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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。
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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。
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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
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。
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2021, 46(1): 143-160.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.015
为了研究湍流激励下柔性层贴敷加筋板自噪声的特征机理,基于湍流边界层壁面脉动压力功率谱模型、周期加筋板弯曲运动方程和固体波动方程以及力平衡与位移连续边界条件,建立了湍流边界层壁面脉动压力激励下柔性层贴敷单向周期加筋板的振动及内噪声物理模型。研究发现:橡胶外贴时对湍流激励下壳板的减振降噪主要依靠橡胶的厚度模态振动。无筋时,橡胶层外贴板较无橡胶贴敷板,主要降低湍流脉动压力的水动力学成分所致结构自噪声,距壳板0.05m时,声压降幅小于3 dB,橡胶外贴加筋板相对于加筋板,对湍流激励结构自噪声的降低基本涵盖整个波数域,距壳板0.7 m处,声压降幅仍然在20 dB左右。肋骨横截面高度或宽度每增大1倍,壳板肋骨处加速度自功率谱级降低3 dB,非肋骨处加速度及板内侧声压自功率谱则基本不变,肋骨间距改变对壳板加速度响应及板内侧声压自功率谱级皆无显著影响。
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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。
7
2022, 47(1): 1-15.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.01.001
浅海内波会引起声传播能量随时间的起伏变化,进而影响水声设备的工作性能。本文利用2015年南海北部一次浅海声场起伏实验数据,对比分析了浅海线性内波和孤立子内波条件下的声传播损失统计特性。在孤立子内波条件下,声传播损失起伏明显加剧,可达11 dB,且分布明显展宽,相对于线性内波的环境,声传播损失起伏可增加5 dB。从简正波理论的角度分析,在本次实验中受内波影响最大的3号简正波的传播损失起伏范围可达20 dB。内波,尤其是孤立子内波,会使各号简正波的传播损失起伏变化差异明显,呈现出明显的简正波之间的能量相互转换,即耦合现象。
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2022, 47(3): 293-308.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.03.012
首先从理论上分析了多项式结构宽带波束形成器的鲁棒性能。分别从传声器失配误差影响下阵列波束图扰动的统计分析以及白噪声增益分析两个方面揭示了影响多项式结构宽带波束形成器鲁棒性能的内在规律。发现当波束主瓣指向处于可调范围边缘时,与指向中心相比,多项式结构波束形成器的鲁棒性能变差。然后分析了影响多项式结构宽带波束形成器阵列指向性指数的主要因素,指出了多项式结构的截断误差会导致宽带波束形成器的主瓣指向出现偏差,进而造成阵列指向性指数性能下降。为了克服现有设计结构存在的缺陷,提出了一种具有波束主瓣指向自校正能力的改进设计结构。与现有设计结构不同,所提出的设计结构中的调向功能模块能够充分反映出波束期望指向和实际指向之间存在的非线性关系,避免了现有设计方法因采用线性调向功能模块而造成较大波束指向偏差的问题,有效改善了多项式结构宽带波束形成器的性能。
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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。
10
2022, 47(1): 27-35.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.01.003
针对侧斜螺旋桨船舶建立了一种螺旋桨空化噪声调制谱理论模型。将螺旋桨旋转过程中崩溃的空泡体积的周期性变化近似为空化噪声能量的变化,根据船尾伴流速度与空泡噪声体积成比例以及螺旋桨转速与空泡数量成比例的关系,推导出了空化噪声调制谱数学表达式。理论分析和仿真验证了桨叶之间的差异性是调制谱轴频线谱存在的主要原因,而影响调制谱叶频强度的主要因素为螺旋桨侧斜角度以及转速。研究结论为辐射噪声调制谱特征分析与提取提供了理论依据,同时对螺旋桨结构设计和船舶降噪也具有一定的参考价值。
11
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。
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2022, 47(3): 339-347.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.03.010
为获取水平变化的海水声速分布,在等效平均海水声速反演基础上,提出了一种声速剖面水平变化环境声学层析方法。首先利用经验正交函数结合匹配场处理方法反演不同距离下的等效平均声速剖面,进而通过逐步迭代重构出随水平距离变化的声速场分布,并通过数值仿真及海上实验两方面验证了声速剖面水平变化环境声学层析方法的可行性及其准确性。结果表明:声速剖面水平变化环境声学层析结果与实验测量声速剖面均方根误差小于0.8 m/s,利用声传播信号基本能较为准确地重构出随距离水平变化的海水声速分布,为进一步层析中尺度三维结构及声呐水声环境保障应用奠定了基础。
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2021, 46(6): 813-824.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.06.004
