提出了一种基于深海海底声反射区声场频域干涉结构特征的水下宽带近海面声源深度估计方法。该方法通过建立深海海底声反射区到达声场结构模型, 推导了垂直阵接收信号波束输出幅度谱的近似表达式, 利用幅度谱与声源深度和垂直到达角(俯仰角)之间的周期变化关系, 将接收信号映射到深度−垂直到达角域中, 实现了对宽带声源的深度估计。仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性, 南海实验结果表明: 利用阵长为64 m的垂直短阵接收标定深度为50 m和100 m的双弹信号, 得到的深度估计结果同实际声源深度吻合较好, 估计误差不超过7%, 验证了该方法的有效性。

为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性, 提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据, 分析了宽带脉冲信号的多途传播特性, 然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法, 在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式, 实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明: 在印度洋深海非完全声道条件下, 在100 km范围内, 使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确, 但仍有估计误差较大点; 联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度, 对于200 m深度的声源, 距离估计均方根误差为2.5 km, 相对误差小于4%, 方位估计均方根误差为2.4°。

提出了定位远近场混合源的波束解卷积技术, 针对非相干远近场混合声信号的线列阵观测结果, 推导了其常规波束形成(CBF)空间谱中固有的广义二维卷积数学关系, 利用Richardson-Lucy算法实现波束能量聚焦以获得近场目标的精确空域参数估计, 通过混合源协方差矩阵向近场流形的正交补空间投影操作提取远场分量, 并分析得到其内在的一维卷积关系, 然后通过角度域波束解卷积进行远场信号的波达估计。仿真分析表明, 所提方法提升了CBF谱的空域分辨力, 通过投影映射隔离近场分量后实现了混合源的分离。与现有方案相比, 所提算法针对远场信源可实现10 dB的背景噪声级抑制。

在水声信号处理中, 传统的无源声呐宽带目标检测在多目标、强干扰的复杂环境中输出信噪比低, 使得检测性能急剧下降。针对此问题, 提出一种基于均匀线列阵在频域−波数域上宽带信号能量分布特性进行目标检测的方法。该方法首先将阵列信号转换到频域−波数域, 利用不同频率下波数主瓣、旁瓣宽度特征以及空间分布特征, 设计针对主瓣的判别与分配方法, 实现对同一目标不同频率下波数谱主瓣判别, 使用主瓣能量累积、主瓣数目累积的方式来形成方位谱, 从而进行目标检测。理论分析和仿真结果表明, 所提方法只利用对目标检测有突出贡献的波数主瓣, 降低了旁瓣的影响, 有效提高了无源宽带水声目标的检测能力。海上试验数据处理结果表明, 目标输出信噪比相比子带峰值能量检测算法可提高5.58 dB, 较传统能量检测可提高8.73 dB, 计算时间相比传统能量检测降低46%, 验证了所提方法的有效性与实时性。

提出了一种基于声场多极子展开的小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法。该方法利用了声场的垂直振速信息, 并结合球谐波函数与多极子模态之间的联系, 可用二维的阵列结构合成指向任意方向的三维波束图, 简化了三维波束形成所需的阵列结构。以3 × 3均匀矩形阵为例的仿真结果表明, 在相邻阵元间距小于0.2倍信号波长时, 所提方法引入的差分近似误差可被忽略, 所得阵列波束图接近理论波束图。相比于声压球面阵三维波束形成方法, 所提方法在低频段能在获得相同阵增益的同时有着更好的稳健性, 为实现小尺寸阵列的三维波束形成提供了一种可靠的方法。

为进一步提高水声通信可靠性和频带利用率, 针对极化编码调制的水声通信需求和信道特性, 基于蒙特卡洛法提出动态水声信道认知优化统计目标参数、联合译码的判决反馈信道估计两点改进, 建立了适用于编码调制水声信道中的极化码构造算法。为验证该算法性能, 建立了极化编码调制水声通信的两步应用机制。通过仿真, 比对并分析改进前后的极化码构造方法性能、对时变信道的鲁棒性, 以及在不同映射规则下的联合比特交织和多级编码的极化编码调制水声通信性能, 并与低密度校验(LDPC)编码调制系统进行对比。湖试结果表明, 提出的极化编码调制水声通信方案有效保证了信息在浅水水声信道中的可靠传输, 在信噪比约为14 dB、通信距离约1 km时, 实现无误码传输, 性能优于相同条件下的LDPC编码调制系统。

