索引调制在水声通信中的应用及其研究进展

水声通信系统具有带宽受限和功率受限的显著特点。索引调制(Index Modulation,IM)技术在提高频谱效率、能源效率以及降低系统复杂度方面展现出了巨大潜力。因此,在过去的几年中,索引调制技术在水声通信中得到了广泛的应用,引起了国内外学者的普遍关注,有望成为高速水声通信系统的一个极具潜能的候选方案。文章聚焦于索引调制相关技术在水声通信中的应用,并对其性能进行分析,总结其研究进展。

基于地声模型的浅海混响地声反演研究

利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数.混响形成过程中声波多次与海底发生相互作用,因此海底参数之间以及它们与海底散射常数之间的耦合非常严重,未知参数之间的耦合使得常规地声反演方法很难获得海底参数.文中首先利用相对混响强度消除了混响数据中的海底散射常数项,然后利用Hamilton地声模型,分别将海底声速、密度和衰减系数表示成孔隙率的函数,采用自适应下山模拟退火混合反演算法,对单个未知数(孔隙率)进行反演,最后再分别获得海底参数和海底反向散射常数.理论分析和数值模拟表明,该方法可以快速准确获得海底参数,同时具有很好的抗噪声干扰能力.

基于支持向量机的船舶操纵运动黑箱建模

根据船舶自航模15°/5°Z形试验结果,应用最小二乘支持向量机对船舶操纵运动进行了黑箱建模,针对支持向量机参数选择的不确定性,使用网格搜索法进行了参数寻优;应用所建立的支持向量机回归模型对该自航模的10°/1°,25°/5°Z形试验及35°回转试验进行了操纵运动预报.预报结果同试验结果相比吻合良好,证明了支持向量机应用于船舶操纵运动黑箱建模的有效性,以及网格搜索法在支持向量机参数寻优中的可行性.

黄海内潮特征及对声传播的影响分析

针对夏季黄海内潮活动对水声信道的影响问题,提出了将表面潮流研究的最小二乘调和分析方法应用于黄海潮周期内波(内潮)的建模研究,并结合"三层介质的海洋结构模型"建立了黄海内潮满足的频散方程、群速度以及相速度表示.在此基础上数值分析了试验海区内潮对声传播影响的统计特征.研究结果表明,文中给出的内潮模型与观测数据相当吻合,并由此获得了黄海内潮的主要特征:海区潮周期内波占统治地位,M2内潮是造成等温线波动的主要因素;实测内潮位移在深度上的分布与其一阶简正模式相吻合;测量时间内,内潮的时间相关系数大于95%.

海面风浪影响下的浅海声传播预报方法

为了分析高海况条件下水下声场时空特性,本文提出了一种能够同时考虑粗糙海面和气泡混合层影响的水下声场计算方法。结合风浪谱理论和HN气泡群理论,采用蒙特卡洛方法对一维起伏海面进行仿真建模,利用起伏海面下的Ramsurf声传播模型仿真了不同海面风速下的声传播损失,并通过递归方法求解了考虑近海面气泡层因素的海面反射系数及海面反射损失。仿真发现:在浅海典型的负梯度环境中,起伏海面和气泡混合层对风浪搅动形成的近海面等温层中的声传播影响较大,对远离海面的深处负梯度层中的声传播则影响相对较小。另外在小掠射角下,当风速为10 m/s、频率大于2000 Hz时,气泡混合层对海面反射损失的影响不容忽视。

利用混合图像处理方法提取浅层海底沉积层等效分层结构

海底沉积层分层结构对水下声传播有显著的影响。浅地层剖面仪是获取浅层海底的沉积层等效分层结构的一种高效手段,但是其输出数据易受环境影响且依赖人工识别。为提取沉积层分层结构,本文提出了一种自动提取沉积层等效分层界面的混合图像处理方法。该方法综合统计增强、多尺度线条滤波和二维小波变换的图像处理技术,有效抑制随机噪声和垂直干扰,增强分层区域的能量对比度,提高界面提取的准确度;结合二值化处理和深度错位相减的方法,可以得到沉积层等效分层结构参数。海上实验数据处理结果表明:该方法可以自动提取沉积层等效分层界面,不依赖于人工识别,且在几种典型沉积层分层环境下均能准确提取,具有很好的环境适应性。

浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化

在浅海,尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导,海底界面反向散射是浅海混响的主要来源.经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性,而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷,但同时也引入了其受地声模型约束的问题.本文结合了海底反射系数的三参数模型,对浅海远场海底反向散射模型进行了简化,以减少地声模型的输入参数.理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用,无需任何海底地声参数的先验知识.通过对海底反向散射模型近似简化,结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同:在临界角附近,海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关;对于甚小掠射角,海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关,其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.

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.

一种吞吐量稳定能量节省的MAC协议

数据链路层协议是水声通信网研究的一个重要内容。海洋水声信道的传输条件十分恶劣,是一个随时空频变、强多径干扰、长传输时延、高环境噪声、可用带宽非常有限的信道。传统的无线电网络协议不能直接应用于水声环境中。T-Lohi是为分布式、短距离、密集型网络设计的一种数据链路层协议。它采用唤醒信号来进行信道的预约,防止数据的碰撞。理论分析和仿真结果表明,对于分布式、短距离、密集型网络,T-Lohi能提供吞吐量稳定、能量利用率高的网络服务。

负梯度水文环境下海山对声传播的影响

利用一次南海海山环境下的声传播实验数据,研究了负梯度水文环境下海底山对声传播的影响。针对实验数据中的传播损失异常,从射线声学角度给出了合理的解释,表明海底山的存在引起传播损失在距离上剧烈波动。在距离接收阵较近的7.6 km处,声源位于海山斜坡上,斜坡的反射使接收传播损失减小约8 dB,体现出斜坡增强特征。当声源位于海山后,海底山的遮蔽作用使23.8 km处的传播损失增加超过20 dB,不同位置处海山遮蔽效应的差异使传播损失随距离起伏。利用抛物模型对实验环境下的声传播进行了定量仿真,仿真传播损失同实验结果符合,验证了实验数据中海底山的反射和遮蔽作用。此外,对实验环境下海山的遮蔽损失进行分析,发现在不同声源位置处,海山遮蔽损失在特定频带上同频率对数具有线性关系。

岛礁区域斜坡地形对深海环境噪声级深度分布的影响

考虑岛礁区域斜坡地形的影响,从理论上分析了南海深海区域噪声级随深度增加而变大的现象。南海北部深海区域环境噪声测量实验表明:大部分时间内噪声谱级随深度变化较小(160～800 m),但是在一些时间里,噪声谱级会出现随深度增加而变大的现象。考虑南海岛礁区域斜坡地形对声传播的影响,建立了南海深海区域的环境噪声模型,当航船经过岛礁附近时,航船噪声由于岛礁附近斜坡地形的作用进入深海声道,使远距离噪声谱级随深度增加而变大。利用模型计算噪声谱级随深度的分布,结果与实验数据符合较好。验证了南海深海区域噪声在岛礁斜坡地形影响下的复杂的变化特性。

海豚Whistles为信息载体的正交频分复用循环移位键控扩频伪装水声通信

提出一种伪装水声通信调制方法,将原始海豚whistles信号表示为以自身DFT系数为数据符号的正交频分复用（OFDM）块,采用m序列对OFDM块中的子载波幅度进行指数调制实现正交频分复用循环移位键控（OFDM-CSK）扩频调制,分别采用PEAQ算法与相关系数计算听觉与波形相似度,作为两个客观评价结果约束OFDM子载波幅度的修改程度,保证伪装的效果。提出匹配滤波与正交匹配追踪结合的自同步算法,使伪装通信信号帧结构的设计保持原始whistles叫声的模式,提高了伪装的效果。通过CSK扩频技术很大程度地提高系统的频带利用率且通过垂直阵虚拟时间反转信道均衡技术提高了通信系统的稳健性。海上试验验证了伪装通信方法的可行性。

