浅海内波环境下声场干涉条纹的稀疏重建

针对浅海内波引起的干涉条纹“扭曲”问题,利用耦合模理论,提出了一种声场干涉条纹的稀疏重建方法.该方法主要分为两个步骤:(1)将干涉条纹近似为几组二维正弦的和,并用向量有限新息率方法重建;(2)根据耦合模理论,未耦合模对的二维频率不随内波位置变化,而耦合模对的频率随内波位置变化.因此,二维频率可以分为两部分:未耦合模对包含了波导的信息,可用于背景环境规则干涉条纹的重建和波导不变量的估计;耦合模对包含了内波的位置信息,可用于内波的追踪.仿真结果表明,本文方法在内波环境下能够提供有效的干涉条纹重建、波导不变量估计和内波的追踪.

混响背景下的信号检测

海洋混响是主动声呐检测中主要的背景干扰,它是一种有色干扰噪声,并常被看做是一个非平稳的随机过程,这使得工作在白噪声条件下的最佳匹配滤波检测器的性能在一定程度上受到限制.因此,提出一种次最佳检测器,将混响看成局部平稳,并将接收信号分成许多小块,每小块利用自回归(AR)模型对混响时间序列进行建模,然后利用估计的AR系数构造白化滤波器,对混响进行预白化处理,并将白化后的序列用于匹配滤波检测器.通过计算机仿真和实验数据分析比较未白化与经白化处理的匹配滤波性能,结果表明,次最佳检测器比未白化匹配滤波在检测性能上可提高近3dB.

不确实海洋中最小方差匹配场波束形成对环境参量失配的灵敏性分析

浅海环境背景下由于空-时采样不充分、介质的空时变化性,海洋环境参量通常是不确知的,由此驱动数值传播模型得到的拷贝声场也是不确实的,从而导致基于拷贝声场和测量声场作拷贝相关处理的最小方差匹配场波束形成性能下降.针对上述问题,利用NRL Workshop′93提供的典型浅海不确实海洋环境,以不确实情况下定位偏置、不确实时与确知时模糊度表面主瓣峰值比、主瓣背景比3个量为性能度量,量化分析了宽带最小方差匹配场波束形成的性能对水体声速、海深等8个环境参量不确实性的灵敏性.经对环境参量失配的全面量化分析,结果表明:海深、水体声速是最敏感参量,沉积层声速次之,其他参量的灵敏性最弱.

海洋声学层析研究现状与展望

海洋声层析是1979年美国科学家W.Munk等人提出的,通过测量传播时间等声传播信号有关参量反演声波所穿越的海洋特征,得到大面积海域中的海洋动力学状态及其变化的估计。声层析方法自提出以来受到各国的重视。在最初的20 a间,以全球测温计划(ATOC)为代表的一系列验证实验推动了声层析的理论研究、设备研制和应用。步入21世纪后,声层析与海洋动力学的数据同化、利用滑翔机等设备的移动声层析以及沿海声层析得到重视,并进行了相关的理论与实验研究。纳入成像旗下的声层析希尔伯特方法、有效低功耗的分布式传感网络声层析,以及被动声层析,或将成为声层析未来研究的重要方向。

嵌入环境不确实性的宽容波束形成贝叶斯方法

针对不确实海洋环境使声呐探测性能下降和宽容性差的问题,提出了环境参量和信号参量不确实性两嵌入的宽容波束形成贝叶斯方法.不确实环境参量的先验概率密度函数(probability density function,PDF)通过多项式混沌展开与传播模型相结合嵌入到接收信号的概率建模中,导出信号参量的先验PDF;接收信号参量先验PDF通过贝叶斯波束形成嵌入到处理中,转化为后验PDF.导出的后验概率最大贝叶斯波束形成具有估计器和相关器相结合的GLRT结构.仿真和实验数据分析结果表明:不确实环境参量导致接收声场发生秩扩展,由秩1扩展为秩2或秩3,贝叶斯波束形成体现了相干匹配与非相干积累的结合,实现了浅海环境中目标的正确定位,增加了宽容性.

