浅海大孔径水平阵列差频匹配场定位研究

随着阵列孔径的增大,常规匹配场在获得更高增益的同时也面临着对失配更加敏感的风险。文章通过对接收信号和拷贝声压同时进行差频自积处理,运用差频匹配场降低了匹配场对失配的敏感度,从而提高定位的稳健性。从简正波理论出发对比了差频匹配场和常规匹配场对阵形失配、环境失配的敏感性,分析差频匹配场应用于浅海大孔径水平阵列定位的优势。仿真和实验结果表明,差频匹配场方法有更好的定位稳健性。

基于轨迹泊松多伯努利混合滤波器的浅海匹配场连续跟踪方法

匹配场跟踪方法依据模糊度函数时间序列中声源位置移动的连续性和伪峰位置的无序性,可实现水下声源轨迹跟踪.然而,受到浅海空时起伏波导环境和声源复杂运动场景的双重影响,已有匹配场跟踪方法易出现轨迹中断、交叉混叠和虚假轨迹等现象,导致不连续的轨迹跟踪结果.针对这一问题,本文基于轨迹泊松多伯努利混合滤波器,利用模糊度函数中峰值位置距离似然和峰值幅度似然的一致性,提出一种匹配场连续跟踪方法.该方法应用于SWellEx-96实验数据并由线性规划准则度量跟踪性能,结果表明:相比已有匹配场跟踪和基于随机有限集的多目标跟踪方法,所提方法实现了两个水下运动声源轨迹连续跟踪,其中,轨迹状态随机有限集的建模方式以及在轨迹空间内执行预测和更新步骤,可以防止在未持续发声且数量未知的声源跟踪过程中出现轨迹中断和混叠现象;结合模糊度函数峰值位置和幅度信息执行数据关联步骤,可抑制虚假轨迹.

基于差频匹配场的深海声源定位方法

匹配场处理是水下目标定位的重要方法,其利用声场的空间结构匹配来反演声源位置,但传统匹配场处理(CMFP)对环境参数的失配非常敏感,容易产生误差。频率差匹配场处理(FDMFP)相比于CMFP具有更高的稳健性,但不适用于深海环境;仅相位匹配自积处理(POMAP)在FDMFP基础上改进后适用于深海环境,但POMAP的抗噪性较低。因此,本文在仅相位匹配自积处理(POMAP)方法的基础上,将带宽平均处理移动到匹配处理后的位置,提出了改进的仅相位匹配自积处理(IPOMAP)方法,以及将CMFP、POMAP、IPOMAP组合处理的方法(CPIP),该方法既有较好的抗噪性,又能在深海环境下保持差频匹配场处理方法的高稳健性。数值仿真和实验数据分析结果表明,CPIP在CMFP、POMAP、IPOMAP、CPIP中具有最优的定位性能,在40 km范围内具有最小的声源定位误差。这为失配环境和低信噪比时的深海声源定位方法的研究提供一种可行的思路。

离网格压缩匹配场处理

水声被动目标定位在海洋资源勘探、水下探测、海上安全监测等任务中有着重要应用,是水声领域最重要的课题之一。已有的经典方法如匹配场处理和压缩匹配场处理等,能够在预先划分好的距离-深度网格点上进行源定位,但是实际情况中的目标源会偏离网格点,导致此类方法的性能下降;且在压缩匹配场处理中,离网格源可能导致多个稀疏解对应单个源,呈现出多峰值模糊问题。针对该问题,考虑到由于水下相邻位置处的信道冲激响应极为相似,本文基于任意离网格位置的信道冲激响应可被周围网格点处的拷贝场向量近似拟合这一特性,建立了一种面向水下目标定位的群稀疏信号模型,并提出了相应的离网格压缩匹配场处理方法,通过恢复的稀疏信号计算出网格点处的插值系数对离网格源进行高精度定位。实验表明,在双源定位任务中,离网格压缩匹配场处理的定位性能优于传统的匹配场处理和压缩匹配场处理方法。当网格的距离间隔为0.05 km、深度间隔为10 m时,在信噪比大于−5 dB的条件下,离网格压缩匹配场处理的双源平均测距误差与压缩匹配场处理相比降低了250 m以上。

联合匹配场和神经网络的声速时间场构建方法

局域声速场变化严重影响了海洋声学定位与导航的精度,构建高精度、高分辨率的声速时间场尤为重要。针对局域声速场参考样本不足导致声速场构建精度较低的问题,本文依据匹配场和神经网络理论,建立了联合匹配场和神经网络的声速时间场构建方法。利用通信数据和全水深声速剖面数据,采用匹配场处理进行声速剖面仿真,其次通过后向传播神经网络拟合经验正交函数分解重构系数构建声速剖面,并与实测抛弃式温盐深剖面仪数据进行对比。结果表明:与平均声速剖面的1.079 m/s相比,考虑匹配场仿真声速剖面的联合匹配场和神经网络的声速时间场构建方法的均方根误差为0.665 m/s,提高了38.4%。因此,该算法可以提高复杂海洋环境中声速时间场的构造精度。

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.