海面波浪对海洋环境噪声垂直空间相关性的影响

研究了由海浪谱导得的噪声源的相关函数对海洋环境噪声垂直空间相关性的影响。常用的海洋环境噪声空间相关性模型一般假设海面噪声源是非相关的,这种假设可以解释一些物理现象,但是与真实情况并不符合。考虑到风成噪声与海浪运动的相关性,引入海浪谱,得到噪声源的相关函数,利用Kuperman-Ingenito (K/I)噪声模型,计算海洋环境噪声的垂直相关性。通过仿真结果与实验数据对比可以看出,在高风速下,假设噪声源不相关时计算得到的噪声场垂直相关性与实验结果相差较大,而利用由海浪谱导得的噪声源的相关函数计算得到的噪声场的垂直相关性与实验结果符合较好。

浅海海底反射系数幅值参数的反演

理论分析了一种通过混响强度衰减特性获取海底反射系数的幅值参数的方法.将海底反射系数的幅值参数和相位参数引入到全波动混响模型中,为海底反射系数的反演提供理论基础。理论分析和数值仿真表明,在小掠射角条件下,利用混响强度衰减特性反演海底反射系数幅值参数的可行性和准确性。该反演方法只需要输入4个变量:本地混响强度的衰减特性,反射系数的相位参数,海深以及海深处的声速,同时要求混响数据具有一定的混响噪声比(大于6 dB)才能够使反演结果准确可信。根据本地静态混响实验数据成功反演得到海底反射系数的幅值参数.

采用系统函数分析换能器阻抗测量方法的性能

在分析传统三电压法测量阻抗优缺点的基础上,提出了一种发射换能器阻抗测量方法,以解决海上单模激发现场检修发射相控阵一致性的难题。该方法仍利用三电压法电路结构,但修改了测量参数。首先介绍了基于系统函数的换能器阻抗测量方法的原理,然后报道了当串联电阻选取不同数值时换能器阻抗测量的结果以及它们与高精度阻抗分析仪测量结果的比较,最后进行误差分析和测量曲线的等效电路参数拟合。通过对它的性能分析可以看到,在保证采样精度条件下,选择阻值相对换能器阻抗偏小的电阻值,其测量精度完全能达到高精度阻抗分析仪的精度。最后,通过对实验测量阻抗曲线的等效电路参数的最小二乘拟合表明,其拟合电参数准确,能应用到换能器匹配网络的设计。

利用简正模态相位关系的浅海声源深度分辨方法

针对浅海波导声源深度分辨问题,本文提出了一种利用简正波的相位关系进行声源深度分辨的方法。该方法通过对垂直阵接收到的信号进行简正波分解,得到简正波系数,在已知声源距离的情况下通过对简正波系数项的处理得到各阶简正波的相位关系,根据相位关系估计声源的深度区间。该方法在阵元数较少时依然可以分辨声源深度,而且对宽带信号、窄带信号、连续信号和脉冲信号均适用。理论分析和数值仿真的结果说明:只有近水面处声源激发的简正波满足相位一致的特性,利用此特性可分辨水面水下目标。仿真和海试结果证明:在海水声速随深度不变或缓变的水文环境下,该方法可以准确的分辨声源深度区间,并且在深度采样不充分的情况下仍然适用。

集合卡尔曼滤波在时变声速剖面追踪中的性能分析

对集合卡尔曼滤波在时变海洋环境下的声速剖面追踪性能进行了分析。将南海实验背景下普林斯顿海洋模型预报的声速剖面正交分解为3阶系数组成的状态-空间形式,其状态转移方程建模为3阶自回归过程;基于卡尔曼反馈理论,利用适合于水平非均匀模型RAM仿真的观测声压场对系统状态进行校正,实现声速剖面的动态追踪。在水平均匀、水平非均匀和海底参数失配环境下的仿真结果均能较好地实现对声速剖面的追踪,验证了算法的可行性。同时对不同信噪比、粒子数、阵元数和海底参数失配等情况下的分析表明,观测信息量的增加可以有效抑制观测误差和模型误差的影响,相关结论得到了实验数据的验证。