基于水下滑翔机的水听器阵设计与探测性能分析

以水下滑翔机为平台,设计了一种被动水听器阵,并详细分析了该基于水下滑翔机的水听器阵的探测性能。理论与仿真分析表明,其对声源级230 dB@3 kHz主动声纳信号的有效作用距离最大可达100 km以上,对声源级170 dB@10 kHz水声通信信号的有效作用距离最大可达15 km以上,对声源级140 dB@100 Hz辐射噪声信号的有效作用距离最大可达9 km以上,系统探测性能良好。

基于MUSIC算法的矢量水听器阵源方位估计

矢量水听器阵的每个阵元同时测量声场中的声压量和质点振速的3个正交分量,相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息.利用矢量阵所获得的速度场的信息可去除目标方位估计中的180°模糊.多重信号分类(MUSIC)算法是通过对数据协方差矩阵进行本征分解获得信号空间谱估计的方法.本文采用矢量水听器均匀线阵研究了利用MUSIC算法对声源进行方位估计,以提高对源方位的估计精度.仿真结果表明,在SNR=10dB的条件下,相对于常规波束形成器输出,MUSIC空间谱的主波束宽度锐化了30°左右,旁瓣降低了16dB左右,利用MUSIC算法可提高对源的定向精度及对多目标的分辨能力.

基于JADE算法的矢量水听器阵列信号盲估计研究﹡

标量声压水听器线阵无法估计信号的二维到达角(方位角和俯仰角),并且对来波方向相同的信号无法分辨.针对这一情况,文中引入盲信号处理理论,将JADE(特征矩阵联合近似对角化)算法与矢量水听器阵列技术相结合,提出了一种新的阵列信号盲估计算法.该算法应用在结构简单的矢量水听器线阵上,在信号方向矢量没有任何先验知识情况下,对阵列流型矩阵进行盲估计,进而估计出源信号的频率和二维到达角,并实现对来波方向相同信号的辨识.仿真实验证明了算法的有效性.

一种改进的基于矢量水听器阵列的相干信号方位估计

为了对相关信号源进行方位估计,针对矢量水听器均匀线列阵,Rahamim提出了一种方法,即将测量数据按同一类型水听器进行排列,但该方法只能实现相干信号的一维方位估计,且存在180°模糊。为此,提出了一种改进方法,即将测量数据按同一阵元位置进行排列,采用前后向空间平滑技术。这样不但能实现相干信号的二维方位估计,而且无180°模糊。仿真实验结果证明了该方法的优越性。

水听器阵共模干扰抵消研究

硬件电路设计不当等原因将会导致水听器前放电路中存在共模干扰,水听器阵共模干扰将会"污染"A/D采样信号,从而对声纳目标探测与跟踪及其他后续处理造成困扰。在实际的声纳系统中,最好是采用硬件预处理的方式避免共模干扰,但对于已经被污染了的采集数据而言,则只能通过干扰抵消等信号处理的方式对被"污染"了的原始数据加以修复或还原。本文对水听器阵共模干扰特性进行了详细分析,并根据其干扰特性,提出了基于错位相减技术和基于独立分量分析的两种干扰抵消方法。湖试数据处理结果验证了本文方法的可行性。

基于水听器阵的广义相关波束形成算法研究

传统上都是使用基于常规波束形成(CBF)输出功率的不同进行声源的被动检测和定位。广义相关波束形成,是一种旨在将平均Toep litz相关函数用于估计波束形成的输出功率。从线性矢量水听器阵出发,分析了常规波束形成,对广义相关波束形成(GCBF)进行了深入研究,通过对广义相关波束形成器进行“W ilson”和“Bartlett”加权,可以分别得到FIM(WFIM)和CBF,对这三种波束形成器进行了理论分析和计算机仿真,结果表明三个波束形成器的分辨能力从高到低依次是:FIM、WFIM、CBF。

应用矢量水听器阵反演浅海海底地声参数

0引言地声反演是获取海底声学参数的一种重要方法,地声反演方法是海洋声学研究的重要内容之一。目前,绝大部分地声反演方法都基于水听器阵列接收的声压信号来进行,而应用包含质点振速在内的声矢量场进行地声反演的方法则相对较少。矢量水听器是一种重要的新型水声传感器,能同时测量声压信号和质点振速信号,已有研究表明,在浅海声传播情况下,声压与质点垂直振速有不同的传播特[1]

