运动目标辐射声场干涉结构映射域特征研究

浅海低频声场呈稳定而显著的干涉特征,并蕴含声源状态和波导特性等信息.本文研究运动目标辐射声场干涉结构的简化映射以及映射域能量分布对目标运动状态的指示特征.理论分析了声压场和矢量声场空(时)频干涉谱图的二维傅里叶变换映射特征,推导了匀速运动目标时频干涉谱图映射域能量脊斜率与波导不变量以及距变率、航向角的关系式,证明了映射域脊斜率符号、脊斜率绝对值变化等对目标来袭或远离以及目标威胁程度的指示,并进行了数值仿真和海上试验研究.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性.研究结果表明:二维傅里叶变换可将声压场和矢量场时(空)频谱图干涉结构简化,匀速运动目标辐射声场干涉结构映射域的能谱脊斜率、距变率、航向角与波导不变量有解析关系式,声强谱、动能密度谱、声强流谱等声场干涉结构经映射后更为一致,映射域脊能简明的指示目标运动状态和威胁程度.     

一种浅海声矢量场干涉结构提取方法

针对浅海Pekeris环境下声矢量场的干涉特征,基于简正波理论分析了在频率-距离域上声强谱、质点振速自谱、复声强谱和波阻抗谱干涉结构的形成机理,探讨了对干涉结构的波导不变量表征,并进行了宽带辐射声场干涉结构的海上测量试验。仿真研究和海试数据分析均表明,在频率-距离域上,上述4类物理量都会呈现稳定的、可用波导不变量β表征的干涉结构,而复声强独有的纯干涉分量更能体现波导的干涉效应。最后引入多尺度线性滤波器对海试实测LOFAR图进行处理,处理结果表明该滤波器可有效地增强干涉特征,更利于检测和提取干涉图案中的条纹信息。      

基于时空滤波理论的低频声场干涉结构研究

基于时空滤波理论, 采用相干函数、功率响应函数、扩展分布函数、双频函数四个系统函数较波导不变量更全面地描述了低频声场的相干结构. 理论分析、仿真研究和海试数据处理都验证了低频声场存在稳定的干涉结构, 当目标由远及近、又由近及远做匀速直线运动时, 相干函数(LOFAR图)的干涉结构为一簇类双曲线; 功率响应函数的干涉图表征了简正波群时延的差分, 体现了其频散特性; 扩展分布函数能反映LOFAR图上干涉条纹的斜率大小; 而双频函数能体现相慢度的差分. 各个系统函数均能特别突出干涉结构的某方面的特征, 各有特色.     

基于波导不变量的目标运动参数估计及被动测距

结合波导不变量的概念推导了中近程目标的干涉条纹方程,它表明在浅海声场中此干涉条纹为一族类双曲线.采用Hough变换对LOFAR图和方位-时间历程进行处理,可以估计反映环境信息的波导不变量β、航向角(φ)以及最近通过距离和航速比r0/v.仿真研究和海试数据分析均表明,低频声场确实存在稳定的干涉结构,结合图像处理手段进行参...     

浅海内波影响下的波导不变量变化特性分析

针对浅海内波引起波导不变量变化的问题,利用声场波导不变量的概率分布并结合声场简正波的理论,研究了内波活动下波导不变量的时变性,给出了波导不变量变化的机理和规律.具体结论是,在负跃层波导中,声场的波导不变量的最大概率取值具有明显的频变特性.内波环境下,当声传播方向与内波波阵面平行时,接收声场简正波的幅度变化不大,但是简正波的相慢度差和群慢度差的变化却能引起波导不变量最大概率取值的变化;而当声传播方向与内波波阵面垂直时,内波引起的简正波耦合同样会导致波导不变量的最大概率取值的明显变化.     

浅海低频声场中目标深度分类方法研究

分析了浅海甚低频声场中的垂直双水听器的互谱特性,尤其关注了声场中只存在两阶简正波时声压互谱的有功分量.数值计算表明：当两个水听器的深度布放合理时,声压互谱有功分量的正负号分布与水平距离无关,选择合适的水听器深度布放组合,可以用于水面目标、水下目标的双择判决;声速分布对该方法的使用影响不大,海底存在吸收将影响算法的作用距离,但在有效作用距离内,该算法仍有较好的稳健性.运用Pekeris波导有效深度的概念建立了声压互谱有功分量正负号分布特性的近似理论分析并可预报双水听器合理的布放深度.理论分析揭示了双水听器布放深度之和应等于波导有效深度,并且在有效深度限制的波导范围内,整个声场的声压互谱有功分量的正负号分布被分为三个水平区域.理论分析加深了对浅海低频声场特性的理解,对该算法的实际使用有指导意义. 关键词： 目标深度分类 浅海低频声场 声压互谱 有功分量     

波导不变量谱值及其分离方法

波导不变量有两种定义方式,按照干涉条纹斜率的定义适合工程应用,按照简正波频散的定义适合理论分析.在有跃层的波导中,这两种定义方式并不完全一致.由于简正波频散特性差异,按照频散特性定义的波导不变量β会有许多不同的取值,这些β被称为波导不变量的β谱.此时声场干涉结构应该用多个β来描述,而以往的β提取算法只能给出一个最佳估计值,导致一些信息的丢失.借鉴图像处理中的积分投影概念,将声强图像按照角度进行积分投影,以分离不同斜率的条纹成分;然后对投影曲线进行傅里叶变换,以分离不同间距的条纹成分,最终实现各个β谱值的分离.仿真和实验结果表明,β谱分离算法可以从声场干涉结构中有效地提取不同条纹成分的β,并将其映射到二维平面内,具有更强的噪声抑制能力,所以能在更低的信噪比条件下使用.     

