一种基于warping变换的浅海脉冲声源被动测距方法

针对浅海波导中脉冲声源被动测距问题,提出了一种利用接收信号的能量密度函数进行warping变换的声源被动测距方法.对于浅海波导,接收信号的能量密度函数中不同号简正波相干部分,经warping变换后输出结果的频谱中包含与声源和接收器位置无关的不变性频率特征.这些特征频率在数值上等于理想波导中相干的两号简正波的截止频率差,与海底参数无关,因此仅需已知海水中的平均声速和海水深度便可计算出特征频率值.当声源距离未知时,利用特征频率的提取值与真实特征频率之间的关系可以实现快速测距,极大地提高了计算速度.为了验证方法的有效性,对2011年11月黄海海域水声实验的接收脉冲数据进行了处理,测距结果与实测距离符合良好,平均测距误差在8%以内.

波导不变量误差对频域β-warping变换及浅海被动测距的影响

频域β-warping变换可将接收信号自相关函数中简正波互相关部分,变为时域上时延随声源距离线性增大的脉冲序列。对信号自相关函数进行β-warping变换需要已知波导不变量值。但是,在实际应用中,很难获得波导不变量的准确值。研究表明,在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,如果估计得到的波导不变量为其真实值的q倍,那么频域β-warping变换后得到的脉冲时延也会变为波导不变量取真实值时的q倍。进一步研究表明,在水平不变浅海波导中采用频域β-warping变换进行被动测距时,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果仍与真实距离符合得较好。

warping变换提取单模态反演海底衰减系数

为了获得浅海海底地声模型参数,利用warping变换方法分离出单模态简正波.对于接收深度固定、定深爆炸声源情况,以简正波理论为基础定义了距离归一化的简正波传播损失,并且其随传播的距离呈线性关系,故可通过此变化规律得到声压值实部的衰减因子,进而可求得海底地声模型参数:海底衰减系数.为验证此方法的有效性,仿真了warping变换提取单模态简正波的过程,同时将warping变换提取的单模态简正波与数值计算的结果进行比较验证;并针对某次黄海试验数据进行了处理,得到在150—550 Hz频带范围内海底衰减随频率的变化规律为α=0.581f_k^(1.86)(dB/m).通过与其他学者在相同海域试验结果的对比验证,变化规律基本相同.此外不同模态间反演相同频点的衰减系数接近也较好地支撑了结果.

浅海波导中折射类简正波的warping变换

Warping变换可以实现单水听器浅海低频声波导的简正波分离.本文讨论了海水声速随深度线性减小浅海波导中折射类简正波的warping变换.理论推导了海水折射类简正波水平波数、频域相位及瞬时相位的表达式,由此提出了相应的时域和频域warping变换算子,并由仿真数据进行了验证.本文的理论推导过程同样适用于海水声速线性增大或海水折射系数的平方随深度线性变化的浅海波导.

Doppler-warping变换及其应用在声学目标运动速度估计

当声源和接收器之间存在相对运动时,接收到的信号会发生多普勒频移,多普勒频移和目标运动参数有关.针对声学多普勒频移问题提出Doppler-warping变换,运用该变换可以实现多普勒信号相位的线性化,推导出warping算子,提出一种利用该变换估计目标运动参数的算法.首先构造不同运动参数下的Doppler-warping算子,再利用算子对接收的时域信号进行时间重采样,然后求出变换之后信号的频谱函数,最后利用频谱函数熵最小来实现目标参数估计.仿真结果证明了该方法的有效性,对于低信噪比的海试数据,渔船真实速度为4.5 m/s,采用传统的最小均方误差(MMSE)速度估计方法得到的结果为5.2 m/s,误差达到15.56%,本文提出的Doppler-warping变换方法较为准确地估计了目标运动速度,估计结果为4.7 m/s,误差为4.44%.

