由矢量水听器阵反演海底地声参数

矢量水听器能同时测量声压和质点振速信号,为了对这些信息在海底地声参数反演中加以充分利用,根据声传播理论研究了不同号简正波对声矢量场的影响,并在此基础上提出了一种将声压和质点振速相联合的地声反演方法.理论与实验研究表明,对声压和质点水平振速而言,低号简正波往往占主要贡献,而对于质点垂直振速,高号简正波的贡献更大.海底地声参数反演的数值仿真与实验结果表明,基于矢量水听器阵的地声反演方法可以有效降低海底声学参数反演的不确定性.这为矢量水听器应用于海洋环境监测提供了一种新方法.     

楔形海域声矢量场分析

海洋环境中的声传播是水声学研究领域的一个经典问题.在传统的研究中,关心的主要是声压场.随着矢量水听器的出现,不仅是声压场,介质质点振速场也受到极大关注.应用虚源法分析了ASA基准楔形模型中谐和点源的三维质点振速场.基于Deane和Buckingham给出的声场声压表达式,文中推导了三维质点振速的积分公式,并应用数值积分的方法计算了声场声压与质点振速,分析了它们的传播损失和相位差以及不同方向声强的衰减过程.结果表明,即使在远距离上,声压与质点振速的相位差并不为零.     

弹性矩形空气腔障板水下声散射近场矢量特性

为了实现矢量水听器在水面或水下载体上的工程应用,研究了弹性矩形空气腔障板声散射近场矢量特性.利用薄板的低频近似理论导出了弹性矩形空气腔障板水下声散射的声压和质点振速表达式,给出相应的声强表达式,验证了公式的有效性.在此基础上数值计算了弹性矩形空气腔障板声散射的近场特性,重点关注其近场矢量特性.理论分析和数值计算结果表明,由于弹性矩形空气腔障板的声散射作用,声压场和质点振速场表现为复杂的干涉结构,质点振速方向和声源方位不一致,声压和质点振速不再同相,声强方向也不再反映声源方位.本文结果为矢量水听器在弹性矩形空气腔障板条件下的工程应用提供了理论依据.     

一种新的声矢量阵最小范数算法

现有的声矢量阵方位估计算法基本都是将声矢量传感器(AVS)的振速信息作为与声压相同的独立阵元信息来处理,没有充分利用AVS中声压和振速的相干性,以及由此带来的抗各向同性噪声能力.基于AVS中声压和振速的相干性原理,提出了一种新的声矢量阵最小范数算法.新算法充分利用了AVS中声压和振速联合信息处理的优势,能更好地将最小范数(MN)算法的高分辨能力与AVS的抗噪能力有机地结合起来,实现远程高分辨DOA估计.理论分析和基于湖试数据的仿真实验证明了所提算法的有效性.     

海洋矢量噪声场试验研究

为实现对近岸矢量声呐系统性能的预言,以近岸浅海试验为基础,对单矢量传感器噪声测量的基本理论做验证与分析.近岸港口区域,在无舰船螺旋桨噪声的情况下,声压与质点振速间保持较弱的相关性.由于垂直振速通道受海面风成波浪影响,相对于水平振速通道,与声压通道保持更低的相关性.相对于海洋动力噪声场,有限点源产生的相干声场的声压振速保...     

分层介质波导中的声矢量场传播

目前,矢量传感器在水声测量的探测技术中的应用已逐渐受到重视,但所采用的声压p和振速(Vx,Vy,Vz)联合处理技术还是建立在假定海洋波导中各位置处的声波阻抗数值都相同且为实数的基础上,而海洋环境效应的作用将不同程度地导致矢量处理器性能的降低.从实际应用的需求出发从理论上研究浅海分层介质波导中声压和振速场的传播特性,分析了声波阻抗率与频率、声源和接收器水平距离间的变化关系.理论分析和计算结果表明,只有在远场条件下,声压和水平振速信号才趋向于同相位;在通常噪声测量要求的距离上,声压和水平振速的传播损失相当,但必须注意声压和水平振速间的相位差随频率和声源距离的变化,而声压p和振速垂直分量Vz比值的模和相位差随频率和距离的变化复杂.这些结果为利用声矢量场进行水声测量和探测提供了基本的物理图像     

声矢量场的抛物方程计算方法

采用抛物方程方法对声场声压进行计算,通过尤拉公式给出抛物方程方法对声矢量场参数求解表达式,并利用差分方法对声场质点振速值进行数值计算.该文介绍了三维抛物方程理论与FOR3D程序算法;对PEKERIS问题、单层海洋环境及ASA基准楔彤模型环境下的声矢量场进行仿真验证.结果表明,利用抛物方程方法可以快速简便地求解复杂海洋环境下的声场,并且可以用于计算声矢量场参数.     

