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1
浅海大孔径水平阵列频移补偿定位方法
梅笑寒, 张波, 彭朝晖, 于小涛, 翟铎
2023, 48(5): 901-910. doi: 10.12395/0371-0025.2022032

浅海波导中简正波干涉使得声场水平相关随距离出现振荡, 利用声信号水平距离−频率干涉规律推导了不同阵元接收信号间的频移补偿关系式, 结合大孔径阵列阵元空间分布离散度高的特点提出适用于声源频谱缓变信号的定位方法。利用频移补偿量随声源位置的变化, 将两两阵元组合输出的模糊度平面叠加实现水平二维平面定位。仿真结果表明方法定位性能良好, 对环境参数失配宽容性好。频移补偿后的线性相位关系有效提高了接收信号间的相关性, 进而提升大孔径阵列的处理增益。阵列的孔径优势提高了空间分辨能力, 模糊度平面峰值−背景比高。海试数据验证表明, 10~80 km测距结果平均相对偏差为5.68%, 二维平面内定位结果平均距离偏差为0.78 km。

2
高速垂向运动声源声场干涉特性及其可观测性
赵春鹏, 梁国龙, 邱龙皓, 付进, 柳国龙
2023, 48(6): 1081-1097. doi: 10.12395/0371-0025.2022067

以高速垂向运动声源宽带连续谱噪声为研究对象, 基于射线理论分析了声场干涉现象的产生机理, 推导了干涉条纹的轨迹方程, 讨论了影响干涉结构特性的因素, 揭示了声场干涉结构的特性和规律。理论和仿真结果表明: 干涉周期与多途信号时延差成反比关系; 减小接收深度或增大接收距离可以提高干涉条纹的可观测性; 较大的海面起伏易使干涉条纹形成断点, 可观测性降低。湖试数据分析结果表明, 干涉条纹主要由直达声−海面反射声干涉条纹构成, 干涉条纹宽度和干涉周期随水平距离的增大而增大。该结果可为高速垂向运动声源运动状态分析、环境参数反演等提供参考。