液态半无限海底下典型波导的Warping变换修正

针对Warping变换在非理想波导中的变换效果受海洋环境影响的问题,在传统的Warping变换的基础上,对非理想波导下的Warping变换公式进行修正,使修正后的Warping变换更适用于非理想波导下宽带脉冲声压信号的简正波分离和提取。本文给出了基于海底相移参数P的适用于具有均匀半无限海底的非理想波导的Warping变换修正公式。修正因子只与海底相移参数、海深、海水中平均声速等海洋环境参数有关,与其他海底参数无关,减少了Warping变换的修正难度。与已有的Warping变换修正公式相比,本文提出的对Warping变换的修正方法,所需的环境参数少,在实际应用中计算简单、应用方便,更具有实际应用意义。数值仿真和海上实验数据处理结果证明了该方法的有效性。

利用频域β-warping变换的浅海目标航向估计方法

对于单一静止的观测平台,针对直航运动的目标,提出了一种利用频域β-warping变换的浅海目标航向估计方法.该方法利用频域β-warping变换从简正波互相关项中提取与目标距离呈线性关系的脉冲时延,进而估计距离特征量,并根据几何关系建立了目标航向、目标方位和距离特征量的数学模型,利用渐近无偏最小二乘方法对目标航向进行估计.数值仿真和实验数据处理结果表明:在浅海水平不变波导远场条件下,该方法可以对直航运动的目标进行可靠地航向估计,航向估计性能与观测时间内的平均方位变化率密切相关.

基于Warping变换的槽波频散补偿研究

Warping变换是一种主要应用于水声学中的等价酉变换,用来处理在海洋波导中传播的简正波频散特性,通常是对水声信号在时域上或者频域上按相应特性关系进行重采样处理。该文将Warping变换应用于煤层槽波频散补偿,将煤层信道环境等效为"波导",通过对煤层环境下的Warping变换算子的推导,并将频散雷克子波信号输入到最终得到的Warping函数中,经过仿真发现Warping变换能够有效地消除频散效应对雷克子波造成的频带展宽、相位畸变和振幅衰减等影响,提高信号分辨率和清晰度。

浅海双深度Warping变换融合无源测距

针对浅海环境中利用单深度接收信号自相关函数的Warping变换方法测距时易出现的多值性问题,提出一种双深度Warping变换融合测距方法。该方法将双深度测量场的Warping变换提取结果与具有深度差异的拷贝场本征函数信息融合,判别简正波干涉项模态,提高测距的准确度。此外,针对实际海洋环境中测量场Warping变换特征峰位置难以准确提取的问题,将Warping变换的频率不变性与图像形态学方法结合以增强特征频率结构,提高后续测距的稳健性。海试数据处理结果显示,测距结果与实际距离符合较好,表明所提方法具有实际可行性。

基于Warping变换的波导时频分析

海洋波导的存在使得信号在水中传播过程中产生频散,从而降低了信号处理质量.基于声场的波导不变特性,给出了一种具有普遍意义的Warping变换,这种变换可以将波导中的信号频散特性简单化.数值仿真结果表明,只需要知道波导不变量的取值范围就可以很好地提取出波导的频散曲线,数值仿真和海上实验数据给出了较为理想的结果.

基于几何与图像混合绘制中的快速WARP变换算法研究

基于几何与图像的混合绘制中 ,3D Warp算法以严格的数学变换为基础 ,从而能够保证准确的投影关系 .但该算法在实时绘制阶段需进行大量的数学运算 ,故其时间复杂度较高 .该文提出了一种新的快速 Warp变换算法 ,算法以 3D Warp算法为基础 ,采用了崭新的投影过程 ,从而使时间复杂度较 3D Warp算法有较大幅度的下降(降低约 7.5 1倍 ) .同时 ,该算法是一种流水结构 ,能够有效利用现有的加速硬件 。

基于简正波掠射角的声速剖面反演方法研究

针对浅海宽带信号多途的特点,对多途分离的方法进行了研究,提出了一种基于warping变换的简正波分离和简正波信息提取的方法.随后提出了一种基于射线-简正波理论的利用各阶简正波中不同频点信号到达掠射角进行声速剖面反演的方法,最后通过仿真计算验证本方法可以应用于具有一定时间长度的线性调频发射信号的简正波分离,分离后提取的简正波信号经逆运算还原后与原始信号基本一致,分别对每阶简正波的各个频点到达掠射角进行计算,利用各阶简正波的不同频点到达掠射角建立代价函数,进行声速剖面反演.仿真结果证实了该方法的可行性,并分析了反演精度.

基于模式能量比的海底声衰减系数反演

简正波的分离性能对简正波频散曲线、模式能量比等物理量的提取至关重要,这些物理量可以用来反演海底地声参数.该文分析了短时傅里叶变换和warping变换两种方法在简正波分离上的性能差异,并利用该两种方法提取模式能量比来反演海底声衰减系数.仿真实验和2018年冬季黄海验数据处理表明,warping变换在简正波分离上具有较大的优势,尤其是在近距离接收上.

