声矢量阵联合信息处理的信源数估计算法

为了在低信噪比下进行水下信源数的准确估计,将信源数估计算法推广至声矢量阵声压振速联合信息处理。研究了2种联合信息处理方式的原理,针对观测方位固定可能导致某些方位的信号由于空间滤波被滤除,提出一种新的观测方位的选择方法,对方位角进行扫描,取协方差矩阵行列式值的绝对值最大的协方差矩阵对应的方位作为观测方位。理论分析和仿真实验表明:相比于选择固定观测方位,采用新的观测方位选择方法进行联合信息处理的处理增益更大,信源数估计算法可以在更低的信噪比下进行准确估计。

水下声学超表面异常折射方向调控研究

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折射现象,揭示了频率以及声波入射角对声学超表面异常折射现象的影响规律,制备了声学超表面实物在水箱中对理论结果进行验证。结果表明:在入射波频率为基频的整数倍时,超表面模型可以实现折射角相同的异常折射现象,并且入射角在一定范围内可以实现负折射现象。实验测量了水中钢板和超表面的折射情况,相较于均匀介质,在不同入射角度下设计的超表面均可以实现异常折射,并且测量值与理论值吻合较好。

高灵敏度低频振速梯度水听器设计

目前振速梯度水听器存在灵敏度低、频带窄等缺点,限制其在工程上的应用。为解决以上问题,基于电化学换能原理,采用电极微机械加工工艺,设计了一种电化学换能振子,并制成高灵敏度、低频振速梯度水听器。所设计的电化学振子振速灵敏度达到2500 V/(m/s),较动圈振子的振速灵敏度提高了19 dB,工作频带由20 Hz~200 Hz扩展到5 Hz~400 Hz,表明其具备更高的灵敏度和更宽的工作频带。振速梯度水听器在100 Hz~400 Hz频段内进行校准,结果显示纯偏导通道x和y方向的灵敏度以及混合偏导通道的灵敏度均满足每倍频程6 dB增长规律,且分别具有偶极子指向性和四极子指向性。纯偏导通道和混合偏导通道的灵敏度和指向性的测试值与理论值基本一致。

一种低频矢量水听器内嵌式电荷放大器

针对压电式传感器输出阻抗高,需要放大器做好匹配,国外使用了IEPE传感器解决这一问题,但是国内很少将IEPE传感器应用于水听器的问题,本文设计了一种内置于水听器的电路,以达到低输出阻抗且两线制的目的,并开展了电路特性分析和硬件电路的制作,验证了电路传感器性能,得到了电路的放大倍数、幅频特性等数据。实验表明:该电路可以满足一般水听器2Hz~20kHz的使用范围,且内置电路具有两线制、输入阻抗高和输出阻抗低的优点,达到了电路小型化、测试系统简单化的目的,对水听器放大电路设计有参考意义。

一种基于光学的水表面微波跨介质探测方法

水下声信号的传播和探测研究主要集中在散射、反射和传播损失等方面,而对其在水面引起的波动关注较少。本文在理论上推导了在水下平面波入射在水-空气界面激励的水表面微波与声源强度和频率的关系。这种水表面微波的振幅在纳米级别,振动频率和水下平面波的频率相同,在水-空气界面的扩散距离则随频率的升高而强烈衰减。基于水表面微波的特性,结合激光探测的工作原理,设计了一套跨介质水下目标检测系统。并为该系统可能受到的低频海浪噪声干扰和反射干扰提供了应对方式。仿真结果表明:该系统分辨率高,具有隐蔽性、易于维护性、无接触性等特点,对低频声源的检测效果较好。该方法结合了声波在水中和光波在空气中传播各自的优点,有望成为水下目标检测的一种新手段。

基于单元辐射叠加法的水下矩形板声场重建

为解决等效源法在水下结构声源声场重建中存在的虚拟等效源配置位置难以确定、求逆过程中传递矩阵病态性过大的问题,本文提出了基于单元辐射叠加法的水下结构声源声场重建方法。该方法利用结构声源边界元法建模思想与声场波叠加原理,建立了声源表面振动与辐射声场之间的振声传递关系,得到可快速计算的振声传递函数,并利用该函数作为传递算子进行声场重建。通过对矩形板的声场重建仿真,验证了本文方法相比等效点源近场声全息具有更高的重建精度,且具有更大的有效全息距离。通过在不同阵元数、信噪比情况下的仿真分析,进一步证明了本文方法能够改善水下结构声源的声场重建精度。

Janus-Helmholtz换能器的振动模态谐振频率理论分析研究

Janus-Helmholtz换能器利用驱动振子纵向谐振与Helmholtz谐振腔的液腔谐振耦合,具有大功率、宽带声发射特性.传统观点认为导纳曲线中低频谐振峰对应液腔谐振频率,而高频谐振峰对应纵振动谐振频率,然而大量的实验研究发现该结论存疑.本文结合一只Janus-Helmholtz换能器实验样机的实验结果,运用等效电路法结合有限元法分析并求解了驱动振子纵向模态的谐振频率,使用有限元法分析并求解了Helmholtz谐振腔的液腔谐振频率.研究结果表明,与传统观点相反,导纳曲线中第1个谐振峰为驱动振子的纵向谐振,第2个谐振峰为Helmholtz谐振腔的液腔谐振;Janus换能器4个大尺寸辐射面带来的可观辐射质量是造成纵向振动谐振频率在水中大幅度下降的原因;Janus-Helmholtz换能器中存在两个等体积的Helmholtz共振腔而非传统认为的仅存在一个共振腔.这些结论对于正确认识Janus-Helmholtz换能器的结构及性能特性起到了正本清源的作用,也为优化创新该换能器的结构、改善换能器的声发射特性提供了技术支撑.