水声信道具有显著的稀疏特性,利用稀疏贝叶斯学习(SBL)算法能够实现稀疏水声信道的有效估计。针对SBL计算复杂度较高的问题,将广义近似消息传递-稀疏贝叶斯学习(GAMP-SBL)引入水声信道估计。该方法在SBL的框架下结合GAMP以消息传递的方式计算信道冲激响应,能够有效降低SBL的计算复杂度。针对假设背景噪声服从高斯分布的信道估计方法在脉冲噪声环境下性能下降问题,提出了基于GAMP-SBL的脉冲噪声抑制水声信道估计方法:首先利用脉冲噪声时域稀疏特性,采用GAMP-SBL估计脉冲噪声并进行抑制,然后再次利用GAMP-SBL实现水声信道估计.基于第九次北极科考冰下脉冲噪声的两次仿真结果表明,所提出的方法在归一化均方误差上相对于未进行脉冲噪声抑制的GAMP-SBL最大分别降低了18.71%,6.61%,在信道解码前误码率上最大分别降低了1.66%,4.05%,并且相对于Clipping方法更加稳健。在信噪比为20 dB时,误码率可低于10-2。
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2015, 40(2): 138-143.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2015.02.004
水声学中波导不变量的研究是近30年来引人注目的课题之一。水下目标辐射噪声的直达波和海面、海底反射波之间的干涉现象中隐含有下水目标的距离信息。提取这种距离信息就为水下目标的被动测距提供了一种新的途径。理论分析和实际海试都证明,甚至单水听器的LOFAR(Low Frequency Analysis Record)图都隐含着目标的距离和运动信息。本文给出利用波导不变量提取目标距离信息的理论推导,证明了在形成干涉条纹的外界条件具备时,利用多个水听器构成的基阵也能以较大增益提供目标距离信息。虽然组成基阵的每一水听器出现干涉条纹的条件是有差异的。这种差异在波束成形时可以加以利用和补偿。本文提出的理论和部分仿真、海试结果为水下目标被动测距和目标识别提供了一种新的途径。
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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。
16
2022, 47(4): 432-439.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.04.003
针对观测平台转向时固定安装于其上的声呐线列阵指向快速变化导致的空间谱谱峰变宽问题,提出一种稀疏贝叶斯学习方位估计方法。该方法利用大地坐标系下不同接收快拍中的空域稀疏信号具有相同先验分布的特性,将转向过程中多个阵列指向分别对应的接收快拍信息联合处理,以求得目标方位。仿真分析与海试数据处理显示出,所提方法可以获得谱峰较尖锐的空间谱,具有较高的测向精度和角度分辨力,此外,对由左右舷模糊引起的伪峰有较强的抑制效果。所得结果表明,所提方法可以有效解决谱峰变宽问题,提升了平台转向时的方位估计性能,同时有效地利用阵列指向的变化提高了线阵抗左右舷模糊能力。
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2022, 47(1): 151-160.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.01.017
目前的声纹识别系统在安静环境下性能已经很高,但处在复杂噪声背景时,由于训练和应用环境的不同会导致系统性能急剧下降。为解决这一问题,从i-vector空间降噪思想出发,通过偏最小二乘算法直接推导含噪i-vector与纯净i-vector之间的关系,并采用自编码器衡量未知噪声类型的含噪i-vector与已知噪声类型的含噪i-vector之间的相似性,提出一种i-vector空间噪声自适应的鲁棒性声纹识别算法(IPLS-AE)。实验结果显示,相对典型的最大后验概率估计算法(IMAP),提出的IPLS-AE算法对各信噪比与各类型的噪声都有较好的补偿性能,等错误率和最小检测代价函数对已知噪声最高有31.3%和26.8%的相对改善,对未知噪声最高有28.3%和25.2%的相对改善。结果说明,IPLS-AE算法能可靠地识别并补偿噪声,提升系统的鲁棒性。
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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。
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1997, 22(5): 385-393.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.1997.05.001
提出以等效电路的为基础的微穿孔板吸声体的准确理论。吸声体的特性参数是板的相对声阻r,穿孔直径d和共振频率f0,后二者合成穿孔板常数$k=d \sqrt{f_{0} / 10}$,它与r决定微穿孔板吸声体的结构和频率特性。吸声频带半宽△f/f0的最大值为(4/π)tan-1(1+r),这是k值趋近于零时的极限,只要k小于1,相差也不大,这时空腔厚度接近四分之一波长。可见r值大时,带宽可达到极为可观的程度.k值大时,吸收带宽大为降低,同时空腔节厚度将成为比波长小得多的值。文中讨论微穿孔极吸声体的一般特性。
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2022, 47(2): 187-197.
doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2022.02.002
双基地有源探测常采用长脉宽探测信号以获取更高的时间增益,容易导致回波弱信号被强直达波信号掩蔽而影响回波检测。针对长调频信号直达波的干扰,提出基于分数阶傅里叶变换(FrFT)的直达波消除方法。该方法利用调频信号在时频分布上的稀疏性,通过对接收信号进行分数阶傅里叶变换分离直达波和回波信号然后在变换域对直达波信号进行去除。远程双基地有源探测的收发距离较远,直达波信号经过长距离传播,浅海多途信道的影响不可忽视,因此通过数值仿真分析了浅海声传播对FrFT消除直达波方法的影响。理论和仿真分析结果表明,FrFT对一定时频分布的调频类信号具有足够的分辨力,可以有效在浅海环境中分离和消除直达波干扰。利用2018年的一次海上试验数据,对基于FrFT的直达波消除方法进行了检验,结果表明该方法可有效消除有源探测中的直达波干扰。该方法计算复杂度低,受浅海频散信道影响小,具有很好的稳健性。
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