利用宽带声场干涉结构特性对移动船只距离的连续估计

浅海移动船只的宽带辐射声场在距离-频率上通常表现为有规则的干涉条纹结构,这些条纹的特性(数目和斜率)可用波导不变量理论来表征并已被用于多种水声反演问题中,如沉积层声学参数反演和宽带声源距离的估计。基于波导不变量理论和干涉条纹的结构特性,利用扩展卡尔曼滤波器分析移动船只LOFAR图中干涉条纹的距离-频率特征可对其距离进行连续估计。该方法不需要海洋环境的信息和前向拷贝声场计算,具有较高的计算效率。海试数据处理结果和GPS数据计算结果比较一致,证实了本方法的准确性。试验数据处理同样证实该方法对初始距离的选择有着较高的稳健性。      

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.     

浅海低频本地海底混响的波导不变性结构及抑制方法研究

根据浅海混响的射线简正波相干混响理论和可分离的海底散射模型,从理论上推导了浅海低频本地海底混响信号中存在的稳定的距离-频率干涉结构(波导不变性结构),并在此基础上基于谱相减的思想提出了一种基于波导不变性的本地海底混响预测对消方法。针对某个检测距离,其对应的中心频率上的海底混响强度可以根据波导不变性通过频移的方法在另一个与之相邻的距离上估计得到,利用该估计的混响强度可以对消检测距离对应的回波信号中的海底混响强度分量,增强回波信混比,提高目标检测能力。针对典型水平分层浅海波导环境,通过计算机仿真实验分析了低频海底混响存在的稳定波导不变性结构,验证了本文提出的基于波导不变性的混响预测对消方法的有效性。      

三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法

利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点,提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法.该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型,计算局域波导下结构声振信息,并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值;然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场.重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后,对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析.研究得出,当圆柱壳靠近海面(海底)时,其耦合频率比自由场下的要高(低),当潜深达到一定范围时,与自由场耦合频率基本趋于一致;在低频远场,结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性,且等效距离随着频率增加而增加;由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响,结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.     

基于联合波叠加法的浅海信道下圆柱壳声辐射研究

针对浅海信道下弹性结构声辐射预报尚无高效可靠的研究方法,提出了一种浅海信道下弹性结构声辐射快速预报的联合波叠加法.该方法结合了浅海信道传输函数、多物理场耦合数值计算法和波叠加法理论,运用该方法可对浅海信道下弹性结构辐射声场进行快速预报.经数值法和解析解法验证后,从信道下辐射源、环境影响和辐射声场测量的角度研究分析了浅海信道下弹性圆柱壳的声辐射特性,阐释了进行浅海信道下结构声辐射研究的必要性.研究结果表明,仅在低频浅海信道下弹性结构可近似等效为点源,信道上下边界对声场产生显著的耦合影响,高频段的空间声场指向性分布尤为明显,垂直线列阵进行信道下结构辐射声功率测量时,测量结果受到信道环境边界和潜深的影响较大.     

Pekeris波导中简正波的复声强及其应用

在Pekeris波导模型下,关注了简正波的矢量场,讨论了简正波水平复声强和垂直复声强的表述,并分析了其特征.单阶简正波在水平方向是行波,相应的水平复声强仅为有功的;在垂直方向为驻波,相应的垂直复声强仅为无功的.而多阶简正波相互干涉,因此总声场的复声强既有有功分量,也有无功分量,其中只有有功分量参与声能的输运,但无功分量是反映声场信息的重要组成部分.通过对垂直(交互)复声强无功分量和水平交互复声强有功分量的数值分析,对于甚低频率的点源声场,发现当声源深度变化时,上述声场分量的正负号呈有规变化,当接收传感器置 关键词： 目标深度分类 复声强 矢量场 Pekeris波导     

Possibility of reconstructing hydrological variability of shallow sea by measuring frequency shifts of interference structure of sound field

Variations in the vertical space-frequency interference structure of the sound field in the oceanic waveguide are described. Reconstruction algorithms of sound speed field, based on information on frequency shifts of interference maxima of the sound field, are presented.     

循环平稳声场的声源定位研究

旋转机械产生的辐射声场具有循环平稳特性,传统的平面近场声全息技术无法准确反映其调制特性,往往在边频带上出现虚假的能量的分布.采用循环谱密度取代功率谱密度作为重建物理量,则可准确提取循环平稳声场的调制和载波信息.考虑到循环谱密度的计算量以及特征提取的准确性,提出了循环谱密度组合切片分析法,并分析了加性白噪声对重建的影响.仿真分析及实验结果表明,此方法有较强的噪声抑制能力,全息重建的结果可准确反映声源的位置.     

On some peculiarities of the energy characteristics of the interference acoustic field in a shallow sea

The results of studies of the scalar and vector energy characteristics of a real acoustic interference field in a shallow sea are presented based on notions of monochromatic fields and common field vector ratios. The importance of the quantities under consideration is that they are the components of the energy-pulse tensor of the acoustic field. The horizontal components of the complex intensity vector are represented only by its real parts, i.e., the imaginary parts of the horizontal components of the intensity vector are equal to zero; the vertical component has both real and imaginary parts. The imaginary part of the vertical component of the complex intensity vector is related to the interference field of acoustic pressure (the potential energy). The energy characteristics of the acoustic field in a shallow sea obtained during a real experiment correspond to the common theoretical field ratios.