相似网络构建与表征的水下声信号检测

水下声信号检测在海洋防御系统中扮演着不可或缺的角色,同时也广泛应用于民用领域。然而,在没有目标信号先验信息的情况下,目前仍缺乏行之有效的水下声信号检测方法。为此,该文提出了一种新的算法—相似网络,以解决在复杂海洋背景下水下目标检测的难题。该方法结合了信息几何和复杂网络理论,通过将节点相似度度量问题转化为矩阵流形上的几何问题,测量不同时间尺度上数据之间的相似性,并构建时间序列数据的网络表示。同时还引入了图信号处理理论,以提取目标信号内部隐藏的动力学特性,从而实现无目标先验信息下的水下声信号检测。通过对仿真和实测数据的研究验证,证明了该方法的有效性。结果表明,相似网络方法优于现有的网络构建和目标信号被动检测方法,能够更有效地检测水下声信号,实现无目标先验信息下的水下声信号检测。

南海南部海域深海环境噪声统计特性分析

针对海洋噪声对声呐信号处理和声呐性能评估的背景干扰问题,本文分析了南海南部海域夏季和冬季实测深海环境噪声的深度分布、经验拟合和概率密度分布等统计特性;利用参数化模型得到了噪声谱曲线及其与风速、波高、1 kHz谱之间的经验拟合结果;提出了基于Weibull和Burr分布噪声谱级概率密度拟合方法。结果表明:400 Hz以下800 m以浅夏季噪声谱级中值比冬季高约6 dB,低频航船噪声谱级概率密度(PDF)服从Burr分布,高频风关噪声PDF近似服从高斯分布,夏冬两季噪声统计特性差异与中尺度涡旋分布、声信道传播损失和航船噪声源密度密切相关。

基于结构参数变化的封闭空间声场听觉感知变化性研究

封闭空间在现实生活中广泛存在。然而,有关因封闭空间的结构参数(如容积、形状等)改变引发室内声场听觉感知变化性的研究则很少见,尤其缺乏系统深入的量化研究。为此,首先以双耳可听化技术配合室内声场测量,通过对听觉场景的模拟,获取了不同结构参数条件下的封闭空间室内双耳信号若干。随后,借助听音实验,对上述双耳信号开展了空间听觉感知变化性及其变化程度的定量评价研究。研究发现:(1)封闭空间容积、形状、壁面吸声系数的改变均能够引发声场听感变化,按照其变化明显程度(从大到小)排序为:壁面吸声系数、形状、容积;(2)变换听音位置,能够在一定程度上影响因空间容积与形状改变导致的室内声场听感变化性。

基于张量分解的简正波模态参数估计

提出了一种基于张量分解的模态深度函数和模态水平波数(统称模态参数)估计方法,解决了传统子空间方法对模态正交性的依赖。利用经距离补偿后声场的平移不变性,将模态参数估计问题转化为三阶张量的规范多元分解(CPD)问题,分解得到的因子矩阵可用于同时估计模态深度函数和模态水平波数。推导了模态参数估计问题下张量分解的唯一性条件,结果表明该方法可在模态深度函数采样向量线性无关的条件下,使用较少的深度维采样和距离维采样实现模态参数估计。仿真结果还表明该方法在距离采样孔径较小时依然具有较好的估计性能。将该方法应用于SwellEx-96实验数据,得到了与实验海域环境较吻合的模态参数估计结果。仿真和实验数据均验证了该方法的有效性。

一种目标响应自适应的通道可靠性跟踪算法

为解决基于时空正则项的目标跟踪算法(STRCF)在目标短时遮挡时定位精度低和目标旋转时尺度估计不准确的问题,该文提出了一种目标响应自适应的通道可靠性跟踪算法。该算法在目标模型训练时加入了目标响应正则项,通过在求解过程中更新理想目标响应函数,使得目标被短时遮挡后可重新跟踪目标;加入通道可靠性评价各特征通道的可靠性,提高了模型对目标的表达能力;将目标图像转换至对数极坐标系下训练尺度滤波器,提高在目标旋转时的尺度估计精度。实验结果表明,该文所提算法较STRCF在平均中心位置误差中降低了28.54个像素,在平均重叠率中提高了22.8%,在OTB2015数据集下成功率曲线下面积较STRCF提高了1.5%。

