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.     

深海RAP下的水声信道特性与通信技术研究

可靠声路径（Reliable Acoustic Path,RAP）是深海声传播的重要通道之一,其受界面影响较小,传播损失较低,可以传播到较远的距离,而且在临界深度以下,环境噪声较低;其次,可靠声路径有效避开了多途扩展现象,声线以结构稳定的直达声为主。在总结可靠声路径物理机理和声传播优势的基础上,对比分析了几种不同海洋参数条件下RAP声传播特性,然后采用射线模型仿真分析了RAP声信道内的接收声线结构,之后基于仿真的RAP信道进行了单载波通信性能的分析。仿真结果发现：在RAP声信道内,直达声能量高,传播损失低,声线结构稳定且多途扩展小,对环境变化不敏感,在35km左右的中远程距离内具有很高的信噪比;相同仿真条件下,RAP区域的误码率较同距离浅深度的接收低很多,而且RAP区域接收信号信噪比高出其他区域10 dB左右。该研究结果对于实现垂直方向上深海信息的跨域传输具有重要意义。     

基于声学宽带扩频信号的抗多径测距技术研究

为研究宽带扩频信号在复杂水声信道下的测距精度,提高水声定位系统的抗多径性能,以BELLHOP模型的多径干扰冲激响应作为水声信道环境基础,通过构造不同传播距离、海洋环境特征的多径水声信道,对宽带扩频编码进行同步相关测距仿真;提出一种基于宽带扩频信号载波域同步的抗多径测距方法,利用载波携带的宽带特征信息进行相关同步以提高理论测距精度。实验结果表明：在有直达声且不考虑声线弯曲条件下,浅海多径信道条件测距精度可达厘米级,中深水信道维持分米级测距精度,较基带同步方法的抗干扰性能有所提升,基于宽带扩频信号载波域同步的抗多径测距方法,能够为声学定位系统的高性能测距技术提供理论依据。     

匹配层高频宽带水声换能器研究

为了获取更多的水下信息,提高声呐的探测和识别能力,设计高频宽带换能器是极为重要的。 匹配层技术是拓宽换能器带宽的有效方式。从理论上对匹配层拓宽换能器带宽的机理进行了分析,并利用数值计算和有限元仿真分析了匹配层对换能器性能的影响。结果表明：随着匹配层层数增加,换能器的谐振峰数目增加,峰与峰之间通过耦合能够实现拓宽带宽的效果。通过有限元仿真指导制成中心频率为 187.5 kHz 的双匹配层宽带换能器,其最大发送电压响应为 150.3 dB,–3 dB 带宽为 145 kHz。     

水声传播中线性调频脉冲信号的检测方法研究

本文分析了线性调频脉冲信号的特点并用脉冲压缩方法来检测线性调频信号波形，特别是用脉冲压缩方法来检测会聚区信号，更能体现脉冲压缩具有降低噪声均值，获得较高信噪比增益，提高距离分辨率的优点．     

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．     

基于MPI+OpenMP的水声传播并行预报方法

基于SMP集群,利用MPI+OpenMP混合并行编程方法,设计和开发了水声传播产品多级混合并行预报算法,该算法结合SMP集群的体系架构特点,通过节点内共享内存,节点间消息传递的方式,充分发挥两种模式各自的优势,克服MPI模式进程间通信时间长、OpenMP模式扩展性差的缺点,并对程序进行了优化处理,实现了水声传播产品的快速高效预报。测试结果表明,该方法可充分发挥两种并行编程模式的优点,有效提高水声传播产品预报程序的并行效率和扩展性,大幅降低预报时间。     

海洋水声调查及信号处理方法的研究

水声环境包括海洋中影响声信号传播的各种参数,传统上,这些参数的测量都是由从事水声及其设备研究的专业人员进行,而且需要许多实验室测量仪器,所以,一直被称为水声实验。就如何将海洋水声参数的测量工程化,实现多航次、大面积的高效率水声调查,对信号获取方法、信号分析与处理方法进行了探索性研究,并在专门的数据处理软件研制中,对提出的联合时频分析法进行了验证。     

