有效声速泰勒级数逼近的适用条件

在水下高精度声学定位和声纳水深测量中,需要高精度的有效声速参量。在实际中,精确计算有效声速需要声线跟踪算法,但计算成本较高。有效声速的泰勒级数逼近作为一种有效声速的近似逼近方法,可避免大量计算成本。讨论了有效声速泰勒级数逼近公式的不同阶数逼近情况,特别是给出了两类有效声速泰勒级数逼近公式的适用条件,以及他们随高度增大适用性和逼近精度的变化。研究表明,当声速剖面稀疏时,宜采用谐波平均声速下的泰勒级数改正公式;当高度角小于50°时,有效声速泰勒级数逼近精度出现明显的衰减。

水声信道有效声速估计方法及空间特征分析

为准确快速获取水声信道有效声速以提高水声测距及定位精度,提出了一种分层海洋介质中空间有效声速的快速估计方法.该方法考虑了信道多途的影响,对浅海信道和深海信道中有效声速的计算均适用,尤其对于有效声速随空间变化复杂的浅海信道.该方法不需对空间各点声场进行计算,大大减小了计算量,易于实际工程应用.通过仿真和海试数据分析,得到了各环境要素对有效声速估计的影响规律及浅海信道有效声速空间变化的基本特征,验证了有效声速估计方法的有效性.

浅海信道有效声速估计及其在水声定位中的应用

提出了基于本征声线视在搜索的浅海信道有效声速估计方法。在给定海面海底及垂直声速分布条件下,该方法能快速准确地估计浅海信道中任意两点的有效声速以及有效声速空间分布物理图像。因该方法采用本征声线视在搜索思想,计算量大为减小,易于实际工程应用。随后探讨了其在长基线水声定位解算中的应用。海试与应用结果表明,该方法可以提高长基线定位系统对浅海信道复杂水文的适应能力。

声速修正技术在高精度水下定位系统中的应用

为进一步研究声速修正技术在水声定位系统中的应用,提出1种利用声速修正技术降低测速误差改正的声线跟踪算法:分析超短基线定位的误差来源;然后以基阵中心为参考,离线计算声波从基阵中心到达作业区域所有位置的有效声速,得到1个有效声速表,保证了计算的准确性,提高了工作效率;最后进行模型误差分析。结果表明:在声线入射的几何夹角较大的情况下,有效声速法能够在保持计算速度的同时,具有较高的精度;但是随着几何夹角的减小,有效声速法的角度估计误差逐渐增大,不再适用高精度的水声定位。

未知声速下长基线系统定位修正算法

在长基线水下声学定位系统中,由声速不确定引起的误差是影响其定位精度的主要因素.通过设置声信号在目标和不同水听器之间以不同的声速传播,给出了一种声速未知情况下的长基线系统定位修正算法.首先,利用长基线系统中的冗余信息建立了多参数优化函数来估计有效声速.其次,选择粒子群算法来解算优化函数,得到目标与不同水听器之间的有效声速.最后,由得到的有效声速来对目标进行定位.仿真结果表明,与传统算法相比,基于粒子群优化的算法可以有效提高长基线定位系统的定位精度.

一种水声定位系统的声速修正方法

海水中声速沿深度方向分布较为复杂,致使准确定位难以实现。为提高定位精度,必须进行声速修正。提出了一种查表法,建立有效声速表进行声速迭代修正,此方法适用于各种定位系统。

水声中非直达声下的声速修正方法

在水下声学定位系统中,声线弯曲是影响定位精度提高的重要因素。基于水下射线模型的声速修正方法,通过迭代法计算声源和接收点间所有本征声线后再获取首达声线信息的方式实现。但是,已有的本征声线计算方法鲜有提及声线传播经历多跨度或反转点对于迭代法结果的影响,前者会造成初始掠射角搜索时的迭代区间受到限制,后者则会造成声线传播水平距离与初始掠射角变呈非单调关系,迭代常会失效。本文提出了一种非直达声下的声速修正方法,首先对声线初始掠射角区间进行两次分类,依据是反转点是否存在和经历的跨度数;其次利用迭代法分别计算不同跨度区间内的本征声线,并且特别对包含反转点的跨度区间要采取先预处理再迭代的方式;最后获取首达声线的时延信息即可计算出有效声速。以中国南海某地声速剖面为例,分别计算了声源位于2次不同深度下的区域有效声速,结果表明该算法在非直达声条件下依然可以精准计算任意一点的有效声速。