3
使用稀疏贝叶斯学习的水声多途信道盲估计
郭启超, 李风华, 彭朝晖, 牛海强, 杨习山
2021, 46(6): 789-799. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.06.002
提出了一种使用稀疏贝叶斯学习(SBL)的多途信号盲解卷积方法对水声多途信道的信道脉冲响应(CIR)进行盲估计。该方法利用垂直阵和多频SBL获得宽带舰船声源在不同垂直到达角上的复数域多频点信号,取其相位对垂直阵接收信号匹配滤波,得到每条路径上的CIR,将多路径CIR相干叠加得到最终的多途CIR结果。仿真与海试数据处理结果表明,相比于原有的基于交替投影的多途信号盲解卷积方法,所提出方法有以下几个好处:(1)无需准确预估多途信号数目;(2)分离的多途信号的方位更准确且信号相位更可靠;(3)有效获取了舰船与阵列之间的CIR.并且将弱路径CIR的平均时间估计误差从4.7 ms缩小到1.0 ms.显著提高了弱路径CIR的时间估计精度。使用稀疏贝叶斯学习的多途信号盲解卷积方法能够有效提高多途环境下水声信道盲估计的性能。
4
深海声影区稀疏时延估计与声源测距
刘与涵, 董金鑫, 郭良浩, 闫超, 董阁
2022, 47(4): 417-431. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.04.007
研究了深海声影区中经一次海底反射的多途声线到达垂直双水听器的时延差与声源位置的关系,提出了一种稀疏时延估计与声源测距方法。首先利用近海面布放的短间距垂直双水听器接收一定频带的声信号,然后计算接收信号的广义互相关函数,并利用频谱搬移和稀疏解卷积技术提取时延差,最后通过时延差匹配,估计水下声源的距离。仿真实验表明,在4300 m深海中,所提方法能够正确提取多途到达时延差,估计声影区内的声源距离。海试结果表明,当垂直接收孔径分别为21 m和30 m时,声源测距误差分别小于13.6%和8.1%。上述结果表明,所提出的时延估计方法可适应带宽较窄的接收信号,多途到达时延估计参数可用于实现声影区中的水下声源测距。
5
U-net网络中融合多头注意力机制的单通道语音增强
范君怡, 杨吉斌, 张雄伟, 郑昌艳
2022, 47(6): 703-716. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.06.007
在低信噪比和突发背景噪声条件下,已有的深度学习网络模型在单通道语音增强方面效果并不理想,而人类可以利用语音的长时相关性对不同的语音信号形成综合感知。因此刻画语音的长时依赖关系有助于改进低信噪比和突发背景噪声下的增强性能。受该特性的启发,提出一种融合多头注意力机制和U-net深度网络的增强模型TU-net,实现基于时域的端到端单通道语音增强。TU-net网络模型采用U-net网络的编解码层对带噪语音信号进行多尺度特征融合,并利用多头注意力机制实现双路径Transformer,用于计算语音掩模,更好地建模长时相关性。该模型在时域、时频域和感知域计算损失函数,并通过加权组合损失函数指导训练。仿真实验结果表明,TU-net在低信噪比和突发背景噪声条件下增强语音信号的语音质量感知评估(PESQ)、短时客观可懂度(STOI)和信噪比增益等多个评价指标都优于同类的单通道增强网络模型,且保持相对较少的网络模型参数。
6
空时多普勒频移域运动小目标的抗干扰探测方法
孙大军, 侯开阳, 滕婷婷, 梅继丹, 刘慧敏, 李业城
2022, 47(2): 161-174. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.02.006
有源声呐使用多普勒敏感信号可在多普勒频移域分离杂波、混响等干扰和运动目标,但低信干比时强干扰的时间旁瓣泄露和多普勒旁瓣泄露会淹没弱目标。针对该问题,提出了一种基于自适应最小均方(LMS)算法和宽带模糊函数(WAF)的运动小目标抗干扰探测方法。首先在空间多普勒频移域上利用基于LMS的自适应陷波器抑制干扰,然后在快时间多普勒频移域上利用WAF探测小目标。给出了理论推导和仿真分析,进行了水池试验。结果表明,该方法可有效抑制强干扰并能准确估计小目标的时延及多普勒频移,在水池试验中约有13 dB的干扰抑制能力。此外,该方法能够容忍归一化幅度起伏方差小于0.5的干扰起伏,提高了有源声呐对运动小目标的探测能力。
7
利用协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法
刘恺忻, 付进, 邹男, 张光普, 郝宇
2023, 48(5): 911-919. doi: 10.12395/0371-0025.2022074

提出了一种协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法来提高小孔径均匀直线阵的分辨力。该方法分析了具有不同阵元个数的阵列采集信号协方差矩阵之间的关系, 并根据该关系构建阵列扩展的优化算法, 利用小孔径实际阵列协方差矩阵拟合得到大孔径虚拟阵列的协方差矩阵。仿真分析与湖试数据处理结果表明, 将拟合协方差矩阵用于现有方位估计方法中能够降低波束宽度, 提高分辨力, 并且随着虚拟阵元个数增加, 目标分辨概率同步提高。当阵列孔径较小或环境信噪比较低时, 本文方法可用于提高方位估计性能。

8
起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法
刘若芸, 彭朝晖, 张波
2023, 48(6): 1098-1110. doi: 10.12395/0371-0025.2022098

基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型, 研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性, 给出了海面散射声传播损失−风速拟合公式以及一种快速声场预报方法, 可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明, 对于全年运行的水声设备, 当传播距离超过10 km时, 须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季, 在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。

9
使用协方差矩阵分解的矢量阵声压振速联合处理波达方向估计
张旭, 时胜国, 朱晓春, 徐付佳
2023, 48(5): 937-949. doi: 10.12395/0371-0025.2022005

