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浅海内波环境下声场干涉条纹的稀疏重建

物理学报 2023年第7期72卷 235-245页

作者：李永飞郭瑞明赵航芳浙江大学信息与电子工程学院杭州310027 香港中文大学电子工程系中国香港999077 浙江省海洋观测-试验区重点实验室舟山316021 海洋感知技术与装备教育部工程研究中心舟山316021 流体动力与机电系统国家重点实验室杭州310007

针对浅海内波引起的干涉条纹“扭曲”问题,利用耦合模理论,提出了一种声场干涉条纹的稀疏重建方法.该方法主要分为两个步骤:(1)将干涉条纹近似为几组二维正弦的和,并用向量有限新息率方法重建;(2)根据耦合模理论,未耦合模对的二维频率... 详细信息

针对浅海内波引起的干涉条纹“扭曲”问题,利用耦合模理论,提出了一种声场干涉条纹的稀疏重建方法.该方法主要分为两个步骤:(1)将干涉条纹近似为几组二维正弦的和,并用向量有限新息率方法重建;(2)根据耦合模理论,未耦合模对的二维频率不随内波位置变化,而耦合模对的频率随内波位置变化.因此,二维频率可以分为两部分:未耦合模对包含了波导的信息,可用于背景环境规则干涉条纹的重建和波导不变量的估计;耦合模对包含了内波的位置信息,可用于内波的追踪.仿真结果表明,本文方法在内波环境下能够提供有效的干涉条纹重建、波导不变量估计和内波的追踪.

关键词：内波干涉条纹波导不变量有限新息率

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嵌入环境不确实性的宽容波束形成贝叶斯方法

哈尔滨工程大学学报 2010年第7期31卷 951-957页

作者：赵航芳宫先仪浙江大学信息与电子工程学系浙江杭州310027 杭州应用声学研究所声纳技术重点实验室浙江杭州310012

针对不确实海洋环境使声呐探测性能下降和宽容性差的问题,提出了环境参量和信号参量不确实性两嵌入的宽容波束形成贝叶斯方法.不确实环境参量的先验概率密度函数(probability density function,PDF)通过多项式混沌展开与传播模型相结合... 详细信息

针对不确实海洋环境使声呐探测性能下降和宽容性差的问题,提出了环境参量和信号参量不确实性两嵌入的宽容波束形成贝叶斯方法.不确实环境参量的先验概率密度函数(probability density function,PDF)通过多项式混沌展开与传播模型相结合嵌入到接收信号的概率建模中,导出信号参量的先验PDF;接收信号参量先验PDF通过贝叶斯波束形成嵌入到处理中,转化为后验PDF.导出的后验概率最大贝叶斯波束形成具有估计器和相关器相结合的GLRT结构.仿真和实验数据分析结果表明:不确实环境参量导致接收声场发生秩扩展,由秩1扩展为秩2或秩3,贝叶斯波束形成体现了相干匹配与非相干积累的结合,实现了浅海环境中目标的正确定位,增加了宽容性.

关键词：环境不确实性概率建模宽容波束形成贝叶斯方法估计器-相关器

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海洋声学层析成像理论、技术和应用示范

中国科技成果 2022年第6期23卷 11-14页

作者：赵航芳无浙江大学中国船舶重工集团公司第七一五研究所国家海洋局第三海洋研究所西北工业大学哈尔滨工程大学中国科学院深海科学与工程研究所自然资源部第二海洋研究所中国科学院海洋研究所

国家重点研发计划“海洋声学层析成像理论、技术和应用示范”项目针对大范围水文参数层析和海底特性成像的需求,充分挖掘声波环境遥感遥测的潜力,围绕声波与不同时空尺度海洋过程及边界的相互作用机理,以及利用稀疏布放声传感设备层析... 详细信息

国家重点研发计划“海洋声学层析成像理论、技术和应用示范”项目针对大范围水文参数层析和海底特性成像的需求,充分挖掘声波环境遥感遥测的潜力,围绕声波与不同时空尺度海洋过程及边界的相互作用机理,以及利用稀疏布放声传感设备层析与成像环境特征的可辨识性等关键科学问题,旨在突破大深度低频发射换能器、大功率垂直发射阵、多元垂直接收阵、高精度阵元位置与阵形估计等核心关键工程技术,突破声场-动力耦合数据同化的声场预报等应用技术,重点发展面向大范围水文参数测量的低频声学层析技术和面向水下场景描绘的声学成像技术,完成深海声学层析系统集成和声学成像系统集成,开展深海声层析观测和示范试验,开展声成像试验,进行中尺度/亚中尺度过程探测和声速、声场预报,研发具有自主知识产权的高精度声场计算软件,为声学目标探测项目提供数据和信息服务。