匹配场定位强干扰抑制最小方差无畸变响应处理技术

针对强干扰条件下的弱目标定位问题,提出强干扰抑制最小方差无畸变响应匹配场处理技术。其原理是约束对所探测方位的响应为1,以及对强干扰方位的响应为0,同时使输出能量最小。建立了相应的最优化问题,推导得出处理器的闭式解。通过弱目标位于强干扰正下方的实例,验证了该方法的有效性。仿真结果表明,在低信干比情况下,该方法较常规处理器以及对角加载最小方差无畸变响应处理器有更高的目标探测性能,在信干比接近0时,可消除旁瓣所引起的虚假目标。

东中国海声速剖面的经验正交函数表示与匹配场反演

利用一次浅海声学实验多次测量的声速剖面和声传播信号研究了海水声速剖面的经验正交函数(EOF)表示及其由匹配场处理方法反演的可行性和宽容性．反演中使用了垂直阵和水平阵两种阵形接收的宽带声信号．研究表明:声速剖面可用少数的几阶经验正交函数表示,利用垂直阵信号和水平阵信号都可较好地反演出海水声速剖面,而且对海底声速不敏感,具有较好的宽容性,反演出的海水声速剖面可用于低频信号的匹配场定位．

用模拟退火差异进化算法进行匹配场反演

分析了模拟退火算法与差异进化算法单独应用于匹配场反演时的局限性,构造一种结合两种算法优点的混合算法。模拟退火算法对差异进化算法的种群进行扰动,保留了差异进化算法的并行特性;在差异进化算法中引入模拟退火算法的重要性抽样思想,增强其逃离局部最优的能力,差异进化算法对目标函数梯度信息的利用仍然保留。仿真研究表明,混合算法在寻优时间与效率上达到了较好的平衡。

基于匹配场处理的天波雷达高度估计算法

天波超视距雷达通常采用距离-多普勒处理来检测海面上的目标。距离-多普勒处理可以获得目标的斜距和多普勒频率,而不能获得目标的高度信息。该文提出一种基于匹配场处理的算法来估计目标高度,算法利用单个驻留周期的回波数据来进行估计。仿真表明,在给定的仿真场景下,目标高度估计精度可达2000 m左右。与已提出的对数似然函数算法相比,该算法具有更好的稳健性。

浅海环境参数宽带匹配场反演研究

宽带匹配场反演是获取海洋环境参数信息的有效方法 ,选择合适的反演目标函数对环境参数的估计结果十分重要。文章研究了浅海环境参数宽带匹配场反演的各种目标函数建立方法 ,同时结合亚洲海实验 (ASIAEX2 0 0 1)数据采用遗传全局寻优算法对该海域环境参数进行了反演 ,并对反演结果尤其是沉积层参数的合理性进行了分析。

无人潜航器舷侧阵声呐匹配场被动定位方法研究

为了使无人潜航器在复杂的浅海环境中具有对远程声源被动定位的能力,提出了一种将舷侧阵声呐与匹配场处理算法相结合的被动定位方法.该方法可用于无人潜航器定深低速直线巡航时定点数据采集的过程中.首先用匹配场算法处理在每个采样位置上收集到的舷侧阵数据,实现对远程声源的初步定位,然后融合处理所有采样位置上的匹配场定位输出.这样可以克服舷侧阵声呐空间增益低的缺点,降低海洋环境参数失配和舷侧阵位置误差的影响,稳定参数估计过程并提高输出信噪比,随着时间的推移逐渐估算出远程声源的三维坐标.仿真测试结果表明,该定位方法在不同的输入信噪比下具有较高的定位概率和定位精度,而且使用该方法的系统需求较低,便于实际应用.

匹配场反演结果的后验概率分析

采用全局寻优遗传算法进行浅海环境参数匹配场反演 ,研究了判断反演结果唯一性和不确定性的后验概率分析方法 ,并对反演中各环境参数的频率依赖性进行了讨论 ,最后用亚洲海实验(ASIAEX2 0 0 1 )数据对环境参数进行了有效的反演。