提出一种使用协方差矩阵分解(CMD)的声矢量阵声压振速联合处理方法。该方法将声压振速互协方差矩阵分解为观测方位系数矩阵和剩余协方差矩阵, 将系数矩阵与导向矢量结合避免了观测方位的选择, 对剩余协方差矩阵进行奇异值分解并重构厄米特协方差矩阵, 最后对重构的协方差矩阵实施最小方差无失真响应(MVDR)方法处理。理论分析表明, 使用重构的协方差矩阵能够获得更高的阵处理增益。数值仿真结果验证了本文方法的计算量与Nehorai处理方法相近, 但较传统声压振速联合处理方法具有更高的阵处理增益和目标分辨能力。

10
水下目标多平台协同定位和跟踪方法
谢志华, 蒋丞, 吴俊超, 方泽宇, 李建龙
2021, 46(6): 1028-1038. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.06.022
提出了一种融合多平台方位观测数据的水下声学目标定位跟踪方法。该方法采用多级多假设跟踪对目标状态进行滤波和关联,第一级基于每个平台波束域检测结果独立使用多假设跟踪方法对目标方位角进行初级跟踪;第二级首先通过多平台联合似然概率估计多目标初始位置,再用多假设跟踪方法对不同平台初级跟踪的方位角航迹进行关联,最后通过关联的角度值和扩展卡尔曼滤波对多目标位置进行序贯估计。仿真结果证明,该方法能以更少计算量实现更优定位性能,优于单级多假设跟踪方法.海试数据处理结果表明,存在较多干扰的情况下,单级方法跟踪过程中丢失目标,而多级方法实现了对目标的全程跟踪,且收敛后定位误差在70m内。该方法可降低噪声干扰对数据关联及目标定位的影响,并通过多平台协同消除线阵的方位模糊,适用于移动多平台声学目标定位和跟踪场景。
11
水下低噪声目标辐射噪声垂直嵌套阵测量方法
黎雪刚, 蒋国庆, 孙国仓, 华如南, 朱杰
2023, 48(5): 971-977. doi: 10.12395/0371-0025.2022187

研究了一种水下低噪声目标辐射噪声垂直嵌套阵测量方法。首先通过分析试验水域背景噪声和被测目标辐射噪声特性, 掌握不同测量频段的增益需求; 然后采用凸优化方法, 建立波导环境中超宽带、高稳健恒定束宽波束形成技术, 推导水下目标辐射噪声垂直嵌套阵测量及空间阵列信息处理方法; 最后研制垂直嵌套阵测量系统, 并开展湖上试验验证。研究结果表明该测量方法具有测量带宽大、稳健性高、测量不确定度低等优点, 辐射噪声测量不确定度约2 dB。

12
强干扰下空间抗混叠宽带波达方位估计
虞梦苓, 杨龙, 杨益新
2023, 48(6): 1154-1163. doi: 10.12395/0371-0025.2022103

提出了基于改进频率差分(FD)技术的空间抗混叠波达方位(DOA)估计方法, 实现了阵元稀疏排布, 即在阵元间距远大于入射信号波长时, 存在栅瓣模糊情况下多水下声学目标的方位估计。首先, 确定目标方位角度搜索范围, 建立阵列信号处理模型, 对宽带信号不同频率成分之间进行频率差分处理, 从而降低信号频率以满足阵元稀疏排布阵列的空间奈奎斯特采样要求。然后, 基于投影子空间正交性检验(TOPS)算法构建一个对角变换矩阵, 利用对角酉变换矩阵正交性直接对阵列流形进行频率差分处理, 使其频率差分处理输出的信号个数与输入信号个数相等。最后, 进一步推导频率差分域等效目标方位与真实入射信号角度等价的条件, 并基于该等价条件进行频率筛选, 最终获得无模糊的空间方位谱结果。经仿真实验验证, 所提算法在信噪比为−10~20 dB范围内, 估计结果均方根误差低于0.1°, 有效抑制了栅瓣且受干扰强度影响较小。经海试数据验证, 所提算法可以有效估计出目标方位, 并避免空间混叠项干扰。所提空间抗混叠波达方位估计方法能够有效抑制栅瓣模糊, 提高目标方位估计精度, 且在强干扰条件下仍具有较好的角度估计性能。

