浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。     

浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。      

利用波导不变性提高声场的水平纵向相关

简正波干涉可以引起声场的水平纵向相关下降,从而降低大孔径阵列信号处理的增益。基于声场的波导不变性,提出了信道中具有一定纵向间隔的两点的频率响应函数之间的线性相位关系。利用该线性相位关系,提出了一种适用于声源频谱缓变条件下提高声场水平纵向相关的频移补偿方法。浅海声学实验结果表明,该方法能使实验中水平阵接收信号的空间相关得到显著提高。     

浅海低频长线阵声源方位估计*

浅海大孔径水平阵信号估计近端射的低频声源方位时, 常规波束形成会产生明显的波束偏移和分裂现象, 从而造成单声源方位估计偏差。针对这一问题, 提出一种基于块稀疏压缩感知的声源方位估计方法。根据简正模理论, 将水平阵接收声场表示为方位角空间的块稀疏信号模型, 并通过块正交匹配追踪算法进行方位估计。仿真和2011年北黄海实验数据结果表明所提块正交匹配追踪方法可实现浅海波导环境下低频近端射的单个声源方位的准确估计。     

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.     

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,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,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。      

用于浅海有源声呐目标深度估计的匹配相位处理EI北大核心CSCD

针对浅海波导中有源声呐目标深度估计问题,提出了通过单个声源发射低频宽带信号,垂直双接收水听器接收目标回波,利用宽带目标回波比值的相位特征进行匹配相位处理的方法,不仅消除了目标散射特性对有源声呐目标深度估计的影响,而且仅需计算单程的信道传递函数,运算量小,有利于实时处理的实现需求。首先通过理论推导,定义了一个隐含目标深度、且与目标散射特性无关的声场特征——单程传播向量宽带干涉结构,在Pekeris波导条件下仿真分析了简正波阶数与单程传播向量宽带干涉结构的幅度和相位的关系,发现选取较多的简正波阶数贡献的单程传播向量宽带干涉结构进行匹配相位处理可以提高目标深度估计的性能。进一步仿真分析表明,在发射信号选取一定的时间长度和带宽的条件下,利用全部阶简正波且信噪比大于-10 dB时,方法的深度估计误差在5 m之内。最后分析了信号时间长度和处理带宽对有源声呐目标深度估计性能的影响,以及海底声速、海深和声速剖面失配时方法的鲁棒性。     

有限波束作用下掩埋球体的散射声场计算

计算并分析了海底掩埋物体的三维散射声场。采用“等效垂直线列阵”方法来进行有限波束的建模,并将浅海波导中点声源散射声场的波数积分计算方法,推广到有限波束作用下海底掩埋物体的散射场计算,本文导出了物体位于沉积层中的散射声场计算公式。计算结果表明,在波导中垂直面内的散射声场,与沉积层中点源形成的声场非常相似;当距离较远时,散射声波呈柱面波衰减。文章还分析利用海面反射以提高散射能量的可能性,表明波束指向性及波束宽度对散射声场有较大影响。     

利用信号相位匹配原理的声源方位估计实验研究

为了验证信号相位匹配原理的正确性,利用自制的16元线列阵,在水库进行了声源定向实验研究。分析了信号相位匹配原理的方位估计性能,并与MUSIC方法和常规波束形成方法的方位估计结果进行了比较;实验表明:由该原理定向的指向性半功率点开角是常规波束形成方法半功率点歼角的1／4-1／7和MUSIC方法的1／2-1／3。利用船舶航行噪声的多目标定向仿真和高分辨方位估计仿真结果表明:信弓相位匹配原理方位估计算法用于多目标方位估计和高分辨方位估计是可行的。     

不同频段下利用虚拟接收方法的声源测距性能分析

考虑到传统的匹配场处理定位需要复杂的匹配声场计算,并对环境参数和声场模型有很高的依赖,为了克服这种缺点,采用虚拟接收方法对声源进行测距。首先对垂直阵接收到的引导声源和目标声源的信号进行相关处理,得到虚拟接收声场并估计虚拟接收声场干涉条纹的斜率,结合波导不变特征量β对目标声源进行测距。通过数值仿真和2004年南海实验数据处理,讨论了浅海斜坡海域环境中不同频段下利用虚拟接收方法对宽带声源测距的性能。随着频率升高,需要展宽频带以获得完整的干涉条纹和良好的测距结果。在实验数据处理中,选取频段较高的信号时,由于阵列间距偏大不能保证采样的简正波模式的正交归一特性,不能获得正确的测距结果。      

一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.     

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

一种基于β-warping变换算子的被动声源距离估计方法

基于浅海简正波水平波数差与波导不变量之间的关系, 本文提出了一种适用于水平不变浅海声波导中接收信号自相关函数的频域卷绕变换算子. 该算子可以将接收信号自相关函数中的简正波互相关成分变换为时域上可分离的脉冲序列, 且脉冲序列的相对延迟时间包含声源距离信息. 利用已知距离的引导声源, 由单水听器记录的脉冲信号即可实现被动声源距离估计. 对仿真和实验获得的脉冲信号数据处理结果验证了该变换算子用于被动声源距离估计的有效性.     

