一种应用于甚低频驻波管的发射换能器设计

利用薄板振动理论设计制作了一个以薄板作为辐射面的发射换能器,该发射换能器在甚低频驻波管的应用,解决了压电式发射换能器在驻波管内辐射声场在100 Hz以下信噪比太低,无法对低频矢量水听器进行测量的问题。     

单矢量水听器的高分辨方位估计应用研究

为了提高单矢量水听器的目标分辨能力,将MUSIC算法用于单矢量水听器方位估计.根据单矢量水听器的阵列流型特点,将子空间分解理论应用到单矢量水听器方位估计上,实现了单个矢量水听器的高分辨方位估计.根据应用中出现的问题,对算法进行改进.计算机仿真结果表明,在无需知道信号先验信息条件下,该算法依靠单个矢量水听器便可实现窄带信...     

矢量水听器在水雷上的应用研究

矢量水听器在水雷上的应用有利于提高水雷武器的目标检测能力,进而提高其生命力与战斗力。通过对同振式矢量水听器悬挂系统的分析,给出了悬挂系统各向同性的基本要求。结合水雷武器的应用特点,研究了一种中心固定式悬挂系统设计方案,并给出对应的新型同振式矢量水听器的设计方案,通过建立简化通道的等效电路模型,分析了该型水听器的基本性能。仿真结果表明,在工作频带内这种矢量水听器能够进行准确的声场信息测量。     

基于甚低频声干涉结构的目标径向运动速度估计

为探测安静型潜艇,宜利用其50Hz以下的共振线谱声辐射。采用双水听器声压互谱无功分量和单矢量传感器垂直复声强有功分量2种时空变换获得了线谱声场较简明的干涉结构。以此为物理基础,利用建模或有效深度近似模型预报水平相干距离,并基于干涉结构测量目标渡越一个水平相干距离尺度的时间,实现对目标径向运动速度的估计。仿真研究表明:声速剖面、海底存在吸收和存在剪切波等方面不影响干涉结构的周期变化,验证了甚低频声场稳定的相干性;建模及有效深度近似2种方法均能获得足够精度的径向运动速度估计。     

面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器

针对水下声学滑翔机样机研制对小尺寸、耐压复合同振式矢量水听器的迫切需求,设计面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器。根据矢量水听器工作原理,对其声压通道和矢量通道进行声学设计;仿真分析压电陶瓷元件和薄壁铝合金壳体耐压特性,完成矢量水听器整体结构设计与制作;进行矢量水听器耐压能力及电声参数测试,将该水听器集成应用于水下声学滑翔机。在南海某海域开展海上试验,采集100~3 000 Hz范围内水下声场信息,给出不同频点噪声级随时间的变化曲线,且得到了水面航船经过时不同频点的噪声级变化。结果表明,矢量水听器在1 200 m深处可靠工作,设计的矢量水听器满足水下声学滑翔机样机研制应用需求。     

基于仿生学算法的单矢量水听器DOA

由于矢量水听器可以同时获得声场中的声压和质点振速信息,所以利用矢量水听器的组合指向性,可以有效地抑制噪声干扰,提高信号增益。将单矢量水听器的声压与质点振速信息构成传感器阵列,根据平面波声场模型,按照阵列信号处理的原理对其输出的标量场和矢量场信息进行联合处理,即可实现目标方位估计。根据单矢量水听器MUSIC算法的定向原理,建立适应度函数,利用仿生学算法——粒子群算法对单矢量水听器方位估计算法进行优化。     

矢量水听器相关性噪声的数值仿真方法

矢量水听器阵列优化设计、性能分析和信号处理系统仿真中,需要知道阵列输出噪声的协方差矩阵等信息。分析了各向同性噪声场中矢量水听器的相关性,得出了矢量水听器的自相关和互相关函数的一般表达式。结合概率分析,给出了一种简单的各向同性噪声场的数值仿真方法。仿真结果表明,文中所给方法产生的矢量水听器噪声的相关性与理论值吻合良好,可为矢量水听器阵列的优化设计和矢量阵列信号处理系统的仿真分析提供准确的数值噪声。     