基于矢量水听器阵列空域预滤波处理的多重信号分类算法研究

矢量水听器能同时拾取声压和振速信息,在相同的信噪比、阵元数及阵列孔径下,矢量阵定向性能优于声压阵列。目前,以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的高分辨定向算法已经广泛应用于矢量水听器阵列中。但是随着信噪比降低、信号源方位间隔减小,传统MUSIC算法定向精度及分辨概率显著下降。本文采用最小二乘法设计适用于矢量水听器水平阵列的矩阵空域滤波器,用于阵列数据的空间滤波预处理,可以对阻带扇面噪声进行有效抑制。由滤波后的数据协方差矩阵可以得到新的噪声子空间,在传统MUSIC算法基础上修正通带扇面内阵列流型的畸变后即可得到滤波后MUSIC算法的方位谱。仿真结果表明,当信噪比较低时,改进算法有效提高了通带扇面内目标方位分辨性能。最后本文对四基元矢量水平阵列海试数据进行了处理,改进算法对窄带信号定向较常规算法-3 dB束宽减小了13°,旁瓣级降低约8 dB。对有一定带宽的行船辐射噪声定向处理得到了更加精确的航迹图,海试数据处理结果证明了该算法的可行性和有效性。

基于改进的MUSIC算法的矢量水听器阵列波达方向估计

介绍了改进的MMUSIC算法在矢量水听器阵波达方向估计中的应用,并详细描述了该算法的原理及应用过程,对比试验结果表明了该算法在矢量水听器阵波达方向估计应用中的可行性和有效性。

矢量水听器阵时频MUSIC算法研究

时频MUSIC算法利用信号的时频分布构造空间时频分布矩阵,并用该矩阵代替传统的相关矩阵进行DOA估计,可以有效抑制噪声和干扰,提高算法的稳健性。时频子空间算法突破了传统子空间算法中阵元数对估计信号个数的限制,时频点包含了信号的时频空三维信息,通过时频点的选择可直接确定信号的频率从而确定阵列流型矩阵。对于宽带信号,在进行方位估计时避免了频域搜索,减少了运算量。将时频MUSIC算法应用于二维矢量水听器垂直线阵中,充分利用矢量水听器的标、矢量信息和信号的时、频信息进行宽带信号的二维波达方位估计。仿真研究验证了算法的有效性。

应用FRFT的矢量水听器阵方位估计

采用FRFT方法研究矢量水听器阵的宽带信号多目标方位估计问题.进行了与FRFT的二维矢量水听器线阵方位估计算法相结合的理论推导与仿真实验.研究证明,采用二维矢量水听器阵可以实现全空间无模糊定向,该方法在处理多源信号时可以避免交叉项的干扰,对于宽带信号的处理,不需要进行频率搜索或频率聚焦变换就可以进行方位估计.该方法在信噪比不低于-10 dB时都具有较好的估计精度.

一种应用于海洋混响调查的密集型水听器组阵方案

为了弥补传统水听器组阵方案的缺点,文章提出了一种新型的密集型水听器组阵方案,并依托一次实际海域混响调查试验进行验证。从实际作业角度看,该组阵方案布放回收操作简单,提高了作业效率和安全性,解决了作业过程中的系留姿态问题。通过分析获取的数据,该组阵方案具有良好的除噪效果,数据接收质量较好。

矢量水听器扩展孔径线阵方位估计技术

矢量水听器由声压水听器和质点振速水听器复合而成,可以同时测量声场中的声压和质点振速的正交分量,将矢量水听器布成阵列对目标方位进行估计.在不增加阵元个数的情况下,可以把阵布成稀疏阵来增加阵孔径,提高对目标方位的估计精度.按照耐奎斯特空间采样定理,阵元间距超过半波长将会带来方位估计的周期性模糊.该研究利用扩展孔径矢量线阵对目标进行方位估计,以及研究如何去掉方位估计中的周期性模糊,最终获得目标方位的高精度无模糊估计.研究结果表明,在相同的信噪比条件下,利用扩展孔径矢量线阵可获得比具有相同输出路数的声压阵更好的方位估计性能.