利用波导不变量进行运动单线阵的无源测距测速

为克服单线阵难以无源测距、测速的缺点,提出了利用目标辐射低频声场干涉结构和波导不变量的运动单线阵无源测距、测速方法。定义了运动目标的距离距变率比（目标距离与距离变化率的比值）,并利用与目标辐射声场的时间-频率干涉结构和波导不变量相关的变量来表征距离距变率比。根据此定义,通过对目标辐射声场的时间-频率干涉结构图进行Radon变换等处理,实现对距离距变率比的估计。利用所估计的距离距变率比,结合平台速度、目标方位角和目标航向角实现对目标距离和速度的同时估计。仿真实验验证了所提方法在测距、测速时的正确性和有效性。结果表明:所提方法在目标航向角较大时有较高的距离、速度估计精度;同时,目标方位估计误差越小,所提方法的距离、速度估计精度越高。      

Ultrasonic distance and velocity measurement using a pair of LPM signals for cross-correlation method: improvement of Doppler-shift compensation and examination of Doppler velocity estimation

Real-time distance measurement of a moving object with high accuracy and high resolution using an ultrasonic wave is difficult due to the influence of the Doppler effect or the limit of the calculation cost of signal processing. An over-sampling signal processing method using a pair of LPM signals has been proposed for ultrasonic distance and velocity measurement of moving objects with high accuracy and high resolution. The proposed method consists of cross correlation by single-bit signal processing, high-resolution Doppler velocity estimation with wide measurement range and low-calculation-cost Doppler-shift compensation. The over-sampling cross-correlation function is obtained from cross correlation by single-bit signal processing with low calculation cost. The Doppler velocity and distance of the object are determined from the peak interval and peak form in the cross-correlation function by the proposed method of Doppler velocity estimation and Doppler-shift compensation. In this paper, the proposed method of Doppler-shift compensation is improved. Accuracy of the determined distance was improved from approximately within ±140 μm in the previous method to approximately within ±10 μm in computer simulations. Then, the proposed method of Doppler velocity estimation is evaluated. In computer simulations, accuracy of the determined Doppler velocity and distance were demonstrated within ±8.471 mm/s and ±13.87 μm. In experiments, Doppler velocities of the motorized stage could be determined within ±27.9 mm/s.     

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.     

基于水平合成阵列的简正波波数估计

针对浅水声波导中简正波模数估计的孔径约束问题,提出了一种基于运动合成孔径高分辨谱分解的简正波波数估计方法。该方法先利用短水平阵运动合成大孔径虚拟阵列,再通过合成阵列进行高分辨谱分解来进行简正波波数估计。数值仿真结果和海试数据测试表明,孔径运动合成技术的应用,解决了水平阵进行简正波模数估计时孔径不足的问题;拖曳阵在远离目标水平运动的过程中,做垂直向机动可以提高简正波模数估计精度。      

浅海负跃层条件下的双基地有源探测实验及定位声速修正

为了研究浅海条件下海底固定水平阵和机动声源的双基地有源探测性能,建立了浅海双基地有源探测仿真模型,分析了实验海区负跃层条件下的传播损失和多途能量扩展损失,实现了双基地有源探测的性能预估。以模型仿真为基础,在南海北部海域开展了一次浅海双基地有源探测实验.针对定位中的声速与实验中目标回波的脉冲传播速度的偏差导致定位精度下降的问题,提出了一种目标回波脉冲传播速度近似估计方法。实验结果表明,双基地有源探测可在浅海负跃层条件下实现对水中目标的有效探测,多个实验站位的回波信噪比实测值与仿真预测值符合较好,定位声速近似估计方法可进一步提高定位精度。      

运动小孔径水平基阵估计目标深度

针对浅海动态声场,基于简正波模型提出了一种利用运动小孔径水平基阵估计目标深度的方法。通过合成孔径算法将运动小孔径水平基阵扩展成虚拟的大孔径水平基阵,利用稀疏近似最小方差准则可以在相对较小的合成孔径上估计各阶简正波模态能量,不同深度的模态匹配度由Camberra距离的负指数度量,目标深度估计结果是模态匹配度最大值对应深度。数值仿真与实验结果表明,在简正波声场结构基础上,声源频率越低则实现目标深度估计需要的合成孔径距离越小,当声源与阵列端射方向成一定角度时,对所需合成孔径的影响与其相对速度变化时的影响相同,在典型浅海水平分层波导中,当单阵元输入信噪比为10 dB时,准确估计200 Hz和350 Hz声源的深度,分别要求合成孔径大于12倍和16倍波导深度。利用实验数据验证了该方法对水下低频线谱声源的深度估计能力。