基于BELLHOP 模型的宽带信号波形预报

为解决信号级声纳仿真系统的水声传输信道宽带信号波形预报问题,采用射线模型的基本原理,推导了基于射线的宽带水声信道响应函数.并在Pekeris环境条件下,分析比较了基于BELLHOP射线模型的时域宽带模型与基于BDRM模型的频域宽带模型波形预报结果.结果表明,水声信道具有典型的时域数字滤波器特征,其本质是对脉冲信号进行延迟、加权和求和,这种延迟求和会导致系统频域幅度响应函数呈现“梳状滤波器”形状.在一定条件下,射线模型与简正波模型具有同等计算精度,由于射线模型通过一次计算就能得到所有本征声线的幅度和延迟,相对于简正波模型来说,计算效率更高.同时利用射线模型,能够方便地选择接收特定角度出射的本征声线.     

近海海上风电场水下噪声传播模型适用性研究

通过现场采集近海海上风电场工程区运营期风机水下噪声和背景噪声数据,计算了噪声信号的倍频带声压级,功率谱级和峰值声压级,确定了海上风电场水下噪声总声源级为148.3 d B,以此开展近海海上风电工程风机水下噪声频域特性、功率密度谱特性等研究。在此基础上使用Kraken简正波模型和Bellhop射线模型对风电场运营期风机水下噪声在水平与垂直方向上的传播进行模拟,模拟了噪声在不同频带内的衰减程度,结果显示模型模拟结果在不同频率下的衰减趋势有着很大差异,产生了明显的多途干涉现象,通过实测数据对建立的噪声传播模型进行验证,发现Kraken简正波模型在500 Hz以下,Bellhop射线模型在500 Hz以上适合模拟实际水下噪声传播情形,同时海区本身背景噪声的存在会对预测的准确性产生影响。这些结论可用于进一步对近海海上风电场水下噪声传播的研究。     

运动目标的主动声探测脉冲回波信号波形重构

水下主动声探测是水下目标探测的主要技术之一,其目标回波信号的模拟技术对水下作战防御、声呐和水中兵器以及水下目标探测系统的研制、实战操作训练等多项国防及民用领域具有十分重要的作用。 针对常见的 CW 和 LFM 主动声探测信号,开展了运动目标回波信号波形的重构技术研究。 在捕获得到主动声探测脉冲的条件下,利用“波形存储重发”的基本方法,根据运动目标相对运动速度,重新设置回波信号采样频率,从而实现宽带回波信号(LFM 信号)及窄带回波信号(CW 信号)的多普勒频移模拟。 根据目标回波时延信息,给出了目标回波时延重构模拟方法,并根据不同目标类型和入射方位给出了目标强度参数设置的参考。     

基于FIO-COM的海洋声学预报系统的构建与应用

将海洋模式与声传播模型结合在一起,设计开发了一种适用于高性能计算机的全球海洋声学预报系统FIO-GOAFS,该系统以自然资源部第一海洋研究所全球0.1°分辨率海浪-潮流-环流耦合模式（FIO-COM）为基础,利用海洋模式预报的温、盐、深参数计算声速剖面,并对声速剖面进行水声环境特征诊断,之后将海洋模式与水下声场传播模型协同连接,结合地声模型（海底地形和底质参数）,实现了全球海域的水声环境特征诊断及水下声场及相关结果的预报。海洋模型提供水下声学预报所需的水体声速、海浪波高等参数,地声模型提供海底地形、底质声速、密度以及衰减等参数,通过调用海洋-声学连接模块提取声传播路径的地形及海洋环境参数剖面,实现海洋模型和声学模型的有效连接。全球海洋声学预报系统在高性能计算机上并行实现,主要包括声场计算中的频点、方位角并行以及声学预报时针对地理空间区域的并行。最后,利用该系统预报并分析了全球海域的水声环境特性及声呐作用距离的季节变化和空间分布特征,为现代声呐的设计、操作和水下应用提供参考。     

BP模型用于潮汐预报研究

针对调和分析法预报潮汐精度不高的缺陷,论述了神经网络的BP(反向传播)模型用于潮汐预报的可行性和先进性,设计了潮汐预报的BP神经网络模型,论述了模型的算法改进和预报方法过程,用验潮站20多年的潮汐记录,验证了BP模型用于潮汐预报的可行性和精度.     

海洋水下声探测信号的分类与分析

水下声探测是外国调查船和水下文物盗捞船进行非法调查和探测的主要技术手段,根据信号的主要声特征,对海洋水下声探测信号进行分类,分为宽带中、低频信号和窄带高频信号.在福建兴化湾海域采集了浅地层剖面仪信号、电火花声源信号、侧扫声纳信号和单频测深信号4种代表性的海洋水下声探测信号,根据声特征分析给出了对应的分类,其中:浅地层剖面仪信号为信号类型确定的中、低频信号;电火花声源信号为宽带脉冲中、低频信号;侧扫声纳信号和单频测深信号为窄带高频信号.通过对4种实测声探测数据的分析研究,给出了对应类型的海洋水下声探测信号的分析、提取方法,其中:信号类型确定的中低信号和窄带高频信号在初步的时、频分析基础上,可通过带通滤波提取;宽带脉冲中、低频信号在初步的时、频分析基础上,可尝试通过小波尺度相关滤波的方法提取.结合已知的水下声探测信号的主要声特征,实现对采集的海洋水下声探测信号的识别.     

