底质分类,取得良好的分类结果。

基于数字水听器的分布式水下声场测量系统

设计了一种自容式数字水听器分布式水声测量系统。海洋声学测量系统由多个数字水听器连接构成,各个数字水听器通过电缆逐个相连,可以调整阵元的间隔和阵元个数。数字水听器可对采集获得的数据进行自容式存储或实时上传,优化设计了可高速串行数据传输的RS-485总线,采用8B/10B链路编码,利用串行信号的上升/下降的时钟边沿作为高速时钟采样的起始标志,实现了数据帧的提取,可实现串行编码数据沿双绞线以15MB/s远距离传输,并在总线上参考IEEE1588授时协议给出了一种基元同步方案,同步最大误差为0.5μs。最终通过海上试验证明:采集效果良好,系统工作可靠、整体功耗低,各个阵元同步准确,可以广泛应用于水下阵元测量领域。

基于矢量最优化的稳健波束形成方法

当阵列导向矢量存在误差或接收信号采样样本数较少时,标准Capon波束形成(SCB)的性能会严重退化。现有的提高稳健性的算法大都是针对导向矢量误差而提出的,很少考虑有限采样效应条件下的稳健性问题。针对以上原因,从导向矢量误差和有限采样效应两个角度出发,引入矢量最优化概念,提出了基于矢量最优化的稳健波束形成(VORB)方法,进而提高SCB算法的稳健性,并通过二阶锥(SOC)规划理论对其进行求解。文中还进一步推导了自适应权矢量的近似解析表达式,揭示了影响最优权矢量的各主要因素之间的关系,同时证明了该算法广义上属于对角加载类方法。通过理论分析和计算机仿真研究,表明了VORB方法对自适应波束形成算法的稳健性有明显的改善:在不同快拍数、信噪比(SNR)和导向矢量不确定度条件下,VORB方法的输出信干噪比(SINR)均较其他算法提高约5 dB;在典型工况条件下,VORB具有更尖锐的谱峰,更低的旁瓣级(低至-15 dB以下)。外场试验数据处理结果表明,将VORB应用于实际工程进行空间谱估计,能够得到准确而稳健的高分辨方位估计结果。

单矢量水听器频域极化加权MUSIC算法

针对经典多重信号分类(MUSIC)算法估计性能受限于空间随机分布噪声的问题,提出了一种基于频域极化加权的单矢量水听器MUSIC算法。该方法提取接收信号频域极化参数,根据目标信号与噪声在极化特性上的区别,对接收信号频谱自适应地加权。将加权后的频谱信号代替原接收信号,构造极化协方差矩阵,再利用经典MUSIC算法估计目标方位。仿真研究表明,在信噪比为-15 dB且无先验知识情况下,该方法的目标方位估计误差小于5°。海试数据处理结果验证了该方法的有效性。

一种基于时间反转镜和Wigner-Hough变换的线性调频信号检测方法

在分析时间反转自适应聚焦原理的基础上,提出一种基于时间反转镜(Timereversalmirror,TRM)和Wigner-Hough变换(WHT)的线性调频信号检测方法。在实验水槽内进行时频分析的仿真研究,将TRM被动接收的信号进行时间反转再发射到同一媒质中,在信号源处将接收到的信号进行WHT时频分析,同时比较WVD时频分布和WHT变换的LFM信号检测性能。研究结果表明,对于多分量LFM信号,WVD在每个散射信号的低频和高频段产生交叉干扰项,对LFM信号的检测产生影响;利用TRM可以对非平稳信号进行WHT时频分析,同时采用TRM和WHT进行分析能够抑制多途效应,减少交叉项,提高双分量LFM信号的检测性能。

水面目标信号预测与识别方法

针对水声信道随机、时变、空变的特性,在强干扰背景下难以提取目标信号的问题,建立了基于改进Volterra滤波器的水面信号预测模型。应用Volterra级数滤波器,建立了目标信号的非线性动力学模型,通过对目标信号的短期预测,实现了对背景干扰的抑制;结合Kalman滤波器的实时递推性质和二阶Volterra级数滤波器的非线性拟合特性,对常规Volterra模型进行了改进;对预测时间序列提取了非线性特征量最大Lyapunov指数和关联维数,验证了两类水面目标信号具有混沌特性。结果表明,Kalman滤波器估计Volterra核的自适应预测方法预报误差较常规方法有显著降低,收敛性提高,鲁棒性增强。

单矢量水听器被动测距方法研究

提出一种利用单矢量水听器接收信号的相位信息实现目标被动测距的方法。该方法借鉴匹配场被动定位的思想,首先根据简正波声场模型建立匹配模板,然后引入图像处理中的相位相关算法,将目标的相位信息与模板进行匹配,从而得到目标的距离。对该方法的有效性与稳健性进行了详细地研究与分析。仿真结果表明,该方法可以有效地实现目标的被动测距,且具有稳健性强、计算速度快、不需要考虑阵型姿态失配等优点,是声呐信号处理的新途径,为实际的工程应用奠定了理论基础。

实验数据的多途提取研究

讨论了多途时延估计方法—WRELAX应用于提取爆炸声信号的多途结构.理论上此方法是有效的,但由于发射信号的畸变使得时延估计变得困难,与此同时信道多途的复杂化也将降低其性能.本文首先对该方法进行计算机仿真并对2002年南中国海域实验数据进行多途结构分析,结果表明,当对爆炸声信号波形进行适当选取后,此方法是有效的并能得到一定精度的时延估计.

