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应用声学 2020年第6期39卷 810-820页

作者：李天宇李宇黄海宁迟骋中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

使用水下无人平台作为拖曳阵的载体,进行被动目标深度估计具有灵活性高和隐蔽性好的优点。针对实际应用中存在的平台自噪声干扰和阵列瞬时随机加速度扰动问题,提出了一种稳健的目标深度估计方法。该方法分为3个步骤,首先对阵元接收信号... 详细信息

使用水下无人平台作为拖曳阵的载体,进行被动目标深度估计具有灵活性高和隐蔽性好的优点。针对实际应用中存在的平台自噪声干扰和阵列瞬时随机加速度扰动问题,提出了一种稳健的目标深度估计方法。该方法分为3个步骤,首先对阵元接收信号进行自适应噪声抵消和相位抖动滤波,然后对声压进行距离积分实现简正波模态估计,最后计算模态匹配度,最大值对应的深度为目标深度估计结果。仿真表明在干扰背景下该方法的目标深度估计稳健性优于传统方法,声源频率、合成孔径距离和信干比决定了目标深度估计误差。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。

关键词：目标深度估计水下无人平台拖曳阵

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拖曳阵机动中阵形与空间谱融合估计研究

计算机仿真 2019年第3期36卷 294-297,311页

作者：薄连坤熊瑾煜西南电子电信技术研究所四川成都610041

柔性拖曳阵需要阵形已知才能保证探测处理增益。拖船机动将导致拖曳阵形畸变、波束形成性能下降,增益降低。针对该问题,研究提出基于航向与声学数据的阵形与空间谱融合估计方法。首先,基于阵列动态运动模型,在粒子滤波框架下,由阵列航... 详细信息

柔性拖曳阵需要阵形已知才能保证探测处理增益。拖船机动将导致拖曳阵形畸变、波束形成性能下降,增益降低。针对该问题,研究提出基于航向与声学数据的阵形与空间谱融合估计方法。首先,基于阵列动态运动模型,在粒子滤波框架下,由阵列航向传感器实时测量值预测阵形参数。然后,由阵列接收声学数据似然函数计算粒子权值,并进行粒子重采样获得阵形估计结果。最后,利用融合滤波估计的阵形计算波束形成输出能量,获得时变空间谱。利用某次海试数据对所提方法进行处理验证,结果表明,相较于拖曳阵阵形估计常规方法,所提方法能够更加准确估计阵形,获得更清晰连续的目标方位轨迹估计结果,有效提高了拖曳阵转弯机动过程对弱目标的检测能力和左右舷分辨能力。

关键词：拖曳阵阵形估计粒子滤波空间谱

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拖曳阵左右舷分辨方法研究

拖曳阵左右舷分辨方法研究

作者：朱英慧哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

在声纳系统中,波束形成中左右舷分辨技术一直受到世界各国学者的广泛重视,也是现今非常迫切实现的关键技术之一。本文主要围绕拖曳阵左右舷分辨技术进行了研究,基于双线阵以及矢量阵分别研究了四种左右舷分辨方法,并从多个方面对比分析... 详细信息