基于MUSIC算法的单矢量水听器方位估计

由于单个声压水听器无指向性,不能用来估计目标的方位,因此提出了一种基于单个矢量水听器的高分辨MUSIC算法。该矢量水听器由3个空间轴向垂直的振速水听器和1个声压水听器构成,充分利用矢量水听器的阵列流形特性,按照阵列信号处理的原理对其输出的标量场和矢量场信息进行联合处理,构造了单矢量水听器MUSIC算法。仿真结果显示,将MUSIC算法应用于单矢量水听器可以得到比Capon算法更尖锐的指向性波束,更低的旁瓣,大大提高了对目标的分辨能力,在高信噪比条件下能实现对目标高分辨的方位估计。     

单压差型矢量水听器方位估计的优化研究

针对压差型矢量水听器的直径波长比大于0.2时,利用它进行方位估计性能恶化的问题,提出一种修正的单个压差型矢量水听器多重信号分类（MUSIC）算法。修正方法通过修正压差型矢量水听器的阵列流型,提高了单个压差型矢量水听器MUSIC算法方位估计的估计精度,且在直径波长比大于0.2时依然保持较好的估计精度和稳健性。仿真结果表明,单个矢量水听器MUSIC算法相对于声强法在低信噪比时具有更好的方位估计性能,修正的压差型矢量水听器MUSIC算法在直径波长比大于0.2时依然具有良好的估计性能。湖上试验的数据处理结果进一步验证了单个压差型矢量水听器的修正MUSIC方位估计方法在实际系统中是有效的,且其估计性能优于原MUSIC方法。针对压差型矢量水听器的直径波长比大于0.2时,利用它进行方位估计性能恶化的问题,提出一种修正的单个压差型矢量水听器多重信号分类（MUSIC）算法。修正方法通过修正压差型矢量水听器的阵列流型,提高了单个压差型矢量水听器MUSIC算法方位估计的估计精度,且在直径波长比大于0.2时依然保持较好的估计精度和稳健性。仿真结果表明,单个矢量水听器MUSIC算法相对于声强法在低信噪比时具有更好的方位估计性能,修正的压差型矢量水听器MUSIC算法在直径波长比大于0.2时依然具有良好的估计性能。湖上试验的数据处理结果进一步验证了单个压差型矢量水听器的修正MUSIC方位估计方法在实际系统中是有效的,且其估计性能优于原MUSIC方法。     

二维矢量水听器及其在Argo浮标平台上的应用技术

传统同振式矢量水听器在水下缓动声纳平台应用时,自身姿态变化难以准确测量,导致目标测向精度低,为此开展了二维复合同振式矢量水听器研究。分析二维矢量水听器姿态实时测量与校正原理,选取微机电系统姿态传感器作为姿态感知器件,设计具备姿态测量功能的二维复合同振式矢量水听器,并实现其在Argo浮标平台的集成应用。海上试验结果表明：同振式矢量水听器可在10~3000Hz范围内采集声场信息,矢量通道具有余弦指向性,在1 kHz频点处灵敏度为-179.5 dB （0 dB参考值为1 V/μPa),声压通道灵敏度级为-191.5 dB±0.5 dB(0 dB参数值为1 V/μPa), 具备姿态测量功能;同振式矢量水听器应用于浮标平台进行海洋环境噪声与水中目标同步监测技术可行,为其在水下缓动声纳平台工程化应用奠定了基础。     