单矢量水听器对海面目标高分辨定位方法研究

建立单矢量水听器简正波接收模型,引入高分辨算法构造代价函数对目标的距离和角度进行匹配搜索,实现对浅海中水面目标的定位。仿真结果表明:当接收信噪比不低于15 d B时,该方法依靠单矢量水听器就可以对水面目标进行定位。通过海试数据处理结果分析,在3 km范围内,在较高信噪比时,定位误差小于5%。实验数据验证了算法的有效性。

水下弹性粒子悬浮层的声学特性

声波照射到悬浮层上,除界面处产生反射和透射外,在层中传播还会产生衰减。对弹性粒子悬浮层的声学特性进行理论计算与仿真,给出弹性粒子悬浮层对声波的衰减系数、反射系数、透射系数等声学特性,随频率、悬浮层及其弹性粒子特征参数的变化规律。研究表明,低频情况下悬浮层声学特性随特征参数变化不明显,随着频率的升高,其声学特性对特征参数变得更加敏感。

利用水下散射场测量橡胶弹性模量的方法研究

橡胶是减振降噪的主要材料之一,对其材料性能的掌握是进行结构设计的前提,针对中高频率下橡胶材料弹性模量测量标准的空白,提出一种新的测量方法。在自由场条件下,通过测量橡胶球的散射声场,计算散射场的勒让德展开系数,建立反演模型,求解橡胶球的声学参数,再根据材料参数之间的转换关系来获得弹性模量。实验结果表明,所测橡胶球的动态弹性模量在中高频上的变化规律与已知的结论一致,目标的反演散射声场与测量的散射声场符合较好。

浅海远程目标稳健方位估计方法研究

本文针对浅海远程目标方位估计问题,提出了一种新的基于简正波理论的浅海稳健方位估计方法。该方法在充分考虑浅海多途效应对方位估计影响的基础之上,结合简正波理论,建立了符合浅海声传播特点的基阵信号模型,并应用矢量最优化方法对阵列源矢量施加约束条件,以提高高分辨方位估计方法在模型失配下的稳健性。通过正则化方法,本文进一步将该稳健方位估计问题转化为二阶锥规划问题,并通过Sedumi进行求解。通过仿真研究,对该算法的空间谱结构、谱峰最大旁瓣比、-3dB波束宽度等性能进行了详细分析,结果表明,该算法在海水深度及声速梯度等不确定条件下,均具有更为尖锐的谱峰及更低的旁瓣水平,具有稳健的方位估计性能。

舰船辐射噪声听觉节奏的时变响度特征提取

为了得到水下目标的有效稳定的识别特征,本文模拟声呐员听音判型过程,分析了功率谱、Zwicker和Fastl时变响度和Glasberg和Moore时变响度提取信号结果。在此分析结果的基础上,提出了节拍响度变化量特征提取方法。仿真研究表明:该方法可以用来作为识别目标的有效特征,当2种舰船辐射噪声的载频相似而调制方式不同时,该方法的识别率可达到90%以上。实际数据处理结果验证了该方法的有效性。

基于超指向性多极子矢量阵的水下低频声源方位估计方法研究

针对水下低频声源的方位估计问题,基于基元紧密排列的二维矢量阵,建立了一种超指向性波束形成方法.根据矢量基元差分运算构建各阶多极子模型,获得了几乎与频率无关的模态函数,并经加权计算可在低频条件下实现超指向性波束,以解决阵列孔径对波束性能的限制.同时,结合输出信噪比最大准则所得波束,分析了超指向性波束形成算法的稳定性与波导的影响程度,探索模态阶数与阵列参数的选取原则.通过阵列性能的仿真计算与实际阵列的测量数据表明,该算法可在小尺寸阵列孔径下获得良好的阵列波束,兼具了水下线型超指向性阵和环形超指向性阵的优点,可有效实现水下低频声源的水平方位估计;且波束性能可通过调节模态阶数与基元间距以达到最佳,并受水下声波导多途与频散效应影响有限.

矢量传感器阵列高分辨率方位估计技术研究

矢量传感器能同时共点拾取声场中的声压和三路相互正交的振速信息,获得额外的信息量,它的出现引起了国内外的关注.为了改善波束域高分辨率方法的性能,获得矢量传感器阵列对多目标的足够精度的分辨能力,在研究矢量传感器阵列目标估计基础上,首次在矢量传感器阵列处理领域将矢量阵波束形成与波束域目标估计算法结合起来,实现了高精度目标方位估计,与常规阵元域和波束域方法相比,提高了多目标估计性能,降低了输入信噪比门限,增大了阵列输出增益,减小了计算量.仿真验证了该算法的优越性.