中心对称声矢量圆阵的相干双声源方位估计方法

针对水下2个相干目标的远程探测问题,本文提出了一种基于前后向空间平均的声矢量圆阵方位估计方法。该方法根据中心对称声矢量圆阵的结构特性,将声矢量传感器顺序重新排列建立中心对称的阵列形式。利用声压振速联合处理构建声压与振速的互协方差矩阵,引入后向互协方差矩阵,从而通过平均前向和后向矩阵得到前后向平均的互协方差矩阵。采用最小方差无畸变响应波束形成器完成2个相干目标的方位估计。理论分析与仿真结果表明:与声压处理方法、声压振速独立处理方法以及相位模态域声压振速联合处理方法相比,本文所提方法具有较高的角分辨能力、方位估计精度以及较强的噪声抑制能力;相比相位模态域声压振速联合处理方法,该方法可适用的频带范围更宽。试验结果进一步验证了该方法具有较好的相干双目标方位估计能力。     

体积噪声矢量场空间相关特性研究的一种方法

确定噪声场的相干结构对分析矢量水听器阵信噪比增益非常重要.建立了一个三维的噪声源在球面上均匀分布的各向同性噪声模型,研究了噪声场中声压与质点振速3个正交分量的自相关和互相关特性,推导得到了窄带噪声场空间相关系数的解析表达式以及单矢量水听器接收噪声的协方差矩阵.基于三维噪声场的空间相关函数,讨论了矢量水听器线阵的某些应用及其输出信噪比增益.数值算例表明,该三维噪声场空间相关特性模型可方便地应用于任意形状的基阵在任意姿态下的信噪比输出的获取.     

声矢量传感器线阵的左右舷分辨

声矢量传感器由声压传感器和惯性传感器复合而成,可同时测量声场一点处的声压标量和质点振速矢量的各正交分量,为解决传统声压水听器线阵固有的左右舷模糊难题提供了新的方法和手段.利用声矢量传感器线阵指向性函数研究了3种常规波束形成器的左右舷抑制比,然后简要分析了MVDR波束形成器的左右舷抑制比.理论分析和海试结果均表明:1)左右舷抑制比除了都不可避免地与信噪比有关之外,相比于具有一定左右舷分辨能力的声压水听器多线阵和三元组声压水听器线阵,声矢量传感器线阵的左右舷分辨性能主要取决于与频率无关的矢量传感器阵元指向性;2)声矢量传感器线阵MVDR波束形成器的左右舷分辨性能大大优于常规波束形成器.     

遗传算法应用于矢量传感器目标定向跟踪

矢量传感器能够同步测量空间一点处的声压和质点振速信息,由此可估计出目标的方位信息.论述了各向同性噪声场情况下,矢量传感器接收到的声压能量与振速能量的关系.针对互谱声强法定向原理,将遗传算法引入到矢量传感器的目标定向跟踪中.根据声压与振速之间的关系、信号的稳定性构建了遗传算法的适应度,并且对基本遗传算法进行了改进,采用没有重串的稳态繁殖寻求全局最优解.计算机仿真分析结果表明该算法可以有效地进行目标方位跟踪,进一步提高目标定向精度.     

应用表面噪声矢量场空间相关特性反演海底参数

为了实现对海底快速而准确的遥测,提出一种根据表面噪声矢量场空间相关函数进行海底参数反演的方法.与传统的基于声传播模型的匹配场反演方法相比,所提方法可利用的信息更加丰富,而且水下系统配置简单,无需声源,隐蔽性好,具有一定的军事应用前景.参数优化过程中,采用一种基于差分进化算法和粒子群算法的两级混合优化算法.通过反演结果与仿真真值的比较可以看出,混合优化算法得到了较满意的反演结果,特别是同时考虑不同的声压和质点振速组合方式时,而且与单一的优化算法相比,估计精度总体上得到了显著提高.     

浅海运动目标辐射声测量距离内声聚焦特性研究

随着影响目标辐射噪声测量诸多因素的解决,声聚焦对测量精度的影响已显得比较突出.研究了浅海近场声聚焦特性对同标辐射噪声测量结果的影响.在射线理论基础上,推导了声压场和质点振速场的数学表达式,建市了基于虚源法的浅海矢量声场计算模型,并将声场计算模型应用于宽带声源信号矢量声场计算中.比较分析了理论仿真计算和湖试结果,验证了浅海近距离矢量声场计算模型的正确性,进一步探讨了浅海声场聚焦特性以及如何减小声聚焦对目标辐射噪声测量的影响.     

