深海海底斜坡环境对声传播规律的影响

海底地形变化对声传播具有重要影响.针对在南海深海区域海底斜坡环境下进行的一次声传播实验中观测到的一些不同于平坦海底的声传播现象,利用射线声学方法分析并解释了海底地形变化引起声传播差异的原因.结果表明,当声源深度位于131 m处时,在第一影区内,海底斜坡前较小幅度的海底山丘(凸起高度小于1/10海深),对第一次与海底作用而入射到该小海底山丘处的小掠射角(绝对值在10°–20°范围内)声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离上出现影响深度可达海面以下1300 m的倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 dB.在第一会聚区内,海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的小掠射角(绝对值小于10°)声波所形成的会聚区结构消失,只保留从水体向上折射的会聚结构.因此,准确的海底地形对深海声传播预报及目标探测等应用非常重要.     

大深度矢量水听器用于深海声传播测量的实验研究

矢量水听器可以同步共点地接收声场的标量和矢量信息,增加了信息的种类和数量,可以改善水声系统的性能.相比于标量声信号,矢量声信号包含更加丰富的声场信息,可应用于目标的识别和定位.为了获取深海声矢量信号,哈尔滨工程大学自行设计了大深度矢量水听器.2014年夏季,在某深海开展了一次深水矢量水听器远距离声传播实验,实验中大深度矢量水听器被放置在3146 m,得到了包含多个会聚区和影区的数百公里的声标量场和声矢量场数据.本文对实验数据中的声标量场和声矢量场进行了处理,计算得出各通道传播损失曲线,并与距离有关声学模型(Range-Dependent Acoustic Model,RAM)计算得出的声压场和声矢量场理论预报结果进行了比较,证明二维抛物方程模型RAM可以有效地进行深海远距离声标量场和声矢量场的预报.     

利用深海海底反射声场特征的水面声源被动测距

海底反射声工作方式是指声波经一次海底反射到达接收器的工作方式,是深海影区内水声探测的重要途径.依据射线声学理论,深海海底反射声工作方式下的声场由海底反射路径(BR)、海面-海底反射路径(SBR)、海底-海面反射路径(BSR)、海面-海底-海面反射路径(SBSR)起主要贡献,4条路径声波的到达时间不同,利用其到达时延差可以分析深海海底反射声工作方式下的声场强度干涉结构.分析发现,海底反射声区声场强度在频率域呈现周期性,且频率间隔随距离增加而增大,且频域间隔对应于多途时延差的倒数,因此可以利用多途时延差与距离的关系来估计声源距离.对于水面声源,声源处的海面反射可以忽略,因此其海底反射声场由BR和BSR传播路径的声波起主要贡献,其干涉条纹的频域间隔对应于BR路径和BSR路径时延差的倒数.本文通过分析深海海底反射声工作方式下声场强度干涉结构,得到了多途时延差随距离变化的关系,并将其应用于水面声源的被动测距,仿真结果和实验结果均证明了该方法的有效性.     

深海声场的垂直相干特性

从实验上研究了深海环境中声场的垂直相干特性与海洋环境，频率，声源距离和深度，以及接收器深度和阵元间距等因素之间的关系，并通过数值模拟，分析了带限信号的垂直相干特性声源深度距离的变化，其结果可用于声目标定位。     

基于四阶矩的单矢量水听器多声源定位算法

为了克服基于四阶累积量的矢量水听器声源定位算法的计算复杂度高、运算量大以及定位精度不高等问题,提出一种基于四阶矩的单矢量水听器多声源定位算法.该算法利用信号四阶矩的性质,将单矢量水听器阵元数和声源数进行虚拟扩展,从而得到更多的多声源定位信息;通过提取有效阵元的方法减少了冗余,利用搜索峰值方法得到期望的多声源方位.理论分析和实验结果表明,该算法有效降低了计算量、提高了定位精度,克服了基于高阶累积量的矢量水听器定位算法的不足.     

深海海底山对声波的反射和阻挡效应

2014年在中国南海进行了一次深海海底山环境的声传播实验.本文利用宽带爆炸声信号分析了海底山对声传播的影响.在第一会聚区位置,由于海底山的阻挡,海底山环境下传播损失(TL)增加了30 dB以上.此外,实验观察到在第一影区的位置,由于海底山的反射,海底山环境下的传播损失比无海底山环境下的传播损失减小近7 dB.在28 km附近,海底山环境下的传播损失随着接收深度的增大而增大,接收深度170与1868 m处的传播损失相差近10 dB.在距离大于30 km时,不同接收深度条件下的声传播损失随距离的变化趋势基本一致,且大部分距离处的差异小于3 dB.实验得到的传播损失和脉冲达到结构与理论计算结果符合得很好,并利用射线和波动理论解释了由于海山引起的传播损失异常现象和脉冲到达结构.     

