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浅海环境中的匹配模态空间检测器

声学学报 2018年第4期43卷 504-515页

作者：李明杨孙超刘雄厚孔德智西北工业大学海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室西安710072 西北工业大学航海学院西安710072

将水下声传播规律融入到算法设计中可以有效提高被动声呐目标检测性能。当声源位置未知时,广义似然比检测器和贝叶斯检测器分别通过搜索和积分的方式来消除声源位置不确定性的影响。但是,基于有限个信号波前实现的广义似然比检测器和贝... 详细信息

将水下声传播规律融入到算法设计中可以有效提高被动声呐目标检测性能。当声源位置未知时,广义似然比检测器和贝叶斯检测器分别通过搜索和积分的方式来消除声源位置不确定性的影响。但是,基于有限个信号波前实现的广义似然比检测器和贝叶斯检测器在某些声源位置上存在性能大幅下降的问题。为此,利用水下声传播的物理特性,提出了一种稳健的子空间检测器——匹配模态空间检测器,稳健的意义在于：当阵列获取到的辐射声信号能量给定时,检测器可以在不同声源位置情况下提供相同的检测性能。该检测器通过模态空间一定程度上利用了海洋环境知识,获得了比具有相同稳健性的能量检测器更好的检测性能。典型浅海环境中的仿真实验对比结果表明：匹配模态空间检测器相比广义似然比检测器和贝叶斯检测器的峰值性能下降较小、所需的计算量更少、对环境失配的宽容性更好。

关键词：能量检测器模态空间浅海环境匹配位置不确定性广义似然比检测性能被动声呐目标

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浅海环境中矢量水听器角度谱特性

声学学报 2018年第1期43卷 12-22页

作者：侯文姝笪良龙孙芹东海军潜艇学院

为探明远场舰船噪声和近场平台噪声声能流相互作用的机制对矢量水听器角度谱特性的影响,基于简正波矢量场理论,构建舰船平台噪声声场模型,获得与海上实验结果相符的声能流角度谱特性,声能流方向均随频率变化。对远场舰船噪声声能流和近... 详细信息

为探明远场舰船噪声和近场平台噪声声能流相互作用的机制对矢量水听器角度谱特性的影响,基于简正波矢量场理论,构建舰船平台噪声声场模型,获得与海上实验结果相符的声能流角度谱特性,声能流方向均随频率变化。对远场舰船噪声声能流和近场平台噪声声能流相互作用进行仿真,两者声能流强度的此消彼长使角度谱出现4种条纹,与海上实验获得的角度谱特性一致,导致目标方位估计出现误差,且不同频带上的结果不一致。说明两个声能流相互作用时,影响合成能流角度谱特性的主要因素是两者的声压级之差,为浅海中同时存在多个声源时的目标方位估计提供参考。

关键词：水听器舰船噪声点声源声能流水平方位角谱特性浅海环境

基于浅海环境潜器振动的水下声辐射计算模型研究进展

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科学通报 2022年第27期67卷 3269-3281页

作者：习强傅卓佳河海大学力学与材料学院南京211100

海洋环境中水下潜器振动与声学行为的准确预测是潜艇声隐身技术和海洋水声探测技术的研究基础.在浅海水声信道环境中,水下潜器的振动与声学性能不仅涉及固体、流体和声场的耦合作用,还会被海面与海底的反射作用,以及海水声速的不均匀分... 详细信息

海洋环境中水下潜器振动与声学行为的准确预测是潜艇声隐身技术和海洋水声探测技术的研究基础.在浅海水声信道环境中,水下潜器的振动与声学性能不仅涉及固体、流体和声场的耦合作用,还会被海面与海底的反射作用,以及海水声速的不均匀分布所影响.为了准确表征浅海环境对潜器振动声学特性的影响,国内外研究者提出了有限元法、有限元-抛物方程法、有限元-简正波法、有限元-边界元法、有限元-波叠加法和有限元-奇异边界法等数值计算模型用于振动与声学领域的研究.本文聚焦中低频段振动声学分析的确定性计算模型,讨论了数值计算模型的两种不同分析模式:湿模态分析模式和干模态分析模式,并从水声传播模型和数值算法两方面评述了浅海环境中水下潜器振动与声学计算模型的发展和应用现状.现有的大部分计算模型都只考虑水平海面和海底的浅海环境,在未来的发展中需要拓展计算模型的适用范围,提高数值算法的计算效率,发展出适用于典型和复杂浅海环境分析的高性能计算模型,为海洋环境中水下潜器的振动声学行为快速预报提供技术支撑.