关键词：可辨识性水文参数发射换能器系统集成国家重点研发计划传感设备数据同化工程技术

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内波环境下的时频匹配场定位方法

哈尔滨工程大学学报 2020年第10期41卷 1605-1610页

作者：李永飞赵航芳浙江大学信息与电子工程学院浙江杭州310063 浙江省海洋观测-成像试验区重点实验室浙江舟山316021 海洋感知技术与装备教育部工程研究中心浙江舟山316021

为了解决由内波引起的传统匹配场的环境失配问题,本文提出了时频匹配场处理方法。在海洋波导环境中,不同号模从声源到达接收阵的时间是不同的,由内波引起的n号耦合到m号的模与原未耦合的m号模到达时间也不相同。基于此原理,时频匹配场... 详细信息

为了解决由内波引起的传统匹配场的环境失配问题,本文提出了时频匹配场处理方法。在海洋波导环境中,不同号模从声源到达接收阵的时间是不同的,由内波引起的n号耦合到m号的模与原未耦合的m号模到达时间也不相同。基于此原理,时频匹配场处理将内波环境下的数据场与无内波环境下的拷贝场在时频域进行匹配,能够对内波引起的耦合模进行抑制,从而达到正确定位的目的。仿真结果表明:时频匹配场能够在内波环境下对声源进行准确定位,但主瓣强度有一定损失;在无内波环境下与传统匹配场相比,距离维旁瓣略有降低,但总体性能相近。

关键词：内波简正模模耦合时频匹配场定位失配声场

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非寻复域状态-空间滤波

浙江大学学报（工学版） 2014年第4期48卷 727-733页

作者：项楠赵航芳宫先仪浙江大学浙江省综合信息网技术重点实验室浙江杭州310027 杭州应用声学研究所浙江杭州310012

针对实际非平稳海洋声数据存在非寻和非圆特性,在状态-空间模型下,对复信号作增广表示,建立复域状态-空间模型.从观察者的角度,推导了复高斯条件下的最佳瞬变观察者的线性表达式,即复域卡尔曼滤波器.当状态-空间模型为非线性非高斯时,... 详细信息

针对实际非平稳海洋声数据存在非寻和非圆特性,在状态-空间模型下,对复信号作增广表示,建立复域状态-空间模型.从观察者的角度,推导了复高斯条件下的最佳瞬变观察者的线性表达式,即复域卡尔曼滤波器.当状态-空间模型为非线性非高斯时,最佳瞬态观察者须通过线性化或数值近似的方法近似得到.给出一种数值近似的方法——复域质点滤波,通过计算机仿真和波导实验证明了在信号非寻的情况下,复域卡尔曼滤波和复域质点滤波比常规的卡尔曼滤波和质点滤波具有更好的估计性能.

关键词：复域信号处理状态-空间模型序贯贝叶斯滤波

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混响背景下的信号检测

哈尔滨工程大学学报 2004年第1期25卷 34-37页

作者：赵航芳祝献宫先仪杭州应用声学研究所声呐技术国防科技重点实验室浙江杭州310012

海洋混响是主动声呐检测中主要的背景干扰,它是一种有色干扰噪声,并常被看做是一个非平稳的随机过程,这使得工作在白噪声条件下的最佳匹配滤波检测器的性能在一定程度上受到限制.因此,提出一种次最佳检测器,将混响看成局部平稳,并将接... 详细信息

海洋混响是主动声呐检测中主要的背景干扰,它是一种有色干扰噪声,并常被看做是一个非平稳的随机过程,这使得工作在白噪声条件下的最佳匹配滤波检测器的性能在一定程度上受到限制.因此,提出一种次最佳检测器,将混响看成局部平稳,并将接收信号分成许多小块,每小块利用自回归(AR)模型对混响时间序列进行建模,然后利用估计的AR系数构造白化滤波器,对混响进行预白化处理,并将白化后的序列用于匹配滤波检测器.通过计算机仿真和实验数据分析比较未白化与经白化处理的匹配滤波性能,结果表明,次最佳检测器比未白化匹配滤波在检测性能上可提高近3dB.