13
传声器失配误差对差分传声器圆阵主瓣指向的影响特性
陈左龙, 陈华伟
2022, 47(5): 541-556. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.05.004
从理论上导出了传声器失配误差对适用于任意阵元数的一阶和二阶差分传声器圆阵的主瓣指向影响规律。揭示了传声器相位误差可造成一阶差分传声器圆阵主瓣指向产生反转现象,是影响其主瓣指向的主要因素。而对于二阶差分传声器圆阵,传声器相位误差和增益误差均可导致其主瓣指向产生反转现象和严重指向误差,进而造成阵列指向性因子严重下降,尤其在低频处失配误差的影响更为显著。然后给出了确保差分传声器圆阵主瓣指向正确时阵列设计参数所需满足的条件,并在此基础上进行了传声器失配误差的容差分析。分析结果表明,随着阵元数增多,失配误差的容差范围增大,差分传声器圆阵对传声器失配误差的敏感性相应降低。
14
运动目标时空频信号变换与多维信息关联
石蕴佳, 朴胜春, 郭俊媛, 张柳
2023, 48(5): 920-936. doi: 10.12395/0371-0025.2022015

提出了一种针对水中匀速直线运动目标的时空频信号变换方法。首先对接收信号作时频分析和频域波束形成, 根据选定的目标航向对频率−方位−时间三维信号空间中的接收信号进行由基阵坐标系到目标坐标系的视在方位变换, 使目标线谱信号由三维空间轨迹变换为变换域中对应平面切片上的二维轨迹, 该切片由频率与方位信息联合构成的轴和时间轴构成。研究结果表明, 该方法能够在变换后的信号空间中将目标线谱信号的三维轨迹转换为相应切片上的二维轨迹, 相比三维信号空间更容易获得多维信息联合处理的信号处理增益。

15
子空间判决分析的强干扰抑制
生雪莉, 李德文, 曹然, 尹家瑞, 周璇
2023, 48(6): 1119-1127. doi: 10.12395/0371-0025.2022115

针对海洋中存在的强干扰和环境噪声导致水下目标方位估计算法性能剧烈下降的问题, 提出了一种子空间判决分析的强干扰抑制方法(SSJ), 可实现多个强干扰下的目标方位估计。根据常规波束形成粗估的目标角度区间, 利用目标−干扰−噪声子空间与导向矢量的相关性, 设置判决项和估计合适的判决阈值来分离和抑制样本协方差矩阵中的非目标信息, 降低干扰和噪声的输出功率, 同时提高输出信干噪比, 为增强阵列的目标方位分辨能力提供方法支撑。仿真和海试数据处理结果显示, SSJ方法可抑制目标角度区间外的强干扰和噪声, 明显降低了干扰的输出功率和目标主瓣附近的旁瓣级, 提高了目标方位角度的分辨力。相比于现有的子空间干扰抑制方法, 所提方法具有更加稳健的干扰抑制能力。