海底控制点水声定位测距误差的近似数学表达式

针对水声定位声线跟踪法计算换能器到应答器斜距值测距误差规律难以把握的问题,研究了测距误差的近似数学表达式。首先分析了控制点定位声速不确定性引起的测距误差机理;其次基于声速剖面和传播时间的线性理论(ST定理)推导了测距误差的近似数学表达式,并分析了使用harmonic平均声速代替有效声速对测距误差数学表达式结果的影响。仿真试验结果表明,该数学表达式对测距误差估值的绝对误差随斜距值(或初始入射角)的增大而增大,在水深为3000 m,初始入射角在80°以内时,估值的绝对误差在1 cm以内,当初始入射角达到86°左右时,估值的绝对误差约7 cm,为水下静态目标定位以及水下载体动态导航定位中的声速误差修正问题提供了新的解决思路。

基于TDOA方法的声被动目标定位系统设计

建立了一种平面波声被动定位模型,在利用TDOA方法定位远距离目标时,可消除有效声速的影响。分析并设计了定位系统的总体结构,提出了一种简易的计算时差电路设计方案。最后给出了几组实验结果,证明了此系统的可行性,但对近距离目标的定位结果较差,模型需进一步研究。

基于到达时差法的目标定位系统

运用声被动定位理论探索空中目标的定位问题。建立了一种平面波声被动定位模型,利用简易被动声传感器阵列,分析并设计了定位系统的总体结构。提出了一种简易的计算到达时差电路设计方案,此电路利于目标的实时定位。在利用这种系统定位远距离目标时,可消除有效声速的影响。最后给出了几组实验结果,证明了此系统的可行性,但对近距离目标的定位结果较差,模型需进一步研究。

乘性噪声背景下基于非线性渐消滤波的单信标测距定位算法

针对基于加性噪声模型的单信标测距定位算法不能精确表征距离观测量的实际特征,存在模型失配的问题,该文给出一种考虑乘性噪声特性的联合最小二乘法和非线性渐消滤波的两步定位算法。在分析有效声速误差与距离观测量乘性噪声内在联系的基础上,建立了乘性噪声背景下的测距误差模型,通过引入一种新的弱化因子计算方法对乘性噪声背景下带单重渐消因子的非线性渐消滤波算法进行了改进,利用基于最小二乘法的预定位过程解决改进算法对初值敏感的问题。仿真及试验数据表明该算法在水下航行器接近信标的态势下定位精度明显优于加性噪声背景下的扩展卡尔曼滤波算法。

次声波在非均匀运动大气中非线性传播特性的研究

基于有限时域差分方法将大气中近似到二阶的非线性波动方程进行离散化,得到了数值模拟所采用的差分方程.在此基础上,对线阵列辐射的脉冲声波在非均匀运动大气中的垂直和斜向传播进行了二维数值模拟,模拟了武汉地区(114:20°E,30:37°N)在夏季和冬季UT=29000s时开始传播的脉冲声波在不同时刻的声压分布.模拟时通过采用Msise00和HWM93两个大气模型,考虑了由于大气温度和密度变化以及大气风场存在所引起的大气不均匀性和运动性.通过研究上述两季有风与无风条件下的声压差值pr,可以发现:风场对次声波在传播中声压分布的影响较大;由于不同季节和不同传播距离上"有效声速"的不同,导致了两季pr分布波形存在差异;风场对声波非线性传播的影响要远大于其对线性传播的影响.

基于区域划分自适应粒子群优化的超短基线定位算法

为了降低由声速不确定引起的水下声学定位误差,提出一种基于区域划分自适应粒子群优化的超短基线定位算法.该算法将声速作为未知量,利用冗余的定位信息构建定位模型,针对标准粒子群算法收敛速度慢及容易早熟的问题,采用区域划分的方法动态调整粒子的惯性权重和学习因子,达到寻优能力与收敛速度的平衡,并引入自适应变异操作避免种群陷入局部最优解.仿真实验表明,所提出的算法能够有效提高声速未知情况下超短基线系统的定位精度.