试验环境水下声信号的特征提取方法

水下试验环境参数的反演是水声学研究领域的重要内容。而当前研究的关键是通过对水下声信号做特征提取从而获取参数信息。针对特征提取较难、模型很难拟合等问题。本文提出了一种试验环境水下声信号的特征提取方法。将水下声信号同时用梅尔频谱倒谱系数及线性预测系数处理,两者运用特征加权组合方法得到新的特征矩阵;再应用映射插值算法对特征矩阵进行处理,获得适应神经网络输入的三通道矩阵。本文选取的网络模型为残差神经网络。利用实验室所录制的对河口水库数据集测试表明,本文提出的特征提取方法普遍优于仅利用梅尔频谱倒谱系数或线性预测系数的特征处理方法。利用单频矩形脉冲信号对环境进行深度5分类,准确率平均提升2%。利用线性调频信号对环境进行深度5分类,准确率平均提升2.03%。本文提出的特征提取方法对线性调频信号在深度分类任务下处理的结果要优于单频矩形脉冲信号处理的结果。

二维水下声辐射问题的改进径向基点插值法研究

径向基点插值法是一种典型的无网格数值计算方法,在分析声学问题时,相比于传统有限元法能更好地抑制频散误差,且在相同的节点分布下通常可以得到更精确的数值解。本文提出一种改进的节点选取方案用于构造插值形函数,即改进径向基点插值法。该方案采取一个简单而直接的格式,可确保在进行数值积分时同一背景积分单元中的被积函数是连续可微的,从而减小数值积分误差,得到比原始径向基点插值法更精确的数值解。同时,为了处理外声场问题,本文采用DtN映射技术将无限域截断为有界计算域,满足索默菲尔德辐射条件。数值试验表明,相比于传统有限元法和原始径向基点插值法,本文改进方法具有更高的计算精度和计算效率,在研究水下声辐射问题时具有良好的应用前景。

水下声传感器网络联合同步和定位方法

水下传感器网络(UASNs)在海洋监测、资源勘探、灾害预防和海洋学数据收集等方面的广泛应用,引起了学术和工业研究人员的极大关注。在这些服务中,节点的准确定位是水下声传感器网络的研究重点之一。然而,在实际的水下环境中,传播速度随深度变化(即分层效应)和异步时钟的存在均会显著影响测距的精度,从而降低定位性能。针对以上特性,文中设计一种基于自主水下航行器(AUV)辅助的水下声传感器网络联合同步和定位方法。在开始定位流程后,目标节点通过接收AUV发出的信标信号建立水声传播方程并进行相对距离的估计,其中考虑了异步时钟问题和分层效应引起的水声弯曲效应问题,实现了对目标节点位置和时钟的联合估计。仿真结果验证了所提方法的有效性和可行性。

水下声信号处理与通信技术在海洋环境中的应用

随着人们对海洋资源的不断开发和海洋研究的逐渐深入,水下声信号处理与通信技术在海洋环境中的应用变得日益重要。文中介绍了水下声信号处理与通信技术,明确了各种技术的具体应用。在此基础上,分别从海洋科学研究、海洋资源勘探、海洋军事与国防应用等方面探讨了水下声信号处理与通信技术的具体应用,有助于推动水下声信号处理与通信技术的发展,进而为海洋资源的合理利用与保护提供技术支持。

基于投影感知的水下声呐目标检测方法

现有基于深度学习的水下声呐图像目标检测方法受限于水下声呐图像噪声大、信噪比低,因而检测精度有限。针对该问题,本文提出了基于投影感知和声呐参数信息嵌入的水下声呐图像目标检测方法SonarNet。提出的非参数化的投影感知对齐模块(PAA)在不引入额外的训练参数且无需额外标注的情况下,通过提取水下目标的投影区域特征与目标本身特征融合来提升目标检测精度。同时为了提升算法在不同声呐工作参数下的鲁棒性,本文设计了一个轻量级的声呐全连接网络SonarMLP,将声呐设备的工作参数信息以嵌入信息的形式引入到目标检测过程中。本文在声呐图像目标检测数据集上对算法的有效性进行了验证,在有效检测出水下目标的同时,比现有常用深度学习方法有更高的检测精度,能够提升3%以上的各类平均精确度(mAP)。

蛙人水下声信号特性试验研究

随着水中兵器技术的逐步发展,近海沿岸防御敌水下小目标渗透入侵的问题已经越来越严峻。为掌握水下小目标的信号特性,论文以蛙人为研究对象,组织蛙人在水下以悬浮停留和运动前行两种不同的姿态进行试验,对背景环境噪声和蛙人水下声信号进行数据采集。并对其时域、频域以及时频谱信号进行分析,研究出蛙人水下的声信号特性,期望为蛙人被动警戒系统的研制提供参考。