单矢量水听器时空变换技术研究

提出了一种基于单矢量水听器的信号处理新技术。方法通过对单矢量水听器各通道时域采样数据进行分解,将单矢量水听器等效虚拟为具有空间孔径的半波均匀直线阵。与单矢量水听器相比,虚拟后的阵列具有更窄的空域指向性波束。利用虚拟阵列的快拍数据可完成对空间目标方位估计,且可对宽带和窄带信号在频率或时域进行处理。新方法无需进行阵列流型的校正,因而具有更强的鲁棒性。理论分析和计算机仿真表明,在各向同性噪声场中,对于窄带或宽带目标,新方法具有比单矢量水听器MUSIC算法更好的方位估计性能。湖上试验验证了算法的有效性。     

一种新型的MEMS单矢量水听器研究

依据压阻效应原理，利用微电子机械系统( MEMS)制作技术设计并制作出一种新型的水声接收换能器-MEMS单矢量水听器，期望利用敏感材料的压阻效应以及水听器精巧的微结构，实现矢量水听器的低频特性和小型化。通过有限元软件ANSYS对水听器微结构进行了静态仿真，利用MEMS微机械加工工艺制作出水听器微结构并对水听器进行了封装，采用振动台标定和水下驻波场测试相结合的方法完成了水听器的测试。测试结果表明：结合压阻效应原理和MEMS技术制作矢量水听器具有可行性。该水听器不但体积小、质量轻、结构简单，而且具有“8”字型的指向特性，单个水听嚣就能对水下水平面内的声源目标进行定向探测。     

采用等距ニ元矢量水听器直线阵的ニ维波达方向估计

为了减小传统四元矢量水听器阵的尺寸和减少冗余阵元，提出了采用等距二元矢量水听器直线阵的二维波达方向( DOA)估计方法。每个阵元（矢量水听器）由空间共点的一个声压水听器和一个振速水听器构成。其中声压水听器阵可以被划分为2个子阵，它们构成旋转对，旋转因子为包含某一轴方向余弦信息的相位延迟因子。振速水听器阵可以被划分为2个子阵，它与声压水听器阵构成旋转对，旋转因子为另一轴方向余弦。基于旋转子空间不变法( ESPRIT)的思想，采用并行总体最小二乘(TLS)矩阵束方法实现对旋转因子的估计和自动配对，从而实现二维DOA佶计。计算机仿真实验结果证明了该方法的有效性。     

四元数模型声矢量阵子空间旋转不变方位估计

传统的声矢量阵子空间旋转不变(ESPRIT)方位估计算法没有利用矢量水听器各输出分量之间的正交特性,对相关声源的估计精度和分辨能力较差,针对此问题,提出了一种基于四元数的二维声矢量阵EP-SIRT算法。首先将矢量水听器的声压和振速输出表示为四元数形式;然后将传统的ESPRIT算法推广至四元数数域,得到目标的方位估计结果。对算法的运算量和方位估计性能进行的仿真说明:与传统的EPSIRT算法相比,四元数域EPSIRT算法运算复杂度更低,对相干信号的估计精度和空间分辨能力更强。     

单矢量水听器的MVDR波束形成性能研究

矢量水听器利用MVDR波束形成器可以对目标信号进行波达方向估计，对三维矢量水听器和二维矢量水听器的MVDR波束形成器的性能进行分析研究。结果表明：三维矢量水听器的MVDR波束形成性能较好，而当干扰信号远小于环境噪声时，二维矢量水听器MVDR波束形成对在水平方向上的目标信号有很高的分辨率。     

同振式矢量水听器耐压球壳优化设计

针对深水矢量水听器的结构耐压问题,推导外压球壳最大应力公式,分析同振式球形矢量水听器的材料和尺寸对其声学性能和耐压性能的影响。基于此,给出一种最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法。从典型深海工程材料中优选7075T6铝合金材料,设计、制作一型设计耐压深度3 000 m的同振式球形矢量水听器。对该水听器耐压结构进行了有限元仿真,并对其灵敏度、指向性和耐压能力进行了测试。结果表明：该矢量水听器具有良好的余弦指向性,500 Hz处灵敏度为-188 dB, 能够耐受37.5 MPa外压;最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法及工程样机设计方案是合理和可行的。