声矢量阵快速子空间方位估计算法

针对声矢量阵高分辨方位估计算法运算量大的问题,基于声压振速联合信息处理,提出了一种快速的声矢量阵高分辨方位估计算法．该算法选择参考阵元的电子旋转矢量作为期望信号,运用多级维纳滤波器(MSWF)对信号子空间进行快速估计,不需要计算声矢量阵的互协方差矩阵,不用进行特征值分解,从而大大缩减了计算量．另外,该算法基于矢量传感器声压与振速的相干性原理,充分利用了声压振速组合抗干扰能力,有效抑制了各向同性噪声．理论分析和计算机仿真表明,该算法在拥有良好DOA估计性能的同时,大大减小计算量．     

一种新的声矢量阵远程ESPRIT方位估计算法

为解决水下目标远程高分辨定向问题,文章提出了一种新的声矢量阵ESPRIT方位估计算法.与现有的将声矢量传感器(AVS)的振速信息作为独立阵元来处理的声矢量阵方位估计算法不同,新算法完全基于声压与振速联合信息处理,充分利用了声矢量阵(AVSA)中声压与振速的相干性原理,能更好地将ESPRIT算法的高分辨能力与AVSA的抗噪能力有机地结合起来,实现远程、高分辨方位估计.理论分析和基于湖试背景噪声的仿真实验证明了新算法的有效性.     

矢量拖曳线列阵流噪声时-空相关特性研究

为了降低矢量拖曳线列阵流噪声,提高矢量拖曳线列阵的工作性能,需要研究其流噪声场的分布规律,根据细长圆柱外表面湍流边界层(TBL)压力起伏的Carpenter模型,采用波数-频率谱分析方法导出拖线阵护套内圆柱形矢量水听器流噪声场声压和轴向质点振速及其时-空相关矩阵的一般表达式,并由数值积分法计算了流噪声场的空间相关性。数值计算结果表明:窄带流噪声轴向相关半径在几十厘米范围内,以半波长布阵的矢量拖曳线列阵各阵元所接收的流噪声在轴向上是近似不相关的;窄带流噪声径向相关性随着频率以及径向位置变化较大;宽带流噪声声压和轴向质点振速之间是近似不相关的,这也为后置信号处理算法抑制流噪声提供理论依据。     

声压振速信息联合处理应用于声场的相干性分析

声场声压与振速的相干性是声压、振速信息联合处理的重要物理基础之一,本文对其进行了初步的分析,在新型组合传感器湖试的基础上,把环境噪声场分解为不相干的各向同性分量和相干的各向异性分量,初步分析环境噪声场的构成;同时对点源声场的相干性也进行了验证性的分析。     

界面噪声声压与质点振速的时空相干特性

海洋环境噪声矢量场空间相干特性与矢量传感器阵的性能密切相关.应用海洋混响相干特性分析方法应用海洋混响相干特性分析方法研究了均匀半无限空间界面噪声声压与质点振速的空间相干特性问题,得到了相干特性的解析表达式.研究结果表明,界面噪声场的空间相干特性相比于均匀各向同性噪声场要复杂得多,其相干特性在空间上是不均匀的,并且与噪声源的指向性也有复杂的关系.虽然只给出噪声源无指向性和余弦的垂直指向性2种情况下场的相关系数,但该文的研究方法可以推广到任意指向性噪声源的场的相干特性的分析中.当获得了噪声场空间相干特性的解析解时,矢量水听器输出信噪比增益可以很容易地给出,同时对矢量水听器基阵的布阵及应用也具有重要的意义.     

矢量水听器扩展孔径线阵方位估计技术

矢量水听器由声压水听器和质点振速水听器复合而成,可以同时测量声场中的声压和质点振速的正交分量,将矢量水听器布成阵列对目标方位进行估计.在不增加阵元个数的情况下,可以把阵布成稀疏阵来增加阵孔径,提高对目标方位的估计精度.按照耐奎斯特空间采样定理,阵元间距超过半波长将会带来方位估计的周期性模糊.该研究利用扩展孔径矢量线阵对目标进行方位估计,以及研究如何去掉方位估计中的周期性模糊,最终获得目标方位的高精度无模糊估计.研究结果表明,在相同的信噪比条件下,利用扩展孔径矢量线阵可获得比具有相同输出路数的声压阵更好的方位估计性能.     

被动式渔探仪的信号检测与方位估计

为了降低渔探仪成本、简化设备、提高作用距离,将被动式声纳技术应用于渔探仪系统.采用被动式声纳原理,利用矢量水听器接收声场中质点的声压和振速信息,对声压和振速进行联合处理,从而对信号的声能流值进行最大似然比检测,在最大似然比检测的基础上对声源的方位角进行估计,获得方位角的最大似然估计值.实验结果表明:声能流检测器能有效地抑制各向同性的噪声,提高增益,方位估计能进行目标定位,定位误差小,效果良好.利用被动式声纳技术及采用新型传感器(矢量水听器)技术,使得构造一个具有全新概念的被动式渔探仪成为可能.