一种预报水下声辐射的无网格弱式径向点插值方法

提出了一种预报结构水下声辐射的径向点插值法(radial point interpolation method, RPIM)耦合MDtN(modified Dirichlet-to-Neumann)边界条件的无网格弱式方法。在RPIM-MDtN方法中,采用人工边界将结构外部无限问题域截断为有限计算域,利用RPIM构造声形函数,并在截断边界处施加MDtN边界条件,以提高计算精度和确保声波自由衰减及解的唯一性。在该方法中,声场量的插值无需使用网格或场点的连接属性。研究了该方法性能的影响因素,采用算例对该方法的有效性进行了验证。结果表明:与有限元法相比,该方法具有计算精度高和收敛速度快的优势,对声波数的敏感度显著降低;在要求高精度时,该方法具有计算效率的优势。

声源激励下锥柱组合壳体水下声辐射特性试验研究

针对单层壳和锥柱组合壳2种典型壳体结构内部强噪声源引起的水下辐射噪声问题,开展小比例缩比模型的振动声辐射试验,给出不同结构形式对声激励下,圆柱壳结构振动与声辐射的影响规律及主导因素。试验结果表明:相同声源激励条件下锥柱组合壳结构声辐射频段总声压级最小。低频段下,单层壳与锥柱组合壳之间总声级差值可达8 dB;500 Hz以下频段声腔模态起主导作用,500~1 500 Hz频段内声腔模态和结构模态共同作用;内部声腔在其固有频率处会造成壳体的强烈耦合效应,从而出现声压级峰值。

水下声呐图像轻量级目标检测模型

水下AUV搭载声呐进行探测成为水下目标检测的主流方式,水下环境的复杂及声呐成像方式导致声呐图像分辨率较低,使用形态学目标检测等传统方法时检测精度与实时性不高,深度学习如YOLO等算法直接用于水下声呐图像目标检测时仍然面临样本少、模型参数多等挑战,为此,本文提出一种声呐图像水下目标轻量化检测模型。针对低分辨率声呐图像数据特点以及水下AUV自动检测对实时性的要求,以YOLOv4模型为主要框架,进行模型裁剪、替换优化特征融合模块、目标预测框K均值聚类以及改进损失函数等,将构建的检测模型应用于声呐目标检测。所构建的声呐图像水下目标检测轻量化模型的mAP相对于SSD、YOLOv3、YOLOv3-DFPIN、YOLOv4-tiny分别提高了0.0659、0.0214、.0402和0.1701。在mAP相较于YOLOv4、CenterNet、EfficientdetD0分别低0.0186、0.0093、0.0074的情况下,FPS分别相对于YOLOv4提升一倍多、相对于EfficientdetD0提升近5倍、相对于CenterNet提升近一倍。同时,本文提出的模型兼具高精度和实时性的优点。实验结果表明,本文提出的特征提取网络能够减小网络参数冗余,提高模型效率和检测速度,结合自适应空间特征融合模块增强了不同尺度之间特征的相互融合和重用,提高了低分辨率声呐图像目标检测的精度。

基于水下声呐的沿河截污干管运行现状探查与分析

通过阐述沿河截污干管运行现状探查中存在的问题,以综合探查及分析为工作思路,提出了采用水下无人潜航器作为工作载体,搭载水下声呐设备等,开展沿河截污干管运行现状排查与分析工作,可以在有限的作业时间段内实现管段内部缺陷的精确定位,以及定量统计,弥补了传统技术在高水位沿河截污干管缺陷探查中的不足,同时为截污系统关键问题及整治措施的制定提供了信息支撑及决策依据,具有良好的推广应用价值。

基于波导不变量的空中和水下声源分辨方法

波导不变量反映了水下声场多途传播的干涉结构特征。将波导不变量的提取分析应用于空气中声源产生的水下声场,通过数值仿真分析了波导不变量分布随深度的变化,提出了利用小深度接收声场提取的波导不变量分布来分辨空中和水下声源的方法。分析了空气中声速和风速剖面对该方法的影响,指出在实际海上环境条件下,当出现逆温现象或者当接收器在声源下风方向时,该方法是有效的。

利用激光探测水下声场的理论研究

利用简化的一维物理模型,研究了激光束在水表面反射、散射时探测器在不同位置接收到反射、散射光光通量随时间的变化.结果表明:探测器接收到光通量的变化频率与水下声场的变化频率相同,为利用反射、散射光探测水下声场提供了理论依据,同时也对探测方法提供了基本思路。

水下声信号的激光干涉测量

为准确测量水下目标的发声频率,在光学暗室下建立了基于激光干涉法探测水下目标的实验系统。当水下声源引起水表面波动时,用激光照射水面,携带声波信息的水面散射光与参考光干涉,利用精密光学测量装置探测光程差的改变,通过数据采集和处理系统从干涉信号的频谱分析图中解调出水下声信号的频率信息。干涉信号的频谱分析图中存在以水下声信号频率为中心的频带,频带宽度与自然水表面波引起的多普勒频移有关。实验结果表明,水下发声目标引起水表面波动的振幅在纳米级,系统可以实时探测出4～15kHz的水下声信号,且测量标准偏差<7Hz。该系统可满足水下目标识别技术的实时性、准确性等要求。