为解决海底沉积层分层结构未知时的反演问题, 提出了一种变维粒子滤波方法, 利用声场的互谱密度, 估计沉积层分层结构以及地声参数。仿真结果表明：变维粒子滤波在沉积层分层结构未知时, 能有效反演沉积层层数以及地声参数, 粒子的并行计算能使其相较于可逆跳蒙特卡洛马尔可夫链(rjMCMC)更加高效。利用变维粒子滤波, 对南海垂直线阵列接收到的线性调频信号进行处理, 反演结果与rjMCMC反演得到的沉积层层数和地声参数结果相近, 说明了此方法能有效估计沉积层层数的同时反演浅海地声参数, 得到可靠的参数后验概率密度。

基于信标互测距信息与绝对坐标信息的融合, 提出一种海洋大地控制网快速标校方法。相较于现有方法, 快速标校方法降低了自由网平差对起算条件的需求, 减少了50%以上的绝对标定点数目, 标校效率与绝对坐标精度显著提升。在大范围布设时, 优势明显。此外, 通过对阵型与绝对校准点数目的分析, 提出了几种典型阵型在理想条件下的布设方案。浅水试验结果表明, 在保证基准网标校精度高于0.2 m的条件下, 标校效率提升了50%。

针对参量阵转换效率低的问题, 提出了一种通过调节声源表面声阻抗率从而提高转换效率的方法。该方法依据描述声波非线性的Kuznetsov方程, 首先通过分析方程中拉格朗日密度对参量阵差频波的影响, 获得了拉格朗日密度与声源表面声阻抗率之间的关系式, 得出了通过调整声阻抗率可以提高参量阵转换效率的结论。随后提出了利用穿孔板改变声阻抗率的方法, 并通过数值仿真验证了该方法的有效性。结果表明, 通过在声源周围布置声穿孔板可以改变声阻抗率从而提高参量阵的转换效率。

针对非消声水池的声学测量应用, 提出了一种在界面起伏的非消声水池中测量水下声源辐射声功率的方法。基于数值方法分析了在非消声水池中利用起伏界面改善低频声源辐射声功率测量的可行性, 进一步在一个尺寸为1.2 m × 1.0 m × 0.8 m的非消声水池中开展实验研究, 测量了水声换能器的辐射声功率。实验表明, 相对于界面静止的水池, 利用造波装置生成随机起伏界面后, 声场扩散性明显改善: (1) 水池的Schroeder频率从10015 Hz降低到8370 Hz, 辐射声功率的测量范围向低频扩展; (2) 结合空间平均技术测得的频响曲线起伏程度减小, 与自由场值更接近, 辐射声功率的测量结果更为准确。所提方法有助于提高非消声水池中水下目标声学特性的测量能力。

大尺寸的矢量水听器在驻波管中进行灵敏度校准时会引起校准声场分布不均匀, 使得灵敏度校准结果出现较大误差。在无法获取校准声场准确的解析表达式情况下, 以实际驻波管校准装置为原型, 建立声场仿真分析模型, 通过数值计算得到矢量水听器和参考标量水听器的声压和加速度量值, 并结合灵敏度校准公式和参考值导出灵敏度修正因子。利用修正因子, 对不同尺寸矢量水听器灵敏度测试结果修正以后, 与参考值最大绝对误差减小到2.0 dB下。结果表明数值计算法能有效减小非均匀声场引起的大尺寸矢量水听器灵敏度校准误差, 扩展了矢量水听器驻波管校准装置的测试对象。

由空气质点振速传感器和声压传感器组成的矢量传声器是测量声场空间信息的重要方式。本文设计了一种新型热对流式二维质点振速传感器, 不同于传统平行线式传感机制, 该器件由多线进行交叉连结形成一个中央十字加热器和四个直角测温线, 构成新的局域加热和温度传感方式, 基于此设计能够获得更高的灵敏度并具有理想的正交性。通过数值分析对其传感机制进行了详细分析, 并使用MEMS工艺进行器件制备和性能验证。实验结果表明, 该器件具有良好的响应灵敏度和接近完美的正交指向性。所提出器件在体积受限的声场测量中具有潜在应用价值。