在声纳系统中,波束形成中左右舷分辨技术一直受到世界各国学者的广泛重视,也是现今非常迫切实现的关键技术之一。本文主要围绕拖曳阵左右舷分辨技术进行了研究,基于双线阵以及矢量阵分别研究了四种左右舷分辨方法,并从多个方面对比分析各自的特点及优缺点,为实际应用中解决左右舷模糊问题提供了可靠的参考依据。通过仿真实验和对外场矢量阵数据的处理,验证了方法的可行性和有效性。首先依据拖曳阵的发展历史分别列举了具有代表性的左右舷分辨方法,简要概述其工作方式及特点,介绍拖曳阵左右舷分辨的的发展以及现状。分析了双线阵的自然指向性及其左右舷分辨能力,在此基础上介绍了几何相移左右舷分辨方法与时延相加相减左右舷分辨方法。它们具有计算量小、实时性好的优点,针对单频或窄带信号具有较理想的左右舷分辨能力,在低信噪比条件下具有一定的左右舷分辨优势,受阵型畸变的影响比较小。几何相移左右舷分辨方法对信号带宽展宽非常敏感。通过仿真实验验证了这两种方法的可行性和有效性。研究了矢量阵的自然指向性及其左右舷分辨能力,在此基础上提出了基于声压振速互谱的左右舷分辨方法和基于Bartlett零陷权的左右舷分辨方法。这两种方法应用环境广泛,一定程度上克服了矢量常规波束形成在不同方位分辨能力不均匀的缺点,提高目标检测速度。基于声压振速互谱的左右舷分辨方法不适用于同频多目标的情况。基于Bartlett零陷权的左右舷分辨方法解决了同频多目标的问题,在两个目标关于阵列完全对称的条件下依然适用。通过外场实验数据验证了基于声压振速互谱的左右舷分辨方法和基于Bartlett零陷权的左右舷分辨方法的可行性。最后,从实时性、稳健性、计算量、硬件复杂程度以及制造成本多个方面对比分析以上四种左右舷分辨方法。

关键词：左右舷分辨双线阵矢量阵拖曳阵

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拖曳阵的目标方位估计

拖曳阵的目标方位估计

作者：陈智东南大学

学位级别：硕士

拖曳阵声呐具有可探测频率低、探测距离远、水文环境适应能力强等优点,越来越受到人们重视。本文重点研究浅海环境下,拖曳阵的目标方位估计问题。本文首先讨论了浅海DOA估计基础,建立了基于简正波的阵列信号模型,并讨论了简正波模型下... 详细信息

拖曳阵声呐具有可探测频率低、探测距离远、水文环境适应能力强等优点,越来越受到人们重视。本文重点研究浅海环境下,拖曳阵的目标方位估计问题。本文首先讨论了浅海DOA估计基础,建立了基于简正波的阵列信号模型,并讨论了简正波模型下相关声场参数的计算。然后讨论了几种经典的基于平面波假设的DOA估计算法,并通过实验仿真分析了简正波声场对这些DOA估计方法性能的影响。其次研究讨论了基于简正波模型的DOA估计算法,包括NM-MVDR方法、NM-MUSIC方法和SI方法;分析了 SI方法稳定性差的原因,并针对这一问题,研究讨论了 CLS-SI方法;通过实验仿真分析了这些算法在典型浅海环境下的性能。最后研究了拖曳阵目标方位估计有效实现。将简正波理论和近场源估计方法相结合,研究提出了基于简正波模型的近场源方位估计方法,该方法不需要进行二维搜索,计算量较低;针对拖曳线列阵左右舷分辨的问题,研究了利用平台机动和阵型畸变进行左右舷分辨的方法,研究提出了基于三维声场模型的左右舷分辨方法;利用计算机仿真实验分析了上述算法的性能。

关键词：拖曳阵浅海 DOA估计简正波

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拖曳阵矢量阵元的研究

拖曳阵矢量阵元的研究

作者：孙芹东哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

复合式矢量水听器兼有声压通道和矢量通道，并且二者具有相同的等效声中心，可以空间共点、时间同步地获得水下的标量和矢量信号，从而完备地描述声场信息。同振式矢量水听器由于其工作原理简单、灵敏度高、指向性高、工程使用方便等优... 详细信息