关键词：浅海环境水下潜器振动海洋声学计算声学

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浅海环境水下航行器低频地声诱发机制及特性

浅海环境水下航行器低频地声诱发机制及特性

作者：张浩哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

水下航行器激励下诱发的海底地声主要由结构振动噪声传递到海底并与海底介质作用产生,对地声的研究不仅可以提高相关机制及特性规律的认识,也是对水声探测的一种重要补充。水下航行器激励下诱发的地声涉及到结构、流场和海底介质的相互... 详细信息

水下航行器激励下诱发的海底地声主要由结构振动噪声传递到海底并与海底介质作用产生,对地声的研究不仅可以提高相关机制及特性规律的认识,也是对水声探测的一种重要补充。水下航行器激励下诱发的地声涉及到结构、流场和海底介质的相互耦合和能量传递,其相关机制与特性规律不仅与声源类型、载荷位置有关,还受到海水深度、结构到海底距离、海底底质、海底地形的影响,因此对水下航行器激励下诱发地声进行系统化研究具有重要意义。首先,本文围绕地声数值模拟方法、低频地声诱发机制和浅海地声特性等国内外研究现状进行了详细总结,并对地声波动成分诱发方程进行了梳理,从理论研究和数值仿真等方面分析了水下航行器激励下诱发地声的研究方法。采用数值仿真计算作为总体研究方法,将有限元-无限元边界方法作为水下航行器诱发地声的基本计算方法,使用点声源地声模型,通过开展波场成分验证以及边界吸收效果验证,验证了本文计算方法的合理性。其次,考虑到远场计算中使用三维模型会严重增加网格数量,影响计算效率,且在一平面内提取考核点进行分析也可以得到地声的相关数据,因此使用二维模型探究结构诱发地声的相关机制,同时考虑到考核目标尽可能体现结构特性,因此以与水下航行器剖面相似的锥柱球纵剖面结构作为研究对象,针对声源类型和载荷位置,对声源诱发地声的相关机制进行了研究,并针对结构距离海底25m、100m和250m航行工况,海底底质为砾岩、玄武岩海底环境开展研究,同时因为地声在浅海的优势且目前研究人员分析的浅海水深均在400m以内,因此海水深度分别设置为100m、200m和300m,分析了结构与海底距离、海底介质和海水深度等不同因素下结构诱发地声的远场特性规律。然后,在上述研究的基础上,将数值计算方法应用到三维空间,考虑到大型结构会导致网格数量急剧增加,影响计算效率,采用小尺度结构同样可以探究地声的空间特性,因此以局部舱段结构作为研究对象,通过分别加载5Hz、20Hz和45Hz主频载荷,改变海底山高度为30m(低于结构与海底距离)、50m(等于结构与海底距离)、70m(高于结构与海底距离),改变大陆架高度为30m(低于结构与海底距离)、50m(等于结构与海底距离)、70m(高于结构与海底距离)进行数值计算分析,进一步研究了载荷主频、海底山、大陆架对结构诱发地声空间特性的影响规律。最后,以Suboff水下航行器作为研究对象,通过数值手段计算了凝水泵、冷却水泵、推进电机和多设备激励下Suboff水下航行器的低频地声响应,探究了Suboff水下航行器激励下诱发地声机制、线谱特性规律以及空间特性,为实尺度水下航行器激励下诱发地声的预报、评估提供数据支撑。