浅海混响实验数据垂直指向性简正波建模分析

混响是限制主动声纳性能的主要因素之一。人们利用接收阵的指向性来提高信号/混响比。垂直指向性可用于抑制边界混响。本文利用浅海简正波混响模型进行建模分析,通过仿真计算,研究了海底类型、海深、声速梯度对海底混响的影响。仿真结果表明:海底类型对混响影响最为严重;利用实测的平均声速建模的Pekeris信道的预测海底混响与利用实测SSP的预测海底混响相差很小;海深越深,海底混响越小,海深对海底混响的影响介于上述两种因素之间。在仿真分析的基础上,论文主要进行了浅海混响实验数据垂直指向性的建模分析。对东中国海60元垂直阵采集的混响数据进行了波束形成,并对单个水听器和部分波束的混响曲线与浅海混响模型预测数据进行了比较。经初步分析表明,实验数据与模型吻合得较好。

时反处理抑制混响提高信混比实验室波导实验研究

1引言 时反镜及时反处理的研究已经受到了国内外众多科学研究者的密切关注.用时反镜所作的辐射信号场聚焦特性的研究[1]表明,声场是可建模预测的.声场的可预测性为匹配场处理(MFP)和时反处理(TRP)提供了基础. ……

水平阵人工时反盲解卷性能研究

1引言 在不考虑噪声和其他干扰的情况下,声信号在海洋波导中传播,接收端的信号实质上是源信号与信道格林函数的卷积.水声信号处理往往希望通过盲解卷的方法在环境不确知的条件下从接收信号中恢复出源信号.多种基于线性和非线性滤波的盲解卷算法在文[1]中做了介绍.本文是利用近年来广受关注的人工时反方法来研究盲解卷问题.在文[2]中提出了人工时反盲解卷算法,并分析了其应用于垂直阵信号盲解卷的可行性和稳定性.这里我们将人工时反方法应用于水平阵信号盲解卷,并依据一个定量因子来研究水平阵有效孔径与人工时反盲解卷性能之间的关系. ……

自适应时-频分析在水声目标分类中的应用

本文研究了基于匹配追踪算法的自适应时-频分析和基于判别追踪算法的特征提取，并构成了一个水声目标分类系统。对实际水声目标辐射噪声的分类结果表明：该系统能有效提取各类信号在时间-频率联合域的主要可鉴别性特征，具有良好的分类能力，分类正确率超过了80% 。

内波环境下的时频匹配场定位方法

为了解决由内波引起的传统匹配场的环境失配问题,本文提出了时频匹配场处理方法。在海洋波导环境中,不同号模从声源到达接收阵的时间是不同的,由内波引起的n号耦合到m号的模与原未耦合的m号模到达时间也不相同。基于此原理,时频匹配场处理将内波环境下的数据场与无内波环境下的拷贝场在时频域进行匹配,能够对内波引起的耦合模进行抑制,从而达到正确定位的目的。仿真结果表明:时频匹配场能够在内波环境下对声源进行准确定位,但主瓣强度有一定损失;在无内波环境下与传统匹配场相比,距离维旁瓣略有降低,但总体性能相近。

双扩展信道中的时?延多普勒匹配滤波

本文研究了时延和多普勒在信号和信道分析中的重要作用,论述了信号和信道的时延—多普勒性质,并进行了表征。信号的模糊度函数可用于指导发射波形设计,而广义平稳非相关散射条件下信道的散射函数则可用于指导信道估计。在此基础上,提出了发?收联合时延?多普勒匹配滤波框架,得出了发射?处理波形的互模糊度函数与信道散射函数在时延?多普勒平面内的重叠面积与系统性能成正比的结论。计算机仿真结果验证了本文方法的有效性。

水下传感器阵设计与应用

为了更好地帮助学生理解水下被动像形成的内涵与外延,研制了一套(线、面、体)适用于实验教学的水下接收阵装置,分别为线阵,圆环阵与双螺旋线阵。该套接收阵遵循信道容量定理及教学实际情况而设计,具有阵形结构简单、体积小、操作方便、演示生动等特点。该装置可较好地应用于水池中波束形成等基础实验,将来也可以拓展用于多普勒效应探究和信道均衡解码验证等拓展型实验。该阵装置有利于生动展现实验现象,从而提升实验演示效果。

非寻复域状态-空间滤波

针对实际非平稳海洋声数据存在非寻和非圆特性,在状态-空间模型下,对复信号作增广表示,建立复域状态-空间模型.从观察者的角度,推导了复高斯条件下的最佳瞬变观察者的线性表达式,即复域卡尔曼滤波器.当状态-空间模型为非线性非高斯时,最佳瞬态观察者须通过线性化或数值近似的方法近似得到.给出一种数值近似的方法——复域质点滤波,通过计算机仿真和波导实验证明了在信号非寻的情况下,复域卡尔曼滤波和复域质点滤波比常规的卡尔曼滤波和质点滤波具有更好的估计性能.