声源深度对印度洋声传播的影响分析

以分析声源深度对印度洋主要航线海区声传播的影响为研究目的,应用WOA13季节平均数据和Mackenzie声速经验公式,分析印度洋冬季(1月~3月)声道轴深度、最小声速值、表层声速值的分布;在季节、声源频率和掠射角等因素确定的情况下,通过BELLHOP模型仿真计算研究主要航线上选用位置点不同深度声源的声传播规律:印度洋35°S航线海区5 m深度声源的汇聚区位置要大于其以北航线海区的汇聚区位置;印度洋15°S以北航线海区的100 m以下深度的汇聚区较为固定;15°S航线海区100 m和4 000 m声源深度的情况与以北航线海区相同,250~3 000 m深度则出现缩小;35°S航线海区,汇聚区位置随声源深度向声道轴深度靠近而出现明显的缩小。最后为水面舰船声呐提出了使用意见。     

浅海环境噪声垂直相关提取海底反射参数

分析小掠射角海底反射特性与浅海环境噪声场垂直相关的关系,从而提取表征海底反射的参数.对某海域浅水区观测的海洋环境噪声数据进行垂直相关特性研究,并用于反演海底参数.鉴于海底参数之间存在耦合,采用分步反演的方法:首先利用曲线拟合或经验公式的方法获取海底反射相位,然后再反演海底反射幅度,最后将反演结果用于同海区的爆炸声声场预报,预报结果和试验测量相比,相对误差均小于10%.根据本文建立的噪声场垂直相关模型提取小掠射角海底反射参数,不需要限定特定的海底模型,反射损失中还包括界面散射的影响,可以有效地预报声场.     

小掠射角下切变波对海底反射损失的影响

本文通过建立海水——海底模型,研究了远距离接收舰船信号时（小掠射角）切变波对海底声反射损失的影响。结果表明,切变波速越高,反射损失越大。     

基于矢量水听器测向交汇的浮标定位系统设计

矢量水听器同时获取声压和振速信息,通过具有方向性的振速矢量场信息实现对目标定向。以矢量水听器高精度测向为基础,通过多点测向交汇实现对水下噪声源的定位跟踪。本文介绍了定位系统的结构设计,分析其关键技术。该方案经过功能扩展,还可应用于对击水声等瞬态信号的定位。     

西太平洋远程脉冲声传播实验数据分析

2013年7月在西太平洋进行了一次远程声传播实验.实验使用水下150 m深的拖曳线列阵接收水下125 m深拖曳换能器发射的线性调频声信号(频带范围260–360 Hz),记录了收发距离为34–220 km,612–635 km和926–1029 km等三处的声传播数据;同时用锚系的深水垂直阵潜标接收了水下1000 m深度爆炸的爆炸声信号,最远传播距离达943 km.本文对上述远程脉冲声传播数据进行了分析,获得了深海远程会聚区传播损失曲线、深海声道传播损失及其随接收深度变化曲线,并使用PE模型和射线模型对上述远程脉冲声传播现象进行了理论分析和解释.     

基于压缩感知的麦克风阵列声源定位算法

为了提高麦克风阵列在高混响、低信噪比环境中的定位性能,提出了一种基于压缩感知的声源定位算法.该算法将声源定位问题转化为稀疏信号的重构问题,将不同位置的房间冲激响应作为特征以构建字典.首先,将麦克风接收信号转换至频域,从具有较高能量的频点中求得一组扩展的频域声源信号矢量,该矢量中包含了声源的位置信息.然后,在频域中整合这些扩展的声源信号矢量,使声源的位置信息更突出,矢量中最大元素所对应的空间位置即为声源的位置估计.仿真实验结果表明,与相位变换加权的可控响应功率(SRP-PHAT)定位算法相比,所提算法的定位成功率更高,对混响的鲁棒性更强,更适合高混响低信噪比环境中的声源位置估计.     

一种应用海杂波分数维检测海面目标的方法

论证了雷达海洋回波存在分形特征的可能性.大量研究表明,波浪起伏的海面及其反射的雷达回波信号都具有分形的特征.海面船只存在会改变海面及其回波信号的分数维.因此可以通过测算回波信号的维数变化达到检测目标的目的.从长时间以及大范围来看,海面运动是不规则的,但在短期以及局部范围内,海面运动是有规律可循的,可以将相邻时段以及区域间海面回波的分数维差别作为检测目标的方法,这比直接测量回波信号维数要有效得多.提出一种通过比较相邻时段、相邻距离元的雷达海洋回波信号分数维差值来检测海上目标的方法.通过对某条船航行海域的雷达回波信号数据实验数据分析,可以看到轮船的微弱轨迹.     