浅海双跃层脉冲声传播

利用在东海测量的双跃层声速剖面和修改的单跃层声速剖面,数值模拟了2种跃层条件下不同收发深度声脉冲传播的波形。模拟结果表明,当声源或接收器位于上混合层时,信号波形在2种条件下都出现梳状多途结构。当声源和接收器都位于下混合层时,信号波形在2种条件下均相似。当声源位于中间均匀层时,信号波形在除上混合层以外的4层都有显著差异。用简正波的深度-简正波号域的幅度和相应的群速度解释了双跃层和单跃层声速剖面条件下信号波形特点以及异同的原因。     

负跃层浅海中信号波形的多速结构

海洋中水声信号波形的变化规律是一个重要的研究课题,利用信号波形特征可能识别不同的水下目标、提高信号处理的增益.信号波形的规律性也可用来监测某些海洋环境参数的变化.深海中存在较稳定的水下声道,文研究过水下声道中信号波形规律.由于浅海环境的复杂性,海水介质及其边界在空间与时间上存在着有规则的与随机的变化.因而浅海中脉冲信号的波形结构需要进行专门的研究.本文仅就负跃层浅海中的信号波形规律进行一些探讨.     

基于稀疏贝叶斯学习的水下电场测向方法

水下电场是一种可用于对水下目标进行探测和识别的重要物理场,通过高灵敏度、低自噪声的水下电场探测系统,可实现对水下目标电场信号的远程测向。针对水下目标测向问题,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的水下电场测向方法。该方法采用多个探测单元同时采集处理水下目标辐射的交变电场信号,再通过稀疏贝叶斯学习方法,实现对目标电场信号波达方向的估计,最终估计出目标与探测系统的相对方位。通过湖上试验,验证了该方法的可行性与鲁棒性。相对于常规波束形成算法,在一定测试场景下,该方法对 16 Hz 频率的正弦波电场信号的测向精度提高了 4.8°。     

Kraken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验

针对射线、简正波、PE、FFP等传播模型的算法原理及其适用的海洋环境,建立了以Kraken声学模型计算软件为基础的海洋声场数值预报系统.应用该预报系统对4组典型的海洋声场进行了数值试验,结果表明:在相同的海面和海底边界条件下,声场分布是由声速剖面和声源位置决定的.在负梯度声场中,所有声线都折向海底,在极限声线外产生阴影区.声源位于声道轴附近的温跃层中会产生波导传播.用射线理论解释了上述现象的成因,指出了其实际应用价值.     

时变多径水声信道的仿真研究

本文针对浅海水声信道的时变特性，基于射线理论引入海洋参数——强度起伏参数Φ、不均匀度参数A，建立有效的时变多径信道模型，并采用Matlab工具进行仿真．仿真结果表明，该模型相比于确定性模型更容易理解、更真实．文中给出的模型和结论能够为实际通信系统中发射接收机深度等的选择和设计提供一定的参考和依据，有助于对水声信道的了解．     

A New Method for Matched Field Localization Based on Two-Hydrophone

The conventional matched field processing (MFP) uses large vertical arrays to locate an underwater acoustic target. However, the use of large vertical arrays increases equipment and computational cost, and causes some problems such as element failures, and array tilting to degrade the localization performance. In this paper, the matched field localization method using two-hydrophone is proposed for underwater acoustic pulse signals with an unknown emitted signal waveform. Using the received signal of hydrophones and the ocean channel pulse response which can be calculated from an acoustic propagation model, the spectral matrix of the emitted signal for different source locations can be estimated by employing the method of frequency domain least squares. The resulting spectral matrix of the emitted signal for every grid region is then multiplied by the ocean channel frequency response matrix to generate the spectral matrix of replica signal. Finally, the matched field localization using two-hydrophone for underwater acoustic pulse signals of an unknown emitted signal waveform can be estimated by comparing the difference between the spectral matrixes of the received signal and the replica signal. The simulated results from a shallow water environment for broadband signals demonstrate the significant localization performance of the proposed method. In addition, the localization accuracy in five different cases are analyzed by the simulation trial, and the results show that the proposed method has a sharp peak and low sidelobes, overcoming the problem of high sidelobes in the conventional MFP due to lack of the number of elements.     