南海东北部中尺度暖涡对声传播的影响

中尺度涡是引起海洋声速水平非均匀分布以及声传播起伏的主要因素之一,本文研究了南海东北部单个中尺度暖涡的声传播效应。根据暖涡现场观测数据,利用涡旋动力学模型求解流函数,进而获得声速场数据,再结合PE方法计算了中尺度暖涡对声传播的影响,并给出了声源处于不同位置处声传播效应。结果表明:暖涡的存在,改变了声道轴深度,从而对声线传播方向产生影响,暖涡的存在使从暖涡中心出发的声线会聚区宽度减小,汇聚位置前移,暖涡引起的传播损失在有涡和无涡时可以达到30 dB以上。

潜航器水声通信导航定位一体化技术进展

为了改善潜航器通信和导航定位作为独立载荷时在信息交互、带宽利用率、资源限制等方面的劣势,研究了基于水声的通信导航定位一体化技术。借鉴雷达一体化的发展历程;通过梳理水声通信导航定位一体化的研究成果,结合声呐应用背景,分析了声呐一体化的发展趋势;针对潜航器集群中的基础问题,研究了系统结构的一体化和信号体制2个关键点;最后,在潜航器多用户集群编队、水下测控和靶场建设2个方面进行了应用展望。通过分析阐述,可为未来声呐技术向集成化、一体化发展提供新方法和新思路。

声学多普勒测速技术综述

速度信息是实现水下精确自主导航的重要参量之一。本文以海洋声学多普勒测速技术为对象,介绍了其研究现状、关键技术和发展趋势。首先将声学测速技术分为声学相关测速技术和声学多普勒测速技术;在此基础上,总结了声学多普勒测速信号处理方法、技术演化历程和国内外设备发展现状;讨论了声学多普勒测速的波形设计、误差标校、性能评价、系统检测等关键技术;最后对声学多普勒测速技术未来发展进行了展望,梳理了声学环境感知、一体化融合等趋势,为相关研究提供有益的参考和借鉴。

一种水下接收端同步的并发媒体接入控制协议

针对水下声信号的低传播速度导致的时空不确定性问题,能够高效的利用水下声信道的长传播时延的信道预约技术,常被水下传感器网络的媒体接入控制协议的设计所采用,为了探索设计水下传感器网络的高性能媒体接入控制协议,以信道预约技术为基础,提出了一种新型的适用于移动水下传感器网络的,基于接收端同步的并发媒体接入控制协议,即CMACRS(concurrent medium access control based on receiver synchronization),新协议采用信道预约方法,实现了多个发送节点的并发传输。广泛的仿真结果显示,在吞吐量等性能方面,新协议优于非时隙级并发传输的水下媒体接入控制协议。

基于因子图模型的水下传感器网络时间同步方法

为了降低水下传感器时间同步周期长、提高同步效率,本文提出了一种基于因子图模型的水下位置、声速、时延测量值的参数融合方法。该方法在求解系统钟差边缘概率密度函数后,对该函数进行二进制化简,从而快速解算各传感器钟差,实现网络的动态时间统一。试验结果证明:在其动态时间同步准确度高于8×10^(-4) s的前提下,其同步周期仅为现有方法的1/2,并可以在一个周期内完成对整个网络的授时,计算量降低。

气泡软化效应下的非线性声场

为研究气泡的存在对介质中非线性声场的影响,本文利用波动方程和Rayleigh-Plesset方程建立的有限差分和有限体积模型,分别求解了在单频波和双频波激励下含气泡水介质中任意时刻的声压分布。计算表明:在非线性条件下,沿声波传播方向长度为半波长的介质内存在共振频移,即介质发生了软化;含气泡水介质的非线性共振频移与振源的振幅有关,在一定范围内,频移随着振幅的增大而增大;并证明了介质中的软化是由气泡平均体积增大而引起的。本研究为提高参量阵声发射和接收效率等提供了一种思路。

基于海底基准的中远程PNT定位导航技术及验证

针对海底基准中远程声学定位导航的声线翻转修正困难引起的有效声速获取不准和长传播延时引起的静态模型近似误差问题,本文依据射线声学理论和长基线定位原理,研究了一种中远程声学定位导航方法。该方法根据先验深度信息对翻转声线进行声线跟踪修正,并构建目标运动轨迹、速度联合解算模型以补偿静态模型近似误差,实现动态目标中远程高精度定位导航。中远程海底基准系统海上性能验证结果表明:以超短基线定位结果作为外符合真值对系统和本文方法的性能进行评估,目标在距离海底基准20 km处达到了16.87 m的定位精度,满足中远程高精度定位导航需求。