16
南海深海典型不平整地形对声场垂直相关性的影响
董凡辰, 胡治国, 李整林
2020, 45(6): 785-800. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2020.06.001
海底地形变化对深海环境下的声传播和空间相关性有重要影响。基于2014年南海中南部海域不完全深海声道条件下大跨度垂直阵接收的声信号,选取平坦海底和典型不平整(存在小海底山和海底斜坡)海底两个不同传播方向上传播损失差异较大的距离,对声场垂直相关性进行了对比分析,并应用射线理论对相关性差异予以定性分析和机理解释。在不平整海底方向,在第一影区内小海底山遮挡区附近:在部分一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,接收声信号主脉冲多途干涉结构相对平坦海底方向更加简单,垂直相关性增强;而在全部一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,对声场起主要作用的变为二次海底反射声线,接收声信号主脉冲呈现多途干涉结构,垂直相关性降低。在第一会聚区附近:平坦海底环境下,由于两组水体中反转声线在空间垂直方向上的干涉效应,使得声场的垂直相关随接收深度增加呈现出周期性振荡的现象;而不平整海底方向,在50 km处,海底斜坡阻挡了一组水体反转声线,在大深度上只出现单会聚结构,观测不到垂直相关的周期性振荡现象;在57 km附近对声场起主要贡献的成分从水体中反转声线变成了多次海底反射声线,主脉冲多途展宽变宽,垂直相关性显著降低。研究结果对深海复杂海底地形环境下声场垂直相关性的深入分析及声呐阵列增益估计等具有重要意义。
17
近场声全息成像方法的研究
张德俊, 夏献华, 鄢锦, 程建政, 王群, 朱念秋
1992, 17(6): 436-445. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.1992.06.006
本文对近场声全息成像方法的基本理论及特点做了简单介绍。针对声源重建问题的不适定性,提出一种新的空间频率域滤波方法——带约束条件的最小二乘法,改善了重建结果的稳定性。运用近场声全息成像的数字方法,对圆板的振动及其辐射声场进行了计算机模拟研究并验证了滤波处理的效果。本文还用自制的32阵元线阵扫描实验系统,对一个在空气中辐射400赫声波的小型扬声器的振动及声场进行了近场声全息成像研究,给出初步实验结果。
18
利用正弦调频信号的宽带速度敏感特性抑制混响
周胜增, 杜选民
2022, 47(1): 16-26. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.01.002
有源声呐探测水中低速目标时,混响与目标回波的频率接近,目标回波与混响分离困难。根据运动目标与产生混响的散射体在速度域的差异,利用正弦调频信号(SFM)的速度敏感特性实现目标回波与混响的有效分离。推导了 SFM信号宽带混响抑制能力与速度分辨模糊之间的约束关系,建立了波形优化设计的搜索模型。通过多普勒滤波处理将数据从频率域统一转换至速度域,设定合适的速度门限,去除静止的混响成分。通过仿真分析了 SFM信号的混响抑制能力、调制指数和带宽的关系,在设定的速度范围内平均混响抑制能力较连续波(CW)信号可提高7.5 dB。动目标试验数据的处理结果表明了该方法能够抑制混响中强杂波造成的虚警,通过速度差异性可有效提高对动目标的检测能力。
19
结合注意力机制的改进U-Net网络在端到端语音增强中的应用
武瑞沁, 陈雪勤, 俞杰, 王丽荣, 赵鹤鸣
2022, 47(2): 266-275. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.02.011
设计了一个适用于端到端语音增强的改进的U-Net (Attention Dilated Convolution U-Net,ADC-U-Net)网络模型。与基线U-Net网络相比,一方面通过加入空洞卷积减小由采样带来的信息损失;另一方面引入了注意力机制结构,结合了含噪语音更多的上下文信息,提取更深层次和更丰富的特征信息。与传统语音增强方法相比,所提模型无需提取特征、对特征去噪、重构语音3个步骤,避免了对显性特征的依赖,转而由网络模型通过多层次多尺度学习获得隐性特征。用多个主客观指标对增强语音的质量和可懂度进行了评价。实验数据显示所提算法在噪声抑制能力和对噪声的适应度方面均表现出良好的性能,与基线U-Net网络及其它模型相比,展示了良好的语音质量和可懂度。
20
水下稳态涡流场声传播特性
喻敏, 闫婧洁, 王志鸿, 王献忠
2023, 48(6): 1111-1118. doi: 10.12395/0371-0025.2022053

基于射线声学理论研究了水下稳态涡流场的声传播特性。首先, 根据移动介质中的程函方程, 推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组, 实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟, 获取了通过不同涡流场的声信号; 然后, 基于稳态涡流场的声传播特性, 构建了接收声信号相位与涡流场特征参数之间的映射关系, 通过数值仿真反演稳态涡流场特征参数, 仿真结果与理论值的相对误差在15%以内。仿真结果表明: 基于射线理论可以有效模拟声信号通过涡流场的声线轨迹及信号变化, 具有直观、计算效率高的优势; 随着涡环量增大, 涡流对声传播的影响更为明显; 利用声信号相位可实现对速度分布、涡核位置、涡环量等涡流场特征参数的估计。

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