波束形成后多干扰抵消方法

为解决常规波束形成后干扰抵消方法仅能从目标波束内消除一个干扰影响的局限性,提出了一种可实现多干扰抑制的波束形成后干扰抵消方法,用于解决多干扰条件下的弱目标波束形成问题.该方法通过最小化多个干扰波束对目标波束的影响,获得用于抵消干扰波束的加权值;然后从目标波束中减去加权后的干扰波束,从而获得抑制干扰后的目标波束。该方法继承了常规波束形成方法的稳健性,因此在阵列流型失配等存在误差的条件下可以用于目标波束形成。仿真和海上实验数据表明,与最小方差无失真响应方法和解卷积的常规波束形成方法相比,该方法可以有效抑制干扰的影响,且当目标与任一干扰方位相近时,其方位谱中可以观察到目标波束,而另外两种方法的目标波束均被干扰波束或其旁瓣所掩盖;与设置凹槽的波束图综合方法相比,该方法算法复杂度低,计算速度快,稳健性更好。

等声速环境中目标前向声散射简正波耦合的垂直阵空域响应特征

水下目标的前向声散射会引起声波传播过程中的简正波耦合效应,使得接收声场结构发生变化,研究目标前向散射引起的垂直阵列上空域响应变化特征,可实现对直达波强干扰背景下的前向散射检测。通过将垂直阵波束形成技术分别用于信道中目标散射场理论模型计算数据和湖上实验验证数据,分析了等声速环境中目标前向声散射简正波耦合的垂直阵空域响应特征。结果表明,目标靠近接收端时前向散射引起的声波垂直达到结构与无目标时相比差异显著,高阶简正波向低阶简正波转化导致信号到达时延宽度展宽,采用指向水平方向的窄波束可显著提取目标前向散射引起的接收声波变化特征。

一种基于广义Duffing振子的水中弱目标检测方法

海洋环境中,在水下目标的线谱频率未知或者目标辐射噪声的连续谱很弱时,很难实现水中弱目标的准确检测,本文提出基于广义Duffing振子检测系统的水下目标辐射噪声检测方法.通过对传统周期扰动的Duffing振子信号检测系统的分析和推广,提出了一种可输入非周期、非平稳信号的广义Duffing振子检测系统,可检测输入的无先验信息目标信号.为实现广义Duffing振子系统运动状态的精确、有效判断,提出了一种相空间图形的离散分布列计算方法,通过类网格函数实现了利用统计复杂度对系统输出的嵌入式表征,从而实现了无先验信息时的水中弱目标的嵌入式检测.相同条件下与传统检测方法仿真对比可知,本文提出的方法可以检测到更低信噪比下的目标,并能满足水中检测实时性要求.

深海甚低频水声与地震波场的联合探测试验

为我国深海水中兵器甚低频声场与地震波场联合引信技术提供可行性依据,设计并研制了深海自容式三分量地震波传感系统,利用深海坐底潜标搭载在我国南海海域(布深1825 m)开展了实船目标特性感知试验。通过设置走航测线,获取了目标深海甚低频水声场与地震波场实测数据,对比分析结果表明了舰船甚低频水声场与地震波场对目标探测的贡献具有共性与差异性。水声场因包含更丰富的周期窄带信息而更具主导性,而地震波场用于检测目标近场通过时明显优于水声场,甚至存在水声场无法感知的独特谱线,对三分量地震波场的实船噪声包络解调分析亦表明其用于感知螺旋桨轴频和叶频关键特征的优势。鉴于此,联合舰船甚低频水声场与地震波场对水中兵器探测目标、抗扫、抗诱骗等具有积极作用,发展深海甚低频联合引信技术是必要且可行的。

环境扰动约束下的稀疏贝叶斯定位方法

针对匹配场被动定位技术对海洋环境扰动敏感的问题,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法。该方法通过分析环境扰动情况下的声场构成,建立了海洋环境扰动模型,同时结合水下定位问题的稀疏性,将匹配场被动定位问题表述为稀疏信号重构问题。然后,使用稀疏贝叶斯学习方法迭代更新目标位置及模型失配权向量,收敛至最优稀疏解作为目标定位结果。最后使用仿真数据和北厄尔巴岛的海试数据对算法进行了验证,仿真和实验结果表明:该算法在海洋环境模型失配情况下也能够准确定位,且能分辨水平间距为100 m的两个目标。因此,基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法能够有效利用海洋环境扰动声场结构和水下定位稀疏特性,以增强匹配场处理的稳健性和定位精度,并且具有应对多源定位问题的能力。