关键词：海洋混响匹配滤波自回归模型预白化处理信号检测主动声呐检测

不确实海洋中最小方差匹配场波束形成对环境参量失配的灵敏性分析

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哈尔滨工程大学学报 2011年第2期32卷 200-208页

作者：赵航芳李建龙宫先仪杭州应用声学研究所声纳技术重点实验室浙江杭州310012 浙江大学信息与电子工程学系浙江杭州310027

浅海环境背景下由于空-时采样不充分、介质的空时变化性,海洋环境参量通常是不确知的,由此驱动数值传播模型得到的拷贝声场也是不确实的,从而导致基于拷贝声场和测量声场作拷贝相关处理的最小方差匹配场波束形成性能下降.针对上述问题,... 详细信息

浅海环境背景下由于空-时采样不充分、介质的空时变化性,海洋环境参量通常是不确知的,由此驱动数值传播模型得到的拷贝声场也是不确实的,从而导致基于拷贝声场和测量声场作拷贝相关处理的最小方差匹配场波束形成性能下降.针对上述问题,利用NRL Workshop′93提供的典型浅海不确实海洋环境,以不确实情况下定位偏置、不确实时与确知时模糊度表面主瓣峰值比、主瓣背景比3个量为性能度量,量化分析了宽带最小方差匹配场波束形成的性能对水体声速、海深等8个环境参量不确实性的灵敏性.经对环境参量失配的全面量化分析,结果表明:海深、水体声速是最敏感参量,沉积层声速次之,其他参量的灵敏性最弱.

关键词：最小方差匹配场处理不确实海洋灵敏性

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双扩展信道中的时?延多普勒匹配滤波

应用声学 2012年第1期31卷 66-74页

作者：贾艳云赵航芳杭州应用声学研究所杭州310012

本文研究了时延和多普勒在信号和信道分析中的重要作用,论述了信号和信道的时延—多普勒性质,并进行了表征。信号的模糊度函数可用于指导发射波形设计,而广义平稳非相关散射条件下信道的散射函数则可用于指导信道估计。在此基础上,提出... 详细信息

本文研究了时延和多普勒在信号和信道分析中的重要作用,论述了信号和信道的时延—多普勒性质,并进行了表征。信号的模糊度函数可用于指导发射波形设计,而广义平稳非相关散射条件下信道的散射函数则可用于指导信道估计。在此基础上,提出了发?收联合时延?多普勒匹配滤波框架,得出了发射?处理波形的互模糊度函数与信道散射函数在时延?多普勒平面内的重叠面积与系统性能成正比的结论。计算机仿真结果验证了本文方法的有效性。

关键词：双扩展信道互模糊度函数信道散射函数时延-多普勒匹配滤波

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波导环境多目标时延-多普勒解卷成像

声学学报 2016年第3期41卷 353-361页

作者：曾小辉赵航芳宫先仪李春晓浙江大学信息与电子工程学院杭州310027 杭州应用声学研究所杭州310023 浙江工业大学机械工程学院杭州310014

有源声呐感兴趣的参量是目标距离和径向速度,它们无法直接观测得到,需要通过估计而获得。利用波导多路径环境多目标时延-多普勒模型,可以导出采样互模糊度函数均值是发射信号自模糊度函数与广义目标反射性密度函数的两维卷积,其中广义... 详细信息

有源声呐感兴趣的参量是目标距离和径向速度,它们无法直接观测得到,需要通过估计而获得。利用波导多路径环境多目标时延-多普勒模型,可以导出采样互模糊度函数均值是发射信号自模糊度函数与广义目标反射性密度函数的两维卷积,其中广义目标反射性密度函数为信道扩展函数与目标反射性密度函数的两维卷积。依据信息理论最小Csiszar鉴别准则,可导出R-L(Richardson-Lucy)迭代解卷算法,对采样互模糊度函数均值进行两维迭代解卷积,消除发射信号和信道引入的模糊,序贯地实现时延-多普勒两维像的估计,进而获得多目标的时延和多普勒参量估计。仿真结果和海上实验数据分析验证了R-L解卷算法的可行性和有效性,较之常规的匹配滤波和维纳滤波算法,R-L算法有效地提高了时延和多普勒估计的分辨力和精度。

关键词：模糊度反射性扩展函数密度函数参量估计解卷积滤波算法实验数据分析声呐径向速度