声速梯度估计的压缩传感方法

从有限的声场观测中获得大面积平均声速梯度剖面估计,是一个欠定逆问题。压缩传感方法能够组合稀疏性结构知识,获得欠定逆问题的唯一稳定解。介绍了一种基于压缩传感的声速梯度剖面估计方法,利用垂直阵接收声场数据估计浅海环境声速梯度。运用海洋声速梯度统计的先验知识,构建了对声速梯度进行稀疏表示的形状函数字典,使用l1-范数凸优化求解系数,并利用计算估计的系数与形状函数作线性叠加运算,得到声速梯度剖面估计。仿真结果表明,在声速梯度剖面扰动是稀疏的假设下,压缩传感方法能够得到与真值相一致的声速剖面估计,性能优于传统方法。

风成噪声背景下垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化规律

风成噪声是海洋中最广泛存在的环境噪声、是被动声纳处理性能的重要影响因素.它具有一个典型的物理性质是很大程度上只对应中高阶模态.阵列信噪比计入了阵列采样辐射声强、背景噪声功率和阵处理增益,是决定声纳阵列处理性能的关键物理量.本文研究了受风成噪声模态结构影响,典型夏季浅海环境中垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化关系.在简正波模深函数采样完整的假设条件下,理论证明了阵列信噪比随声源深度的变化可近似为低阶模态幅度强度(模深函数模值的平方)随深度变化的线性叠加,且模态阶数越低,贡献越大;并且,在强风成噪声背景、显著负梯度环境下该变化规律可由1阶模态幅度强度随深度的变化近似独立表征.以上结果表明,在同一声源距离条件下,声源置于水体下半部分时的阵列信噪比比置于海面附近更大,并且在位于1阶模态峰值点所在深度附近时达到最大.典型负声速梯度浅海环境中的仿真实验结果对理论分析进行了验证,并表明在一定条件下阵列信噪比随声源深度的变化与声源距离近似无关.

复域DSLA主动时反通信

通信系统建立在香农源-信道模型基础上,信道本身面临着两个必须解决的问题:信道多径传播引起的符号间干扰;噪声/干扰。因而接收端的信号是发射的信号失真和染污的复本。为此,从阵几何设计和信号处理角度两个方面考虑,采用空间宽带阵——双螺旋线阵(DSLA)发射/接收数据,并利用波传播时反不变性这一宽容的空-时结构特性作DSLA主动时反通信。同时在通信系统中调制信号、随机海洋噪声具有非寻性。因此,对信号做复增广表征,打破一般补相关为零的隐含假定,作复域DSLA主动时反通信。仿真结果验证了复域DSLA主动时反通信性能优于常规主动时反通信,尤其在小信噪比下能有效减小通信误码率,提高水声通信质量。

已知信道统计特性的时延—多普勒匹配滤波

该文研究了时延和多普勒在信号和信道分析中的重大作用,用模糊度函数表征信号的时延—多普勒特性,广义平稳非相关散射条件下用二阶统计参量—散射函数表征信道的时延和多普勒模糊特性。在此基础上,导出了时延—多普勒匹配滤波器,并得到有效的试验结果。

运动目标状态序贯贝叶斯滤波

状态-空间模型是一个通用和宽容的模型,它包含了描述系统所要求的所有相关信息。贝叶斯滤波方法是解决状态估计问题的一般框架。当有新数据可用时,序贯滤波方法可以实现估计和更新待估参量。对于运动目标状态跟踪问题,利用状态-空间模型进行建模,并采用序贯贝叶斯方法进行处理,如扩展卡尔曼滤波、unscented卡尔曼滤波和质点滤波。该文给出了这3种方法的仿真结果,从而实现目标状态跟踪。

模垂直波束传输损失分析

海底反向散射矩阵的计算需要先知道模衰减系数和模函数.从实际数据中计算各阶模的衰减系数很困难且无必要.本文讨论了从模垂直波束(MVB)分析中提取分组平均模衰减系数的方法.波束形成输出谱由两部分组成:一部分是模能量加权求和,另一部分是模干涉和.如果模干涉项可以忽略,则分组平均模衰减系数可以从两个不同距离的波束形成器输出谱中求得.数值模拟导出了减小模干涉项的有效方法,并仿真了不同条件下分组平均模衰减系数的提取.同时还利用在2001年亚洲海实验(ECS)期间,由57m长垂直线阵采集的传输实验数据进行了分组平均模衰减系数的提取,模衰减系数的量级为10-4,由此计算得到的Q值为1.4,对应于Hamilton分类的第6类海底,与实际测量的结果相符.

混响背景下宽带信号的检测

海洋混响是主动声纳检测中主要的背景干扰,它是一种有色干扰噪声,并常被看作是一个非平稳的随机过程,这使得工作在白噪声条件下的最佳匹配滤波检测器的性能在一定程度上受到限制。本文将白化的思想引入到主动声纳的信号检测中,在混响自回归(AR)模型的基础上研究混响的预白化处理,并将一种次最佳检测器应用到宽带信号的检测中,最后比较了未白化匹配滤波与白化次最佳检测器的性能,实验数据分析结果表明白化次最佳检测器可以在一定程度上提高主动声纳的检测性能。