一种矢量水听器基阵模拟器的设计

矢量水听器的每个阵元同时测量声场中声矢量和质点振速的3个分量,相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息。利用矢量阵所获得速度场的信息可以去除目标方位估计中的 180°模糊。模拟器可以模拟实际海洋环境中目标的辐射特性和噪声特性,应用模拟器可以有效地缩短声纳的研制周期。本文提出一种矢量水听器基阵模拟器的设计方案,该方案解决了矢量阵中宽带信号的90°移相问题、时延精确控制问题和宽带噪声的谱状控制问题。

ESPRIT扩展孔径技术在矢量水听器线阵中的应用

ESPRIT算法是一种用信号旋转不变性来估计信号参数的方法,属于子空间分解技术。应用于矢量阵扩展孔径的方位估计时,则需要一定的算法去除其本征模糊。文中提出了一种适用于矢量水听器线阵的ESPRIT去模糊算法——MUSIC,并与另一种粗略估计去模糊的方法在性能上作出比较。仿真的结果证明:使用MUSIC方法不仅可以去除ESPRIT算法中的本征模糊,还可以克服线阵中的左右舷模糊问题,就不必进行归一化、不需要考虑声压传感器的存在。不论是单目标方位估计还是双目标分辨都具有更大的方位角估计适用范围和更强的稳定性。

一种用于大坝混凝土声层析成像的水听器线阵

声层析成像技术可以用图像的方式精确完整地反映层析面上检测体内部质量,是一种有效的无损检测手段,在大坝混凝土的安全隐患检测中发挥着越来越重要的作用。本研究旨在研制成像用的接收声波的水听器线阵,该水听器线阵由12个水听器阵元组成,阵元间隔2 m,水听器由直径40 mm的接收型压电圆管和前置放大器组成。水听器在低于20 k Hz的频率范围内,自由场接收电压灵敏度为-173±3 d B,在2 MPa静水压力下灵敏度下降不超过2 d B。制作了2例具有清晰接收波形、一致性和可靠性好的水听器线阵,最终为客户在现场实地获得了高质量的层析图像。

基于多距离声阵实测回归传播损失的浅水域水下辐射噪声源级测量方法

浅水域水下辐射噪声传播会受到海面与海底反射的影响。基于传统单水听器方法进行浅水域船舶水下辐射噪声源级测量相比深水域测量面临三个问题:(1)浅水域声场中复杂的声场分布特征会增加单水听器测量结果的不确定度;(2)浅水域传播损失系数小于深水域,采用球面波衰减系数进行源级修正会带来较大偏差;(3)水听器近水面布放会导致测量结果受到水面镜像反射的影响比深水域更大。本文提出一种工程化的基于多距离声阵实测传播损失的浅水域船舶水下辐射噪声源级推算方法,在浅水域测量船舶水下辐射噪声源级时剥离界面反射的影响,得到自由场环境下船舶水下辐射噪声源特性。利用不少于3个正横距离分析该海域的传播损失系数,并提出剥离水面劳埃德镜像效应的修正公式。为了验证该方法的有效性,使用UW350声源模拟船舶噪声源在千岛湖开展验证试验,试验结果表明,在20 Hz~1 kHz频段内,推算得到的声源级频谱与1m处参考水听器测量声压级频谱平均偏差小于3 dB。

矢量水听器线阵波束图

本文研究了矢量水听器均匀线阵的采用不同方式进行波束形成的波束图,并和声压阵相应的量进行了比较.结果表明,相对于声压阵,在不增加阵孔径的前提下,利用矢量水听器阵获得的波束主瓣更窄,旁瓣更低.利用声压和振速的联合处理,去除了声压线阵方位估计中的左右舷模糊.

矢量阵的非空间ESPRIT算法

矢量水听器同时测量声场中某点的声压和质点振速的正交分量,单个矢量水听器可视为空间共点阵.建立了任意阵型矢量阵的数据模型,研究了任意阵型矢量阵的非空间ESPRIT算法.非空间ESPRIT算法不是利用空间2个子阵组成的矩阵对,而是利用矢量水听器不同的输出分量组成矩阵对完成目标的二维角度(水平方位角和仰角)估计.仿真研究了该算法对单个源和多个源方位估计的情况,并利用外场试验数据验证了算法的有效性.结果表明,在当时的试验条件下,常规波束形成获得的主瓣波束宽度为30°左右,而非空间ESPRIT算法对目标方位估计的标准差为3°左右,说明基于矢量阵的非空间ESPRIT算法在未知阵列流形的前提下可对目标进行高精度方位估计.

矢量线阵MUSIC算法抗空间混叠性能研究

利用矢量线阵可以提高对目标参数估计的性能,探讨了矢量线阵MUSIC算法的抗左右舷模糊性能和抗空间混叠性能。理论研究和外场试验结果表明,矢量线阵消除了声压线阵MUSIC方位谱的左右舷模糊,在阵元个数保持不变的条件下,空间降采样时,矢量线阵MUSIC空间谱不仅提高了方位估计的精度,而且能够抗空间混叠,在相同的条件下,矢量线阵MUSIC空间谱的抗空间混叠性能明显优于矢量阵常规波束形成方法。