解卷积的多重信号分类算法方位谱低背景处理方法

针对信噪比较低时,多重信号分类（Multiple Signal Classification,MUSIC）算法方位谱背景级较高的问题,提出了一种解卷积的MUSIC方位估计算法（Deconvolvecd MUSIC,D-MUSIC）。该方法用一个类似冲激函数作为MUSIC算法输出方位谱的点散射函数（Point Scattering Function,PSF）,然后基于解卷积图像复原理论,利用该点散射函数和RichardsonLucy（R-L）迭代算法对MUSIC算法的方位谱进行解卷积,获得D-MUSIC算法的方位谱,达到降低方位谱背景级的目的。仿真表明,该方法继承了MUSIC算法的高分辨性能,且可以明显降低方位谱的背景级,具有较好的方位估计性能。对南海海上试验的水平阵数据进行处理,分析比较了利用MUSIC算法和解卷积MUSIC算法获得的方位谱时间历程图,分析结果有效验证了D-MUSIC算法性能的优越性。

基于多途信道的舰船辐射噪声功率谱密度估计

针对低信噪比下利用单水听器估计辐射噪声功率谱密度精度较差的问题,提出一种基于多途信道传输函数估计的垂直阵测量估计1 m处舰船辐射噪声功率谱密度的方法。该方法将信道传输函数表示为多途路径近场阵列流形向量的叠加,较快地估计了信道传输函数,将其用于舰船辐射噪声功率谱密度估计,可较简便地估计距声中心1 m处辐射噪声的功率谱密度,即谱源级。分析了产生功率谱密度估计误差的原因,包括信道估计误差和环境噪声引起的误差,为降低估计误差提供了理论依据。仿真结果表明,该方法估计1 m处辐射噪声功率谱密度的性能良好。

基于RPCA的小孔径垂直阵辐射噪声测量方法

测量辐射噪声时,小孔径垂直阵由于阵增益小,低信噪比时辐射噪声测量的性能较差。针对这一问题,本文提出一种低信噪比下基于稳健主成分分析的小孔径垂直阵辐射噪声测量方法。当阵元接收的环境噪声以非相关噪声为主时,本方法通过稳健主成分分析将数据协方差矩阵分解成低秩的信号协方差矩阵和稀疏的噪声协方差矩阵,再通过信号协方差矩阵计算辐射信号的声源级,降低了环境噪声的影响。数值仿真结果表明:当快拍数足够大时,稳健主成分分析方法可以完全消除非相关噪声分量,而即使快拍数较少,使用稳健主成分分析方法也能消除部分环境噪声,因此使用稳健主成分分析的辐射噪声测量方法比直接进行测量性能更好。

蒸发波导环境下风浪对电磁波传播影响的数值模拟研究

蒸发波导是一种特殊的大气波导,在其中传播的电磁波信号会被陷获在近海大气层中,实现超视距传播。受海表面温度、湿度、风速、微波频率等因素的影响,海洋蒸发波导环境中的微波传播特性起伏变化很大,规律十分复杂。以往的工作主要通过计算这些气象因素对蒸发波导条件下大气折射率剖面的影响来分析它们对路径损失的作用,其结果与实验数据仍有较大差异。本文在一定的蒸发波导条件下,利用一维分形海面模型产生海面“地形”,将其作为抛物方程电磁波传播模型的边界条件进行计算,得到相应的路径损失,并与传统计算方法进行对比,分析了不同蒸发波导高度、不同频率及不同接收天线高度时的数值模拟情况,可为舰艇通信系统或者雷达系统的设计提供相应的依据。

非均匀海水中水平电偶极子在空气中产生的电磁场

为了提高海水分层媒质中电磁场计算的准确性和电磁波传播性能评估的可靠性,构建了变电导率海水中水平电偶极子在空气中辐射电磁场的模型,本文提出了利用直接全局矩阵对电磁场进行求解的方法,评估了直接全局矩阵和广义反射矩阵的稳定性和计算误差来源。结果表明:利用直接全局矩阵对跨介质电磁场分量求解能有效避免误差的逐层累积,提高了真实海洋环境中电磁场计算的稳定性和准确度。

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。

深海声传播信道和目标被动定位研究现状

随着我国海洋技术逐渐从近浅海向深远海的战略性转移,深海目标远程探测技术逐渐受到重视。海洋中目前已知的可用于远距离传播的信号是声信号,海洋是"声透明"的。基于水声传播特性的新型水声技术是实现装备探测能力突破的关键。文章主要概述了目前研究比较集中的深海表面波导、表面波导泄露、会聚区、海底弹射和可靠声路径5种深海声传播信道,以及基于可靠声路径的目标被动定位方法。旨在通过梳理深海声传播规律及相关被动定位技术,为水声技术的快速发展提供思路。