关键词：水下航行器低频诱发机制浅海环境地声特性

三维浅海环境下孤立子内波对低频声能流的传播影响

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声学学报 2021年第3期46卷 365-374页

作者：祝捍皓肖瑞朱军薛洋洋张士钊浙江海洋大学海洋科学与技术学院舟山316022 浙江大学浙江省海洋观测成像试验区重点实验室舟山316021 浙江海洋大学船舶与机电工程学院舟山316022 哈尔滨工程大学水声工程学院哈尔滨150001

针对三维浅海环境下孤立子内波对低频声信号传播特性的影响问题,基于Oxyz坐标系下的三维浅海低频声场有限元计算方法,以声能流为研究对象,仿真分析了内波存在对低频声信号传播特性的影响规律。研究结果表明:受内波影响,在xOz平面,声能... 详细信息

针对三维浅海环境下孤立子内波对低频声信号传播特性的影响问题,基于Oxyz坐标系下的三维浅海低频声场有限元计算方法,以声能流为研究对象,仿真分析了内波存在对低频声信号传播特性的影响规律。研究结果表明:受内波影响,在xOz平面,声能流垂直分量的传播偏转角度呈现周期性的起伏规律;随着声源深度的增加,内波对声能流偏转角度的影响深度也随之增加。对xOy平面,当声源位于温跃层以上时,随着接收深度的增加,各深度平面上声能流水平分量的偏转角越大;随着声源深度的增加,内波对各深度平面上声能流的影响逐渐减弱。

关键词：声能流水平偏转传播方向温跃层孤立子内波浅海环境传播影响

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浅海环境下数据同化声层析方法研究

声学学报 2012年第1期37卷 10-17页

作者：李建龙徐文金丽玲郭圣明浙江大学信息与电子工程学系杭州310027 浙江省综合信息网技术重点实验室杭州310027 中国科学院水声环境特性重点实验室北京100190

讨论了适用于浅海的基于声速局部测量模型、声传播模型及声压场局部测量模型的声学数据同化方法,并给出了具体的执行算法。该算法根据最优化准则把局部声速和声压场的先验测量信息,以及声传播模型进行了有效地融合,提高了海洋环境参数... 详细信息

讨论了适用于浅海的基于声速局部测量模型、声传播模型及声压场局部测量模型的声学数据同化方法,并给出了具体的执行算法。该算法根据最优化准则把局部声速和声压场的先验测量信息,以及声传播模型进行了有效地融合,提高了海洋环境参数估计的精度,为浅海声层析提供了新思路。同时,利用实验浅海声速测量数据,通过经验正交函数对实际海洋声速剖面进行了估计,并分析了各类噪声对水体声速场及海底声学参数估计精度的影响,验证了该执行算法的有效性。

关键词：浅海环境数据同化声层析海底声学参数声速剖面声传播模型执行算法经验正交函数

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利用拖船自噪声进行浅海环境参数贝叶斯反演

声学学报 2019年第6期44卷 1017-1026页

作者：薄连坤熊瑾煜张晓勇刘成元盲信号处理重点实验室

研究了以拖船自噪声为参考声源的浅海环境参数反演问题,并针对反演结果不确定性快速量化评估问题,提出了一种基于自适应重要性抽样的贝叶斯反演新方法。反演利用了拖船自噪声低频线谱成分,并采用混合高斯推荐函数自适应推荐声场模型样本... 详细信息

研究了以拖船自噪声为参考声源的浅海环境参数反演问题,并针对反演结果不确定性快速量化评估问题,提出了一种基于自适应重要性抽样的贝叶斯反演新方法。反演利用了拖船自噪声低频线谱成分,并采用混合高斯推荐函数自适应推荐声场模型样本,使得样本集中于参数高概率密度区域,实现后验概率密度快速收敛计算。仿真试验结果表明:拖船自噪声反演能够准确估计水深、沉积层及阵列参数等。所提自适应重要性抽样贝叶斯反演方法的计算效率优于快速吉布斯抽样方法。利用试验数据处理验证,反演得到试验海域声学环境参数,计算传播损失与各阵元接收线谱强度变化吻合,说明反演最优环境模型能准确表征声场传播特征。

