海洋环境噪声观测技术及数据处理方法

海洋环境噪声是水声信道中的干扰背景场,是影响主动声纳探测能力、限制被动声纳工作性能发挥的主要原因之一.文中详细介绍了目前海洋环境噪声观测的技术手段、测量方法和数据处理方法,并根据实际测量的海洋环境噪声数据,详细分析了海洋环境噪声1/3倍频程带宽内的噪声频谱级计算方法和步骤.     

基于海洋环境噪声水下探测研究进展

由风、雨、舰船、海洋生物以及工业等因素形成的海洋环境噪声,是海洋中永恒存在的声场,包含频段丰富。无论是在水下目标的主动探测还是被动探测过程中,海洋环境噪声都被认为是水声信道中的干扰因素。但海洋环境噪声包含诸多水体、海面、海底和海洋生物等信息,可以通过反演获取海水、海底等各种信息。概述了国内外基于海洋环境噪声声成像的发展现状,并预测了该领域技术发展趋势。基于海洋环境噪声进行的水下目标探测,在探测开发海洋资源、维护国家主权和国家海洋环境安全等方面具有重要意义。     

Ambient Noise Analysis of Deep-Ocean Measurements in the Northeast Pacific

During the late 1960s and throughout the 1970s, the U.S. Navy conducted a series of ocean acoustic measurement exercises to support development of systems and techniques to detect nuclear submarines. The exercises and most of the technical documentation were classified. In 2003, a project was sponsored by the U.S. Office of Naval Research (ONR, Arlington, VA) to declassify documentation and demonstrate the capability to recover acoustic data recorded on magnetic tape. One of the exercises, known as CHURCH OPAL, was selected for demonstration of acoustic data recovery. The record on magnetic tape spanned a period of ten days in September 1975 from a vertical assembly of hydrophones at a site midway between Hawaii and California. This paper presents selected excerpts from a key report (Wittenborn, 1976) on ambient noise that previously was unpublished and unavailable for general distribution. The earlier work is augmented with more complete and detailed analyses of the recovered digital data using modern analytical techniques. Data acquired from the hydrophones below critical depth enabled isolation of ambient noise due to distant shipping and local wind. The frequency band of the acoustic analyses was 30-500 Hz. The wind component of the ambient noise was evaluated at frequencies lower than reported by Wenz (1962).     

南海某海域海洋环境噪声谱级风关特性分析

为探索南海某区域海洋环境噪声谱级与风场的相关特性,结合潜标海洋环境噪声数据及对应海域的海面风场再分析数据,计算各频段噪声级与风速相关系数及线性拟合函数。分析结果表明:400～1 000 Hz频段,海洋环境噪声谱级与海面风速的相关系数在0.5～0.8之间,达到中等相关。1 000～5 000 Hz频段,两者互相关系数大于0.8,达到高度相关。对海洋环境噪声谱级与对数风速的回归分析结果显示,1000～5 000 Hz频段,两者的线性函数关系显著;并且在1 000 Hz附近的拟合斜率最大,海洋环境噪声谱级对海面风速变化的灵敏度最高。     

通道特性相关时带乘性噪声系统观测噪声的最优估计

研究在较弱的乘性噪声条件下系统观测噪声的最优估计问题,就乘性噪声为一般随机矩阵且各观测通道乘性噪声在同时刻相关的情形,给出了在线性最小方差意义下的观测噪声最优滤波算法和最优平滑算法。针对这些算法进行了仿真研究,仿真结果表明算法有较好的估计效果。     

超导重力仪观测数据分析与信号检测

探测时间序列中隐藏的周期信号是超导重力仪观测数据分析的目标之一,进行超导重力仪观测数据中隐含信号的检测,最常用的方法是快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform ation,FFT)。首先对快速傅里叶变换的原理加以介绍,然后,结合1998年加拿大站全年的超导重力观测数据实例,详细讨论了用快速傅里叶变换进行谱分析的步骤,最后对数据结果进行了分析。     

降低干扰和噪声对水中声反向散射信号影响的若干对策

声遥测水中悬浮粒子（如泥沙）的反向散射强度,可反演获得粒子浓度。可是,遥测系统对采样体积采集的声反向散射,除了粒子的散射信号外,还包含附加的干扰和噪声。本文探讨采集悬浮粒子声反向散射信号时,如何降低干扰源和噪声源对其影响的若干对策。     

一种非平稳噪声背景下的线谱相干检测方法

舰艇目标航行时往往向水中辐射大量线状谱结构的声波信号,线谱信号检测对舰艇目标的被动探测至关重要.实际水下环境噪声常表现为时域非平稳噪声,常规离散傅里叶变换类线谱检测方法时域积分时,不可避免会引入非平稳噪声背景中出现的短时强干扰噪声,使积分结果中线谱信噪比大幅降低,线谱检测性能急剧恶化.为解决上述问题,对分段离散傅里叶变...     

带乘性噪声系统在加性噪声相关时的最优滤波

针对石油地震勘、通讯工程、语言处理等应用领域 ,该文研究一种在更弱的噪声限制条件下带乘性噪声系统的状态最优滤波 ,就动态噪声为有色噪声及动态噪声和量测噪声在有限时间段上相关的情形 ,给出了线性最小方差意义下的状态最优滤波算法 ,并对此算法作了仿真计算 ,获得满意的结果     

锁相检波在水声遥测信号检测中的应用

锁相检波技术采用模拟乘法器,对与本地载频信号频率一致的输入信号有强的检测能力.在分析典型的CW和FSK水声遥测信号特点的基础上,根据音频锁相检波器NE567的设计公式和应用要点,设计了锁相检波模块,用于多通道遥控测距装置,湖上和海上实验证明了应用的有效性.     