通过全消声室实验研究了不同冲击距离(L)下亚声速射流宽频噪声特性。利用远场传声器获得L = 30D~2D (D为喷口直径)的噪声数据, 并详细分析了频谱特性。试验结果表明, 减小冲击距离: (1) 上游所有频段的噪声都明显上升, 极角α = 120°总声压级(OASPL)在L < 10D时增加了10~17 dB; (2) 下游α = 30°的噪声能量向低频转移, 且频谱在L < 10D时变化不明显; (3) 偏流板产生噪声的中、高频段对边线影响较小, α = 90°的频谱迅速衰减, 在L < 10D时形成陡峭的峰值。研究证实在噪声最强的方向(α = 120°), 随冲击距离的减小偏流板贡献的噪声功率占比呈线性增加。冲击距离小于势流核时, 偏流板贡献大部分噪声能量, L = 7D~5D时占比超过80%。另外射流冲击产生的噪声指向性明显, 冲击噪声和后缘分离噪声在不同方向取得主导地位, 相应频谱分别在上游和下游呈现高频主导和低频占优的特性。

研究了平面波垂直入射和掠入射两种情况下波纹穿孔板对声波的耗散作用, 结果表明在这两种情况下波纹穿孔板的声学特性都有别于平板穿孔板。在垂直入射条件下, 通过“等效穿孔率”可以在中、低频率范围内使波纹穿孔板和平板穿孔板的吸声特性“重合”。波纹穿孔板在高频范围会出现异于平板穿孔板的双尖峰现象, 进一步研究发现这是由波纹板形状导致的背腔深度的连续变化所引起的。在掠入射条件下, 波纹穿孔板与平板穿孔板无法通过“等效穿孔率”替代。波纹穿孔板的板高和板长对其声学性能都有明显影响, 当波纹穿孔板夹角(板高与1/4板长对应的正切角)相同时, 在板长小于75 mm范围内波纹穿孔板有相似的声学性能。

在光声成像中, 假设超声探测器为具有全向响应的理想点探测器通常会导致图像分辨率下降。为了解决探测器效应引起的图像质量下降问题, 提出一种考虑探测器特性的光声图像重建方法, 建立包含探测器方向性和脉冲响应的前向成像模型, 通过迭代求解前向模型的逆问题, 实现光吸收能量分布图的高质量重建。仿真和仿体实验结果表明, 与未考虑或未充分考虑探测器特性的传统重建方法和其他重建增强方法相比, 所提方法可以显著提高图像分辨率和对比度, 改善图像质量。

提出了一种基于一致性自监督学习的鲁棒自动语音识别方法。该方法通过使用语音信号仿真技术, 模拟一条语音在不同声学场景下的副本; 在通过自监督学习方式学习语音表征的同时, 极大化一条语音在不同声学环境下对应语音表征的相似性, 从而获取到与环境干扰无关的语音表征方式, 提高下游语音识别模型的性能。在远讲数据集CHiME-4和会议数据集AMI上的实验表明, 所提的一致性自监督学习算法能够取得相比已有的wav2vec2.0自监督学习基线算法30%以上的识别词错误率下降。这表明, 所提方法是一种获取噪声无关语音表征、提升鲁棒语音识别性能的有效方法。

针对音乐中乐器声源表征特异性不足的问题, 结合乐器声源与曲式内容相关的结构特征, 提出了双维序列注意力/时域端到端音乐源分离方法。首先, 由于各乐器声源在曲式不同部分的出现具有显著规律性, 因此从时间及特征通道两个维度, 对特征基函数进行差异化注意力加权。其次, 在损失函数中引入频率多分辨因子, 同时从时域及频域衡量分离后声源和理想声源间的差异。在MUSDB18数据集上的实验结果表明, 同时强调声源的时域曲式结构特征和离散谐波特征, 可以进一步改善乐器声源分离效果。与目前最先进的时域端到端音乐源分离方法Demucs相比, 信噪比指标提升了0.40 dB, 且在鼓和低音等声源的分离上表现尤为突出, 鼓声源信噪比指标提升0.13 dB, 低音声源信噪比指标提升0.60 dB。充分利用声源的语义内容及声学特征等多维度先验知识, 可以进一步提升声源表征的特异性, 从而提升声源的可分离程度。