各种水下声源的发声机理及其特性

扼要综述了现有的七种水下声源产生技术,包括炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源、电磁式声源、激光声源和等离子体声源。分析了这些声源的发声机理,结合其性能特点阐述了在实际中的不同应用,并对等离子体声源的机理、特点和实际应用进行了重点分析。列表归纳总结了各种水下声源的原理、主要性能和应用范围,为水下声源的应用拓展提供了依据。

海洋水下声探测信号的分类与分析

水下声探测是外国调查船和水下文物盗捞船进行非法调查和探测的主要技术手段,根据信号的主要声特征,对海洋水下声探测信号进行分类,分为宽带中、低频信号和窄带高频信号.在福建兴化湾海域采集了浅地层剖面仪信号、电火花声源信号、侧扫声纳信号和单频测深信号4种代表性的海洋水下声探测信号,根据声特征分析给出了对应的分类,其中:浅地层剖面仪信号为信号类型确定的中、低频信号;电火花声源信号为宽带脉冲中、低频信号;侧扫声纳信号和单频测深信号为窄带高频信号.通过对4种实测声探测数据的分析研究,给出了对应类型的海洋水下声探测信号的分析、提取方法,其中:信号类型确定的中低信号和窄带高频信号在初步的时、频分析基础上,可通过带通滤波提取;宽带脉冲中、低频信号在初步的时、频分析基础上,可尝试通过小波尺度相关滤波的方法提取.结合已知的水下声探测信号的主要声特征,实现对采集的海洋水下声探测信号的识别.

低频水下声信号的激光探测

根据表面波声光效应的原理,提出了一种低频水下声信号的激光探测技术,并建立了实验装置。在几十赫兹的低频段,对水下声源所产生的表面声波进行了探测。实验过程中,利用MATLAB软件对拍摄的衍射图样进行扫描分析,得到了衍射图样中条纹的像素差。根据波长与条纹间距的解析关系式,得到了低频液体表面声波波长,其大小在毫米量级。利用计算机编程,根据最小二乘法拟合色散关系的回归曲线,测量结果与理论色散关系吻合。该方法具有实时、非接触的特点。

利用激光从散射光中提取水下声信号的探测技术

提出了一种从散射屏的散射光中提取水下声信号的方法 ,建立了一套采用这种方法探测水下声信号的实验装置 ,利用此装置能够从散射屏的散射光中提取到水下声信号 验证了从激光的散射光中提取水下声信号是可行的 。

外壳板采用纵骨加强的双层加肋圆柱壳水下声辐射分析

建立了外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射计算方法 ,计算模型采用 Donnell壳体理论 ,考虑了环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳的径向、切向、纵向反作用力以及纵向反弯矩 ,利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了计算模型的声弹耦合控制方程。推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式 ,采用数值计算方法在波数域求解出径向振动速度 ,利用稳相法得到远场辐射声压。研究表明 ,如果纵骨沿圆周均匀排列 ,则纵骨的存在不导致圆柱壳周向模态耦合 ,纵骨加强的双层圆柱壳水下声辐射计算可以大大简化。采用文中方法研究了环频率以下外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射特性 ,计算表明 :在较低的频率段 ,外壳板采用纵骨加强使双层加肋圆柱壳水下辐射声压增大 ;增大纵骨刚度 ,结构辐射声压也相应增大 ;纵骨间距对双层加肋圆柱壳水下声辐射影响比较复杂 ,辐射声压谱随纵骨间距变化较大 。

水下声信号激光相干探测的仿真与实验

建立波长1 550 nm的全光纤激光相干探测系统,系统采用全光纤设计,光路简单且稳定性高.数值仿真与实验结果表明,采用激光相干探测和时-频分析,可有效地提取水下不同频率、不同强度和不同深度的振动特征.该系统可实时探测出40~10 000 Hz的水下声信号,且测量标准偏差小于几个赫兹.因此,激光相干雷达用于水下目标的探测与识别具有实时性,该技术可为水下目标的特征提取和识别提供新的途径.

深海大深度声传播特性及直达声区水下声源距离估计

深海大深度声传播特性对在深海近海底进行水声目标探测和定位具有重要意义。利用一次南海中南部深海不完全声道中的脉冲声传播实验数据,分析了海底附近大深度声传播损失及脉冲多途传播特性,并根据直达波和海底-海面反射波的时延差与收发距离的关系,提出一种利用深海直达声区脉冲多途到达时间进行水下声源距离估计的方法。结果表明:当接收器深度位于南海深海海底附近而声源深度较浅时,直达声区水平宽度可达30 km,传播损失相对影区来说较小,有利于水下声源探测;直达声区的直达波与海底-海面反射波的到达时延差随着收发距离的增大单调减小,可被用于水下声源距离估计。得到水下声源的距离估计结果与实验GPS测量结果较为一致,距离估计均方误差为0.28 km。