带乘性噪声系统在加性噪声相关时的最优固定域平滑及反褶积算法

最优平滑及最优反褶积在石油地震勘探、通讯工程、语音处理等应用领域都具有十分重要的意义。以往的带乘性噪声系统的平滑及反褶积大都对系统模型的噪声特性有着较强的限制条件 ,要求动态噪声及观测噪声互相独立或只能在同时刻相关。该文给出了一种在动态噪声为有色噪声及动态噪声和量测噪声在有限时间段上相关的情形下带乘性噪声系统的固定域平滑及反褶积算法 ,该算法在线性最小方差意义下是最优的。通过仿真计算 ,说明了该算法的有效性。     

Ambient Noise Vertical Directionality and Reflection Loss Estimates for a Shallow Tropical Site with a Fast Sound Speed Bottom

Abstract

For high frequency ocean acoustic modeling applications, seabed reflection loss is a useful alternative input compared to conventional geoacoustic model parameters. Reflection loss can be estimated by comparing the noise intensity of the up and down components of the ambient noise vertical directionality pattern. The potential of this method is demonstrated with experimental data spanning one week, collected off shallow east coast of India using a 21 element vertical hydrophone array. The compact and easily operable vertical array has been designed for high frequency directionality estimation in the band 2–10?kHz. The ambient noise data are beam formed to arrive at the vertical directionality pattern. Further reflection loss values as a function of frequency and grazing angle have been estimated for 1/3 octave bands for a sandy sea bed in warm tropical waters. This has been compared with modeled reflection loss estimates using OASR reflection loss module of OASES. This will serve as inputs to propagation models for applications such as inverse techniques, ambient noise modelling, and sonar system performance prediction.     

基于窄带混合高斯噪声的最佳检测

论文首先研究高斯柯西卷积噪声模型和窄带混合高斯噪声模型用来对混响建模,前者主要用于仿真分析,而后者因其参数有明确物理意义且可通过样本序列估计得到,因此被用于海洋的工程实现.文章重点研究混合高斯噪声背景下确知信号的非高斯最佳检测器的构造,并对检测器进行了仿真.验证结果表明混合高斯噪声背景下确知信号的非高斯最佳检测器检测性能优于常规的匹配滤波器3～4.5 dB.     

关于多波束与侧扫声纳回波检测方法的探讨

多波束测深仪和侧扫声纳是实施国家“703”专项海洋调查任务的主要设备,理解两种设备对回波信号检测这一核心技术是掌握和正确使用它们的首要条件。文章对目前国内外流行的多波束测深仪和侧扫声纳回波信号检测方法做了详细的分析。     

一类具有等式约束的带乘性噪声系统的最优滤波算法

针对动态数据处理领域观测方程中存在乘性噪声的情况,提出在乘性噪声系统中状态附等式约束的一套滤波算法。该算法首先通过把观测向量进行扩维,然后基于投影定理进行滤波求解得到基于线性最小方差的最优滤波算法。通过与基于最优化理论的方法求解得到的算法进行对比分析及仿真对比验证了该算法的有效性。     

利用EMD方法和小波变换进行信号奇异性检测

本文采用经验模式分解 (EMD)与小波变换相结合的方法分析非平稳机械故障信号的奇异性 ,进行机械故障诊断。与直接对原信号进行小波分析相比较 ,该方法提取的奇异性特征明显。数值模拟和对故障轴承的振动信号分析表明了该方法的有效性。     

主动声探测信号的捕获与回波重构电路设计

针对主动声探测脉冲偶发、短时、超声、单频、大动态的特点,传统的微弱信号采集电路已不能满足对其探测捕获的需求。提出了一种多级放大多路同步采集的电路系统,对预处理的信号进行多级放大。 由 DSP 同时对多级输出信号进行采集与识别,将采集的某路合适信号进行分析并重构回波。该方法有效地提高了系统的实时性,满足实际情况下对主动探测脉冲的捕获与分析重构。     

High-Resolution Signal and Noise Field Estimation Using theL1 (Least Absolute Values) Norm

In this paper a new method for obtaining a quantitative estimate of an acoustic field consisting of a set of discrete sources and background noise is described. The method is based on theL1 (least absolute values) norm solution to an underdetermined system of linear equations defining the Fourier transform of the signal series. Implementations of the method with either equality or inequality constraints are presented and discussed. The much faster and more compact equality constraint version with a provision for modeling the noise field is recommended in practice. Experience with real data has shown the necessity of correcting for an observed Gaussian decay on the covariances. A simple means of estimating this effect and taking it into account in the signal estimation procedure is discussed, and the implications of this effect in high-resolution beamforming are considered. The effectiveness and versatility of theL1 method indicate that it has a useful role in high-resolution signal estimation.     

小波变换在水下目标回波奇异性检测中的应用

小波变换突破了传统Fourier变换等信号处理方法均限制,具有表征信号局部特征的能力,信号的局部奇异性包含了信号的许多重要信息,论文研究了信号的奇异性检测问题。给出小波变换和信号奇异性的关系,实现小波分析对信号各类奇异间断点的有效检测,最后进行实例分析,说明此理论与方法适用于对边缘信号与突变信号的处理和提取,为海底底质识别提供理论依据。     

虾池底泥间隙水中氨氮的变化特征及其对虾池生态环境的影响

根据不同类型虾池的生态环境调查资料,研究了虾池底泥间隙水中氨氮的变化特征及其与有机质,硫化物、化学耗氧量和电极电位的关系,同时还探讨了其对虾池生态环境的影响。