复合式矢量水听器兼有声压通道和矢量通道，并且二者具有相同的等效声中心，可以空间共点、时间同步地获得水下的标量和矢量信号，从而完备地描述声场信息。同振式矢量水听器由于其工作原理简单、灵敏度高、指向性高、工程使用方便等优点而成为目前工程应用中普遍采用的结构。本文以实际水声工程需要为研究背景，为满足拖曳线列阵的阵元要求，开展一种关于低频、高灵敏度、小尺寸、具有两端带球帽的不规则柱体结构(本文以下皆简称胶囊形)的矢量水听器的设计、制作、性能参数测试校准以及矢量水听器在拖曳阵中应用技术研究。文中首先利用有限元软件COMSOL Multiphysics软件对基于球体、柱体和胶囊体三种结构的声接收器的指向性和振速比进行相关计算和对比，其次分析球体和柱体两种结构的声接收器的柔性悬挂模型，给出胶囊形声接收器的近似悬挂模型，最后设计制作了10只二维复合式矢量水听器。本文设计制作的矢量水听器外形尺寸为Φ20×35mm，工作频带为10000Hz，密度为1150kg/m3，声压通道实测灵敏度值为-202198dB(0dB=1V/μPa)，矢量通道实测灵敏度值为-190dB188dB(1000Hz，0dB=1V/μPa)，在工作频带内余弦指向性良好，满足了拖曳阵的应用要求。

关键词：拖曳阵矢量水听器 MEMS 悬挂模型

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美国潜艇拖曳阵声呐技术特点及发展趋势

舰船科学技术 2016年第9期38卷 150-153页

作者：董波张郑海海军信息局电子设备处北京100036 渤海船舶重工有限责任公司辽宁葫芦岛125004

根据现有公开技术资料,对美国潜艇拖曳阵声呐的发展情况、技术特点进行阐述,并预测了拖曳阵声呐的发展趋势。

关键词：潜艇拖曳阵声呐

矢量拖曳阵MVDR波束形成及本舰干扰抵消方法研究

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矢量拖曳阵MVDR波束形成及本舰干扰抵消方法研究

作者：石钰哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

拖曳阵以其大孔径、工作频率低、探测距离远的优点，已经广泛应用到多种舰艇上，同时随着矢量水听器研究的深入，其也开始逐渐应用到了拖曳阵声呐中。虽然拖曳阵远离舰船，但是舰船的噪声对于远距离的目标信号来说仍属于强干扰，因此对... 详细信息

拖曳阵以其大孔径、工作频率低、探测距离远的优点，已经广泛应用到多种舰艇上，同时随着矢量水听器研究的深入，其也开始逐渐应用到了拖曳阵声呐中。虽然拖曳阵远离舰船，但是舰船的噪声对于远距离的目标信号来说仍属于强干扰，因此对矢量阵列性能和降低舰船干扰的研究，对于提升拖曳阵性能具有重要意义。本文首先研究了本舰干扰抵消的自适应干扰抵消技术。通过对本舰干扰的时频域特性进行分析可知，本舰干扰是随机变化的信号，因此采用变换域自适应干扰抵消技术，同时采用二阶锥规划方法设计时域FIR波束形成器来提取本舰干扰信号。本文接着分析了矢量水听器阵列波束形成器的数学模型，其中重点研究了MVDR波束形成器的性能，给出了矢量MVDR的波束图和其在有限抽样数据下的最优权向量，同时以系统输出的信干噪比作为性能的重要评价标准，推导了阵列输出信干噪比的一般形式，并讨论了当无干扰和含有单一干扰时，信干噪比的变化特点。并将之前的本舰干扰抵消技术应用到矢量阵中，实现了矢量阵的本舰干扰抵消。最后，本文通过试验验证了变换域自适应干扰抵消技术，证明该抵消技术切实有效。在高信噪比的条件下，矢量阵MVDR可以很好的抑制干扰，但是在低信噪比时，其抑制干扰的性能将会受到影响，由其构成的拖曳阵的性能也会下降。采用了变换域自适应噪声抵消方法可以降低来自端向的本舰干扰影响，从而更好地发挥矢量拖曳阵MVDR良好的抑制干扰，估计方位的能力。

关键词：拖曳阵本舰干扰自适应矢量阵 MVDR DOA

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光纤水听器拖曳阵流噪声特性与测试方法研究

光纤水听器拖曳阵流噪声特性与测试方法研究

作者：何亮国防科学技术大学

学位级别：硕士

流噪声是拖曳声纳系统的主要噪声,也是光纤水听器拖曳细线阵研发的技术难点之一。本文以细线拖曳阵声纳应用为背景,进行光纤水听器细线阵技术和流噪声抑制技术的研究。通过光纤水听器的小型化和组阵结构的改进,试制了?20mm的细线拖曳阵... 详细信息