水下振荡涡流场声散射与调制特性

本文针对水下振荡涡流场的声散射与调制问题建立了理论模型。采用间断伽辽金数值方法模拟了水下振荡涡流场对声波的散射与调制作用,研究了不同马赫数、不同涡流场尺度与声波波长的尺度波长比和不同涡流场振荡频率与声波频率的频率比条件下水下振荡涡流场对声场散射与调制特性。研究结果表明:声波经过振荡涡流场会产生散射和调制现象;振荡涡流场对声场的散射和调制作用均随着尺度波长比、马赫数增大而增强;散射和调制作用随着频率比降低而增强,随着频率比的降低,散射和调制作用增强速度变小,直至频率比的改变对声场的散射和调制作用几乎没有影响。水下振荡涡流场的声散射与调制能够使散射声场含有涡流特征信息,对水下目标探测与识别具有重要意义。

基于球面阵的低频噪声源定位识别方法

针对小尺度空心球阵列在低频范围内空间分辨率差及其“零点”位置对应频率定位不稳定问题,本文提出了基于虚拟球面阵的噪声源定位识别方法。在声场重建理论逆问题的基础上研究了虚拟球面阵扩展方法,得到比原有球阵更大孔径的虚拟球阵列;将原始阵列与虚拟阵列组合成双层球面阵,在球谐域中采用“分阶-选择”和“声压-振速”2种联合处理;通过球谐函数展开波束形成算法验证以上虚拟球阵及其与实际球阵联合处理后的噪声源定位识别效果。仿真及试验结果表明:本文方法可有效地获得虚拟大孔径空心球阵列,虚拟阵列及其与实际球阵通过联合处理方式获得的虚拟双层球阵均能够有效提高球阵列的低频空间分辨率,同时也解决了原实际空心球阵列的“零点”问题,提高了噪声源定位识别精度。

深海甚低频声场的空间分布特性研究

深海环境下,甚低频声场的空间分布特性和频率有关,明确其形成的物理机理是进行声呐系统设计、目标定位的基础。本文利用射线-简正波理论,分析了深海中不同频率的声场特性,研究表明:不同频率下波导中占主导地位的模态(声线)能量大小不同,这会导致声传播损失大小随频率变化而变化;不同频率下占主导地位的模态干涉周期(声线水平跨距)不同,这会导致声场的空间分布规律随频率变化而变化;声源深度不同,声场空间分布特性也不同。

应用二维稀疏阵列的三维前视声呐方位估计

针对现有三维前视声呐存在二维方位估计性能差、系统复杂度高的问题,本文提出一种一维和Vernier联合方位估计算法。基于二维稀疏声呐基阵模型,由3个阵元间距互质的均匀线阵构成,因而相比二维面阵,阵元数大大降低;通过引入一维方位估计方法完成空间角预估计以替代直接二维方位估计方案,保证了前视声呐系统具备三维探测及较低计算复杂度的需求;依据子阵间的互质特性,采用Vernier法消除相位模糊;根据三维空间几何关系和最小角定理,完成目标二维方位估计。仿真实验表明:所提出的算法具有较低的计算复杂度,且二维方位估计性能稍优于2D波束形成算法;水池和外场实测数据表明:所提出方法能够准确估计目标在三维空间中的方位,工程实用性强。

基于随机算法的抗混响目标探测方法

为了解决在强混响环境下探测移动目标的问题,本文提出了一种探测方法。该方法利用了多帧数据之间的关联特性,使用随机算法对多帧数据进行线性测量,通过双边投影的方式提取了多帧数据的低秩结构从而抑制了混响,最终实现了对移动目标的探测。数值仿真和实验的结果表明该方法能在强混响的环境下准确地探测到移动目标。与传统方法相比,该方法优势明显,非常适合港口监测等混响环境严重的应用场景。

冰下脉冲噪声特性及信号检测性能分析

针对冰下噪声的显著脉冲特征及其对冰下的探测声呐的干扰的问题,本文采用第8次北极科考声学实验和松花江实验获得的冰下噪声数据,研究其统计特性及对匹配滤波器检测性能的影响。分析了冰下噪声数据的统计特性,采用Alpha稳定分布作为统计模型,通过分数低阶矩法估计噪声数据获得的Alpha稳定分布参数并对噪声数据进行拟合并同高斯分布拟合情况进行对比,采用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法,利用实际冰下噪声数据及仿真数据分析匹配滤波检测性能,结果表明:冰下噪声具有非高斯性,拖尾较重;相比高斯分布,Alpha稳定分布更符合实际冰下噪声统计特性;相同信噪比下,宽带脉冲信号抑制冰下脉冲噪声性能优于窄带脉冲信号,并且不同特征指数α对检测性能有一定的影响。本文的研究结果可为在冰下工作的主动声呐设计及性能预报提供一定的理论依据。