针对无源声呐多目标方位跟踪问题, 研究了一种基于粒子滤波的检测前跟踪方法, 关注于改善邻近目标和机动目标的跟踪性能。首先, 提出了一种考虑了邻近目标影响的似然函数; 其次, 采用辅助变量利用量测信息优化粒子采样, 当算法运动模型与目标实际运动状态失配时, 这种策略具有很大优势。结合以上两点, 提出了一种检测前跟踪算法, 该算法将邻近目标划分为一组, 使用邻近目标的预测状态计算目标的似然, 计算效率较高。利用仿真生成的数据和海上采集的实际数据分别验证了该算法的性能, 并与其他多目标粒子滤波检测前跟踪算法进行比较, 证明了该算法具有良好的跟踪性能。在目标邻近和目标机动的情况下, 该算法的优势更加明显。

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。

提出了使用Sage-Husa算法估计量测噪声的集势化概率假设密度(CPHD)滤波方位跟踪方法, 实现了量测噪声不确定情况下多水下声学目标的稳健方位跟踪。首先, 将水下目标方位的变化建模为Singer模型, 利用传统目标方位估计方法的结果作为量测值, 将方位估计误差看作量测噪声, 建立了方位量测模型。然后, 给出了CPHD滤波水下多目标方位跟踪算法, 该算法利用上一时刻的方位跟踪结果和目标方位变化模型预测目标方位, 并利用量测值和量测模型对预测值进行更新得到方位跟踪结果。最后, 考虑到量测噪声方差为决定跟踪性能的重要参数, 利用改进的Sage-Husa算法在跟踪过程中实时自适应地估计不确定量测噪声的方差, 从而实现了多目标的稳健方位跟踪。经海试数据验证, 所提出算法将目标方位测量的平均最优子模式分配(OSPA)误差从10°以上降低至2°, 显著提高了方位测量精度。所提水下多目标稳健方位跟踪方法能够有效提高量测噪声不确定情况下的方位跟踪性能。

针对能量检测法在低信噪比下对非合作水声探测信号的检测性能显著下降的问题, 提出了一种组合变分模态分解和小波变换降噪重构的信号检测方法。以信号分解出的各个本征模态函数的近似熵与互相关系数比值作为分量分类参数, 将所得分量分为信号分量、含噪信号分量与噪声分量, 然后利用第二代小波变换对含噪信号分量降噪后与信号分量组成重构信号, 最后对重构信号进行检测。数值仿真结果表明该方法可以在无先验信息的情况下对CW和LFM信号自适应降噪, 信噪比0 dB以下时CW信号重构后信噪比提升约12 dB, 宽带LFM信号信噪比提升约8~9 dB, 有效提升了低虚警概率下信号的检测概率。湖试结果表明, 虚警概率为0.1时检测概率可提升至0.9以上, 验证了该方法的有效性。

提出一种面向自定义语音唤醒的单通道语音增强方法。该方法预先将关键词音素信息存入文本编码矩阵, 并在常规语音增强模型基础上添加一个基于注意力机制的音素偏置模块。该模块利用语音增强模型中间特征从文本编码矩阵中获取当前帧的音素信息, 并将其融入语音增强模型的后续计算中, 从而提升语音增强模型对关键词相关音素的增强效果。在不同噪声环境下的实验结果表明, 该方法可以更有效地抑制关键词部分噪声。同时所提出方法对比常规语音增强方法与其他文本相关语音增强方法, 在自定义语音唤醒性能上可以分别获得14.3%和7.6%的相对提升。

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。

为从测得的混合声场信号中提取出需要的目标声场, 提出一种基于分布式球形传声器阵列的声场分离方法。该方法依据声场的球谐波分解, 利用阵列各传声器采集到的声场声压信号, 获得目标声场与干扰声场的球谐波展开系数, 进而估计目标声场。该方法利用声场以不同中心展开的球谐波系数之间的变换关系, 直接建立传声器测量声压信号与整体坐标系下声场展开系数的方程, 与传统的分布式球形阵列声场分离方法, 即先求解局部坐标系下声场展开系数, 再变换为整体展开系数的方法, 进行比较。分别通过数值仿真和实验说明了提出方法的有效性。结果表明: 该方法能够从混合声场中较准确地估计出目标声场, 并且在干扰声场能量增大时, 保持了较小的声场估计误差, 相比于传统方法误差增加更少。

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。