流噪声是拖曳声纳系统的主要噪声,也是光纤水听器拖曳细线阵研发的技术难点之一。本文以细线拖曳阵声纳应用为背景,进行光纤水听器细线阵技术和流噪声抑制技术的研究。通过光纤水听器的小型化和组阵结构的改进,试制了?20mm的细线拖曳阵,研制了无动力拖体流噪声测量系统,进行了流噪声测试,得到了光滑PU管下较低的流噪声测量结果。为进一步降低流噪声,进行了仿生降噪技术的研究。通过仿生沟槽表面流体特性研究,解决了相关制备工艺技术问题,制成了具有抑制覆面层流噪声效果的仿生覆层,并通过低噪声无动力水洞和湖上拖曳试验,对相关仿生覆层的降噪特性进行了测试。测试结果表明:1)水洞测试时,仿生沟槽对流体边界层噪声有4dB的降噪量;2)湖上测试说明,沟槽对高频噪声成分抑制效果明显,并且高速拖曳时的降噪能力优于低速拖曳;3)沟槽覆层只对湍流度较高时的边界层噪声有降噪作用,当拖曳阵附近流体相对平稳时没有降噪能力,甚至有可能导致流噪声恶化;4)长阵、长的减振段和良好的拖尾使光纤水听器拖曳细线阵流噪声性能良好;5)水洞测试是流体边界层流噪声研究的有效的实验方法和研究手段。

关键词：光纤水听器拖曳阵流噪声仿生沟槽

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基于拖曳阵的稳健波束形成技术研究

基于拖曳阵的稳健波束形成技术研究

作者：牛聪国防科学技术大学

学位级别：硕士

拖曳阵声纳在军事上的水下目标探测和商业中的海洋地层、油气勘探等领域得到了广泛的应用。其中,目标方位估计是拖曳阵目标探测的核心功能。但是,由于拖曳阵本身的特点,在拖曳过程中存在阵形畸变、流噪声等影响,在目标方位估计时,需要... 详细信息

拖曳阵声纳在军事上的水下目标探测和商业中的海洋地层、油气勘探等领域得到了广泛的应用。其中,目标方位估计是拖曳阵目标探测的核心功能。但是,由于拖曳阵本身的特点,在拖曳过程中存在阵形畸变、流噪声等影响,在目标方位估计时,需要采用高稳健性波束形成技术。本文分析了几类常用拖曳阵波束形成算法的基本原理,重点对特殊情况下,拖曳阵自适应波束形成算法的性能进行了分析。在阵形层面上,论文设计了基于航向传感器的阵形重构算法,实现了阵形的校正,提高了目标测向的精度。在信号层面上,文中采用了凸优化方法进行MVDR(最小方差无畸变响应)波束形成算法优化,降低了波束形成算法对条件失配的敏感性。论文的主要工作和创新点如下:1.针对MVDR自适应波束形成算法,仿真分析了拖曳阵通道幅相误差和有限快拍数对MVDR波束图的影响。随着通道幅相误差的增大和快拍数的降低,波束形成得到的主瓣宽度和旁瓣高度增加,测向精度降低。2.针对拖曳阵阵形畸变问题,提出了基于航向传感器和多项式拟合的阵形重构算法。采用航向传感器,获得拖曳阵特定位置的角度信息,再利用多项式拟合获得全阵角度信息的估计值,最后积分计算获得每个基元的位置信息。仿真结果表明该算法对典型阵形畸变下,拖曳阵波束形成目标测向的精度改善具有较好效果(在16基元,传感器误差0.5°条件下,波束形成测向误差由8°降低至1°)。3.将凸优化方法应用到MVDR算法的权值优化中,推导出了凸优化波束形成算法。仿真分析和试验数据处理的结果都表明,凸优化改进的MVDR算法,在波束形成目标测向中具有更好的性能。

关键词：拖曳阵波束形成 MVDR 凸优化