关键词：混合高斯重要性抽样吉布斯抽样自噪声浅海环境传播损失声学环境概率密度

射线理论下的浅海环境噪声场空间相干性分析及海底声学参数反演

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声学学报 2018年第3期43卷 298-306页

作者：陈勃赵梅胡长青 Zygmunt Klusek 中国科学院大学北京100190 中国科学院声学研究所东海研究站上海201800 波兰科学院海洋研究所索波特999038

基于射线理论,以简化海底模型为基础,获得了浅海噪声场空间相干性在频域上的表示方法,并用于海底声学参数反演。将风关海洋噪声看作分布在无限大平面上的点源,通过计算噪声场垂直方向上的能量分布,进一步获得空间两点噪声场频域相干性... 详细信息

基于射线理论,以简化海底模型为基础,获得了浅海噪声场空间相干性在频域上的表示方法,并用于海底声学参数反演。将风关海洋噪声看作分布在无限大平面上的点源,通过计算噪声场垂直方向上的能量分布,进一步获得空间两点噪声场频域相干性表达式。利用数值仿真验证了模型对于不同海底类型的敏感性。并结合噪声场空间两点的频域相干性海上实验数据,反演得到该处海域的底质类型,进一步获得海底声速、密度和声衰减系数。结果表明,反演得到的海底参数与实际情况符合较好,文中提出采用的这种计算方法能够有效的反映海底反射对于噪声场空间相干性的影响,并且可在一定程度上提高反演海底声学参数效率。

关键词：海底声学参数空间相干性相干性分析海底反射参数反演浅海环境射线理论噪声场

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浅海环境下多目标源DOA估计算法研究

浅海环境下多目标源DOA估计算法研究

作者：贾晋华天津大学

学位级别：硕士

水下目标定位技术是海洋科学研究的重要组成部分,在水下通信、声纳和国家安全等领域都有着广泛的应用前景。基于信号源的到达角（Direction of Arrival,DOA）估计能够实现空间环境中多个目标源的高分辨率方位估计,进而实现目标精确定位... 详细信息

水下目标定位技术是海洋科学研究的重要组成部分,在水下通信、声纳和国家安全等领域都有着广泛的应用前景。基于信号源的到达角（Direction of Arrival,DOA）估计能够实现空间环境中多个目标源的高分辨率方位估计,进而实现目标精确定位。本文主要结合数学分析和仿真实验研究水下目标源的DOA估计算法,并对算法中存在的有关问题进行讨论,主要通过以下几个方面进行实现:针对传统算法在信号源数目多于传感器数目时无法精确测量的缺陷,本文利用分数阶傅立叶变换方法将传感器阵列输出转化到分数阶域中进行处理,对空间中的多个目标源信号分别选取合适的旋转角度,成功实现多目标源的分离。然后利用单矢量传感器的信号输出,并对其进行合理的延时,结合二者利用FrFT-ESPRIT算法分别对多目标源的二维DOA参数值进行估计。此外,本文对水下噪声环境重尾严重的现象进行了描述,并通过仿真建模的方法利用合成圆对称广义高斯分布来模拟水下噪声分布,同时针对在此噪声分布下传感器阵列输出信号的协方差矩阵高阶矩不存在的情况,利用分数低阶矩矩阵的方法进行处理。最后利用MATLAB仿真软件验证参数估计效果的有效性和精确性。由于受到水下环境复杂性的影响,传感器阵列的方向矩阵有可能存在非理想增益值,本文利用最小二乘法对传感器阵列瞬时增益值进行最优化估计,并采用矢量化方法增加阵列输出信号的维数,从而增加可测量信号源的数目,然后将空间信号到达角度进行稀疏化,重构稀疏矩阵,利用稀疏表示的方法估计信号源的DOA参数值,仿真结果显示本方法不仅能够提高参数测量的精确度和检测概率,而且降低了对环境信噪比的要求,这在实际海洋环境测量中是非常有用的。

关键词：浅海环境水下噪声 DOA估计分数阶傅里叶变换声矢量传感器非理想增益稀疏表示