水声信道中一种抗多途跳频通信的研究

水声通道系统是当代海洋开发和海洋环境立体监测中的重要技术组成部分，广泛应用于海洋监测、海洋资源勘探和开发等方面。然而，水声信道的随机起伏、时－空－频变的多途特征使水声通信技术成为当代最为复杂的通信技术之一。本文介绍近年来在高速水声通信方面的一些研究进展，讨论了一种利用高速数字信号处理器（DSP）实现水声信道跳频通信的方案，并探讨了该方案在调制信号设计及信号处理实现上所采用的关键技术。     

海水对海洋平台声发射传播特性影响研究

针对海洋平台水下钢结构无损检测的需要,研究在空气、淡水和海水作为耦合介质的情况下,声发射波在钢结构传播过程中幅值和能量的变化趋势,以及幅值和能量损失的原因。基于声发射波反射原理,分析声发射波在钢结构中传播的多径效应及波形转换特性,并解释了时域波形发生分离的原因。根据实验结果,分析了盐度对声发射波传播特性的影响。该项研究为提高海洋平台声发射检测中故障源的精确定位提供了实验依据。     

Propagation of shallow water waves in an open parabolic channel using the WKB perturbation technique

A singular perturbation analysis based on the WKB technique to study the hydrodynamic performance of periodic ocean waves that are incident on an open parabolic channel of constant depth is proposed. We derive a linear model to predict the propagation of the long ocean waves into the channel. In this manner, the spatial distribution for the surface elevation of the ocean waves inside the channel as a function of two dimensionless parameters, namely, a kinematical parameter, κ and a geometrical parameter ε, is governed by a second-order ordinary differential equation. The kinematical parameter κ denotes the ratio of the potential head, due to gravity, to the kinetic head of the ocean waves along the longitudinal axis of the parabolic channel. Meanwhile, ε is a dimensionless geometrical parameter that represents a characteristic ratio of the parabolic channel. Using matching conditions, simple expressions for the reflection and transmission coefficients are obtained.     

珠江口低盐透镜现象的声传播特性分析

低盐透镜现象是珠江口陆架海域常见的一种中尺度现象,它的出现会影响水下声传播环境。利用南海北部陆架区的CTD资料分析了低盐透镜的结构特征,基于简正波和射线模型,建立二维波导环境,设置不同声源条件,对低盐透镜环境的声传播特性进行了研究。结果表明:低盐透镜会在海水上层形成声道,距离15 km处其传播损失较没有低盐透镜的情况小约15 dB。虽然低盐透镜声道厚度通常较小,但是较大的盐度梯度可以保证声道对声能的有效传播。当频率高于截止频率的声源置于低盐透镜内,声道效应有助于声音的远距离传播。     

浅海声信道信号时间相关特性研究

水声信道中信号的时间相关特性是水声微弱信号相关检测的理论基础和具体参数选择依据。文中以厦门港典型的浅海声信道中信号的时间自相关和互相关特性进行实验研究。结果指出,信号有强的时间相关性,无论自相关或互相关性均比海洋环境噪声强得多,因此在水声信道中采用时间相关检测可望达到优良的抗噪声效果。     

海洋声速起伏对声传播及定位精度影响分析

海洋中声速起伏导致水声信道发生变化,进而引起声线到达结构的变化,对水声传播及定位精度产生一定影响。为讨论这一效应,基于TDOA体制建立了考虑声线弯曲的水下目标无源定位模型,分析了声速起伏对水下声传播路径及传播时间的影响,进而研究了声速起伏对水下无源定位测量精度影响程度。结果表明:当水平传播距离较大时,声速剖面起伏对声传播路径及传播时间的影响更为显著;以典型四元阵为例,若基线长度为20 km,接收阵位于水下5 km处,在不考虑其它随机误差影响下,海洋声速起伏造成的声源定位误差量级在0.5 m以内。分析结果有助于更好地利用环境特征优化无源定位测量方案,可为高精度水下无源定位系统设计及精度评估提供依据。     

CSI feedback-based CS for underwater acoustic adaptive modulation OFDM system with channel prediction

In this paper, we investigate the performance of adaptive modulation （AM） orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） system in underwater acoustic （UWA） communications. The aim is to solve the problem of large feedback overhead for channel state information （CSI） in every subcarrier. A novel CSI feedback scheme is proposed based on the theory of compressed sensing （CS）. We propose a feedback from the receiver that only feedback the sparse channel parameters. Additionally, prediction of the channel state is proposed every several symbols to realize the AM in practice. We describe a linear channel prediction algorithm which is used in adaptive transmission. This system has been tested in the real underwater acoustic channel. The linear channel prediction makes the AM transmission techniques more feasible for acoustic channel communications. The simulation and experiment show that significant improvements can be obtained both in bit error rate （BER） and throughput in the AM scheme compared with the fixed Quadrature Phase Shift Keying （QPSK） modulation scheme. Moreover, the performance with standard CS outperforms the Discrete Cosine Transform （DCT） method.     

水声通信及组网的现状和展望

水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。同时,水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣,对通信算法和设备可靠性有较高要求,水声通信及组网成为目前的研究热点。文中面向海洋环境监测领域,从水声通信物理层技术、网络技术及组网应用等方面进行介绍,并对未来技术趋势进行展望。