水声传播建模研究现状综述

声波是目前唯一能够在海水介质中进行远距离传播的有效载体,因此水下声传播建模理论成为水下作战环境研究的重点和难点之一,对现代声纳的设计和使用以及水面、水下作战部署具有重要意义。从水声传播建模理论的七个主要方面综述了声传播建模理论的发展研究现状,总结了国内外近几十年来并行计算在水声传播建模理论方面的应用现状,指出建立快速准确并与实际海洋环境条件相吻合的三维声场模型,并研究基于硬件平台的并行算法是未来水声传播建模理论的发展方向。     

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。     

水下机器人视频图像高效压缩方法研究

水下视频图像压缩一直是有限带宽水声信道实时传输海量视频数据的关键技术之一。本文首先介绍了目前水下机器人和水下视频图像压缩研究存在的主要问题,并综合分析了目前几种高效视频压缩方法的特点并探讨了进一步研究的方向。此外,根据水下视频的成像特点,提出了高效的全局与局部运动混合补偿方案和基于小波变换的预处理方法。初步实验结果表明：本文提出的预处理方法可以有效去除视频图像中存在的大量视觉冗余和空间冗余,提出的混合运动补偿方案可以获得很高的压缩编码效率;但必须进一步研究快速、有效的全局运动估计方法。     

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。     

高速水声通信中正交频分复用技术试验研究

设计了基于正交频分复用的高速水声通信系统,并进行了湖上和海上试验研究。湖试中,在6 000 m距离下,传输速率达到7.6 kbps,误码率低于10-4;海试中,在12 km距离下,传输速率达到8.3 kbps,误码率低于10-3。试验结果表明,正交频分复用技术可以较好地克服码间干扰,有效地利用水声信道带宽,达到高速水声通信的目的。     

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.     

仿鱼尾推进小型水下航行器设计与模型试验研究

以蓝鳍金枪鱼为蓝本,进行了仿鱼尾推进小型水下航行器方案设计与模型制作,包括设计主体外形、主体结构及安装形式、传动机构、尾鳍形状等。在水池中开展了自航实验,测定了尾鳍的摆幅、频率、形状及刚度对航速的影响,结果表明在相同条件下提高尾鳍摆动频率或增大尾鳍摆幅,能提高水下航行器的速度;当采用柔性尾鳍时,航行器的速度明显增加。     

水下溢油数值模拟研究

基于Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法建立了一个水下溢油数值模型。该溢油模型由两个子模型组成:羽流动力模型和对流扩散模型,其中羽流动力模型用以模拟溢油的喷发阶段和浮力羽流阶段;对流扩散模型用以模拟溢油的对流扩散阶段。通过数值实验,结合实验室水槽实验和水下溢油现场实验的观测资料进行模型验证。实验结果表明,模拟结果与观测资料一致性较好,从而验证了本文溢油模型的合理性和准确性;羽流动力模型为对流扩散模型提供源,海流、海水的垂向密度结构和油滴的直径分布是影响溢油在对流扩散阶段运动和分布的主要因素。     

Analysis of EMD algorithm for identification and extraction of an acoustic signal in underwater channel against wind driven ambient noise

Sonar generated acoustic signals transmitted in underwater channel for distant communications are affected by numerous factors like ambient noise, making them nonlinear and non-stationary in nature. In recent years, the application of Empirical Mode Decomposition （EMD） technique to analyze nonlinear and non-stationary signals has gained much attention. It is an empirical approach to decompose a signal into a set of oscillatory modes known as intrinsic mode functions （IMFs）. In general, Hilbert transform is used in EMD for the identification of oscillatory signals. In this paper anew EMD algorithm is proposed using FFT to identify and extract the acoustic signals available in the underwater channel that are corrupted due to various ambient noises over a range of 100 Hz to 10 kHz in a shallow water region.Data for analysis are collected at a depth of 5 m and 10 m offshore Chennai at the Bay of Bengal. The algorithm is validated for different sets of known and unknown reference signals. It is observed that the proposed EMD algorithmidentifies and extracts the reference signals against various ambient noises. Significant SNR improvement is alsoachieved for underwater acoustic signals.