Bayes匹配场地声参数反演:多步退火Gibbs采样算法

为实现海洋地声环境参数的快速高效反演,提出多步退火Gibbs(Multi-AG)采样算法,可消除因参数搜索空间设置对参数反演结果的影响,并有效解决Bayes匹配场高维参数反演过程中常见的运算量大、旁瓣高等问题。分析待反演地声参数对匹配场处理器的敏感性,用以制定多步反演与退火方案,利用Gibbs采样算法反演敏感性级别最高的参数,计算其均值并代入后续反演步骤,进而采用退火Gibbs采样算法逐步反演后续参数;利用数值仿真实验对比Metropolis-Hastings算法、Gibbs采样算法、快速Gibbs采样算法和Multi-AG采样算法的反演效果。实验结果表明,与其他3种算法相比,Multi-AG采样算法可通过最小的计算量得到均方差最小、精度最高的参数反演结果。

不确定环境下后验概率约束的匹配场处理

不确定海洋环境下,匹配场处理(MFP)所使用的环境模型与真实环境总会存在一定的差异,即存在环境参数失配,此时匹配场处理的性能严重下降。为了提高匹配场处理的稳健性,提出了一种后验概率约束的匹配场处理器(MFP-PPC)。利用贝叶斯准则推导出了位置参数的后验概率密度(PPD)估计,以此为约束为自适应匹配场处理器(AMFP)提供主瓣保护,使得算法具有AMFP高分辨特点的同时稳健性也得到改善。为了验证算法的性能,使用不确定浅海环境下的仿真数据和海试数据进行了处理分析。分析结果表明:不确定环境下,MFP-PPC不仅能够稳健地定位固定声源,而且能够稳健地定位运动声源,且跟踪曲线和声源移动轨迹吻合较好。

浅海环境下稳健的最小二乘匹配场定位算法

匹配场处理在海洋环境参数估计领域具有优于常规算法的性能,但其对噪声及环境扰动十分敏感,制约了该方法的应用。为了提高匹配场处理的稳健性,提出了浅海环境下稳健的最小二乘匹配场定位算法。该方法用简正波模型把浅海环境的声场分解为模态函数矩阵和模态系数向量,把环境扰动构建为模态函数的扰动,并在最小范数意义下用最小二乘算法对噪声和环境扰动进行约束,从而提高了匹配场处理的稳健性和定位性能。最后,使用海试实验数据对最小二乘匹配场处理器进行了验证。结果表明:和常规匹配场处理器相比,该算法的峰值背景比提高了约0.6~1.7 d B,而且对声源位置参数的估计更准确。

基于最小二乘的短垂线阵匹配场处理

匹配场处理通常要求接收基阵能够覆盖整个水层,如此大尺度的布阵方式严重阻碍了该方法的广泛使用。为了缓解匹配场处理对阵形的苛刻要求,该文提出一种基于最小二乘的短垂线阵匹配场处理技术。该方法把接收阵的声场分解为模态函数矩阵和模态系数向量,并在最小范数意义下用最小二乘算法得到了各阶模态系数的估计值,在此基础上重新构造了短垂线阵的测量场向量,使得重构后的测量场包含更多的环境信息,从而提高了短垂线阵匹配场处理的性能。最后,在典型的Pekeris波导环境中进行仿真,以3种布放在水面附近的短垂线阵为例,分析了匹配场被动定位的性能,并用广义余弦量化分析了不同布阵方式对测量场的影响。结果表明:使用最小二乘算法对短阵的测量场进行声场重构后广义余弦变大,此时短垂线阵匹配场处理的定位性能得到改善,验证了该算法的有效性。

非合作水声脉冲信号的单水听器匹配场定位研究

该文以非合作水声脉冲信号为对象,研究非合作条件下水声信号的单水听器匹配场定位。首先根据水声脉冲信号的短时瞬态非平稳特性,设计具有自适应径向高斯核函数的时频分布进行频率估计。然后利用声场传播模型计算声场,求解海洋信道脉冲响应。由计算出的信道脉冲响应和水听器上的接收信号,使用时域最小二乘的方法得到搜索网格区域上的拷贝场信号。最后通过建立误差代价函数,获得表征目标位置的模糊表面,实现利用单个水听器对非合作水声脉冲信号的匹配场定位。通过仿真实验和实际海试数据的验证,证明了该方法的有效性。

水声信号处理中匹配场处理技术研究的现状和展望

本文首先给出了匹配场处理的基本概念及其研究内容,进而对该技术的理论框架、各种处理方法和分析方法以及实际试验结果做了系统的归纳和简单的评述。在此基础上。

浅海地声参数宽带匹配场反演的实验研究

根据不同浅海环境参数在不同的频段对匹配场功率具有不同贡献的特点 ,提出了宽带匹配场反演的多步优化策略 ,并与直接全参数反演进行了实测数据的性能对比。采用多步反演策略对亚洲海实验 ( ASIAEX2 0 0 1 )数据进行处理 ,按照不同海区水文条件的差异 ,分别进行了水平不变和水平变化的环境参数反演 ,得到了东中国海