陆架斜坡海域信号水平纵向相关特性实验研究

对于复杂的海洋传播环境,如波导环境扰动、各阶模态之间的干涉、环境噪声等,声信号在传播过程中波形会随空间和时间起伏变化.接收信号之间的空间相关性是直接影响阵列处理增益的重要因素之一,因此研究信号的空间相关特性对提高信号处理的性能有重要意义.本文中,利用一次海上试验测量数据对陆架斜坡海域不同位置处接收信号的水平纵向相关特性以及水平纵向相关性随船运动的起伏变化情况进行了研究.海上试验在中国南海海域开展.试验中,接收阵为一个192元水平拖曳阵,以2 m/s的速度移动,声源为一个宽带声源,深度为95 m左右,用钢缆与发射船船尾相连.实验过程中发射船停机漂泊.声源发射信号为260–360 Hz的线性调频信号.为了降低环境噪声对水平纵向相关性测量结果的影响,数据处理过程中先对接收信号进行带通滤波和匹配滤波处理.然后,将接收阵划分若干个部分重叠的短的子阵列并对各子阵接收信号进行宽带波束形成处理.最后,利用各子阵宽带波束形成输出信号计算水平纵向相关系数.结果发现,该海域接收信号水平纵向相关长度的测量结果大体分布在13–60 m的范围内,普遍小于浅海波导环境,信号水平纵向相关特性易受斜坡海域声场干涉结构和海洋波导环境起伏的影响,随空间和时间变化明显.     

基于简正波掠射角的声速剖面反演方法研究

针对浅海宽带信号多途的特点,对多途分离的方法进行了研究,提出了一种基于warping变换的简正波分离和简正波信息提取的方法.随后提出了一种基于射线-简正波理论的利用各阶简正波中不同频点信号到达掠射角进行声速剖面反演的方法,最后通过仿真计算验证本方法可以应用于具有一定时间长度的线性调频发射信号的简正波分离,分离后提取的简正波信号经逆运算还原后与原始信号基本一致,分别对每阶简正波的各个频点到达掠射角进行计算,利用各阶简正波的不同频点到达掠射角建立代价函数,进行声速剖面反演.仿真结果证实了该方法的可行性,并分析了反演精度.     

基于时间差映射方法的钢板声发射源定位

采用常用的到达时间法进行声发射源定位时,需假设波速恒定且声源与传感器的传播路径连续,然而在实际应用中,板中沿不同方向传播的声发射信号的传播速度可能不一致.据此,本文提出一种基于时间差映射的声发射源定位方法,该方法采用预构建数据库的方法,无需考虑波在板中的传播速度不一致及波的传播模态等问题,对传感器在板中布置的位置不做严格要求.该方法通过人工模拟声发射源,记录信号到达每个传感器的时间,求出不同传感器路径的到达时间差,在生成的时间差等高线图中筛选误差范围内的等时间差值,采用最小差异法寻找实际声源数据和训练映射数据之间差值最小的点,也就是声发射源的位置.本次实验在钢板上布置4个声发射传感器,随机选取8个点进行实验验证.对比到达时间法,时间差映射法的定位误差由1. 41%降至0. 38%,此方法的声源定位更加准确.     

基于TDOA麦克风阵列声源定位技术

随着科技的进步和发展,声源定位技术已经成为人们研究的重要课题之一。基于声达时间差(TDOA)是阵列语音信号处理的核心技术,其作用是估算出同一声源信号到达不同麦克风时,因为传输的距离不相同而引起的时间差。麦克风阵列对于室内环境噪声抑制、声源定位、跟踪这些方面都比单个麦克风有优势,从而优化语音信号采样质量。该文主要讲的是用麦克风阵列和时延估计声源定位方法对声源进行定位及跟踪。     

基于量子阱薄膜的纳机电矢量水听器设计

根据介观压阻效应原理以及柱体声学理论,提出了一种基于量子阱薄膜的纳机电矢量水听器,期望利用量子阱薄膜材料的高灵敏度压阻效应以及水听器精巧的微结构,提高矢量水听器的灵敏度,实现水听器的低频特性及结构微小型化。首先概括地描述了介观压阻效应原理以及柱体声学理论;完成了水听器的结构设计;采用GaAs基微机械加工工艺完成了水听器的加工并对水听器进行了封装,最后对研制出的水听器的性能指标进行了测试,测试结果表明：纳机电矢量水听器不但体积小、质量轻、结构简单,而且能够获取水下声场的质点振动信息,具有＂8字型＂的指向性,可进行水下声信号的定位探测。     

基于Tabu算法的声源定位方法

提出一种Tabu搜索算法的声源定位方法．该方法在获得声源信号后,使用基于声到达时间差TDOA方法计算信号的时间延迟,最后应用Tabu搜索算法搜索最佳声源位置．模拟结果表明,该方法是一种定位精度高、效率高的声源定位方法。     

基于矢量水听器的水下战武器二维弹道测量研究

 水下弹道测量是水下战武器试验的重要内容。本文基于矢量水听器测量水中目标航行噪声,利用矢量水听器测向原理,经过数字信号处理器对矢量信号进行分析处理,得出武器水下航行的二维弹道轨迹。介绍矢量水听器测量原理和矢量浮标阵纯方位定位原理。通过实验室消声水池测试对矢量水听器声压与振速相位差进行修正,利用湖上试验对矢量水听器的测向误差进行修正。采用DGPS水面定位与水下水声定位相结合的方法,研制了水下战武器二维弹道测量系统,介绍测量系统的3个主要组成部分及其主要功能,并在海上实际试验中验证了基于矢量水听器的水下武器弹道测量方法先进可行、实时性强、测量精度高、使用方便,可以满足实际使用要求。