一种基于单水听器的浅海水下声源被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在群延迟理论的基础上,与warping变换处理相结合,提出了一种适用于浅海波导中宽带声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以实现对脉冲声源接收信号各阶简正波的分离提取,对分离后的简正波进行时频分析处理可以得到各阶简正波到达时刻和频率之间的关系,即各阶简正波的频散曲线,从而得到任意两阶简正波到达接收水听器的时延差.海底相移参数P是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,在海底环境参数未知而P已知的情况下,利用P和简正波水平波数之间的关系可以求得任意两阶简正波的?S_(g,mn)(群慢差).根据群延迟理论,利用得到的任意两阶简正波的时延和?S_(g,mn)可实现利用单水听器对水下声源进行被动测距.本文提出的测距方法测量简单、计算方便,具有较强的实用意义.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.

浅海波导中低频声场干涉简正模态的判别

浅海波导中,低频宽带声场中干涉简正模特性可用于声源定位和环境参数反演,然而实际应用中由于存在声源位置不确知、某些简正模激发较弱、模型参数选取失配等因素的制约,导致干涉简正模阶数的判别存在问题.结合水平线列阵应用,根据阵列接收信号中干涉简正模成分的波束输出角度与距离无关但与干涉简正模阶数和频率相关的波导固有频散特性,提出了一种基于阵元域接收信号自相关函数WARPING变换过滤干涉简正模,进而对其波束输出角度进行模基匹配判别简正模阶数的方法.利用2011年北黄海海域声学实验中坐底布放的32元水平线列阵接收的爆炸声脉冲信号,对方法进行了验证.并由仿真数据分析了声速剖面、海底参数和水深等参数失配及信噪比对方法性能的影响.结果表明水深变化14%以上对干涉简正模波束输出角度的提取值影响最大,可引起方法失效;声速剖面和海底参数在一定失配范围内对方法性能的影响可忽略;方法要求单阵元信噪比大于2 dB.

复杂几何模型的混合绘制算法研究

基于几何与图像的混合建模与绘制是解决复杂几何模型快速绘制的一个有效途径 .提出一种复杂几何模型的混合绘制方法 ,首先给出基于几何投影的 Warp变换公式 ,然后对几何模型进行预绘制 ,得到具有深度的图像 ;依据图像分辨率对该图像进行几何重构 ,得到具有几何拓扑关系的图像模型 ,并对该模型进行进一步修正 ;最后解决了模型的冗余检测问题 .实验结果表明 。

利用气枪声源数据的地声参数反演

该文通过对在东中国海采集的气枪声源数据进行处理,基于地声参数对不同声场观测量的敏感性差异,利用分步反演的策略进行分析。首先选择距离接收阵七个不同的距离点数据,通过 warping变换准确提取第三阶至第八阶简正波的频散曲线;利用海底声速对频散曲线敏感的特性来反演声速;由 Hamilton经验公式求得海底密度;通过传播损失拟合获得海底衰减。不同距离点数据反演的海底声速与密度一致性较高。实验提取的频散曲线和反演参数仿真结果、实验获取的传播损失与反演参数获得的传播损失均拟合较好。

浅海波导中简正波干涉特征频率增强

针对浅海波导中水平线列阵接收的低频宽带低信噪比信号,提出了一种利用多拍信号相干累加来提高干涉简正波特征频谱信噪比的方法。这种方法主要针对未知距离和声源形式的运动声源,对不同时刻(或接收距离)处阵列输出信号进行warping变换,根据干涉简正波的特征频率不变性,通过搜索距离与径向速度的比值来对齐未知距离下warping变换后的谱峰频率,进而通过相干累加来增强信号干涉简正波的特征频率。仿真和海上实验数据分析均验证了方法的性能。

水平变化浅海声波导中模态特征频率与声源距离被动估计

针对水平变化浅海声波导中声源宽容性被动测距问题,理论分析了海底地形水平缓变浅海波导中卷绕变换基础上的低频声场特征频率.推导了绝对硬海底时水平变化波导中声场模态时频到达结构以及模态瞬时相位的表达式,由该表达式给出了特征频率与收发距离的变化关系,进而提出了水平变化浅海波导中声源距离被动估计的修正方法,通过仿真和实验对理论与方法进行了验证.