浅海环境中水下物体声目标强度物理意义的讨论及模式滤波测量法（英文）

水下运动平台的声目标强度测量试验多在浅海环境中进行。文章根据简正波理论推导了基于平均测量法的浅海环境中水下物体声目标强度TS的解析表达式,深入分析了TS的物理意义。分析表明,在确定的方位角上,TS与分布在一定范围内的垂直入射角θi和散射角θs所对应的目标散射函数值有关,θi和θs是离散的,其取值取决于简正波阶数;同时,TS还跟海洋环境和测试距离有关,当测试距离非常大时,约等于自由场声目标强度TS free。文中还提出了一种基于垂直发射阵和垂直接收阵的声目标强度测量方法,即模式滤波测量法(Modal-Filtering Measurement,MFM)。理论分析表明,MFM法具有很好的抗界面混响性能,并且跟平均测量法和垂直阵常规测量法相比,具有更高的测试效率,测试结果更接近自由场声目标强度。     

声传播多途效应对目标方位估计影响的仿真研究

传统的目标方位估计方法基于这样一个假定,即假设信号是以平面波方式传播的,阵列的各个阵元接收到同一声源的信号波形完全相同,仅仅只是时延不同.然而在浅海环境中,由于声信号传播的多途效应使得这一假设常常不能满足.文中利用简正波理论模型分析了浅海条件下声信号传播的多途效应,并从理论上推导了浅海声传播的多途效应对传统的基于平面波假设的目标方位估计方法的影响,指出浅海声传播的多途效应会导致传统的基于平面波假设的目标方位估计方法产生方位估计偏差,在有些情况下甚至会产生主瓣的分裂,最后通过仿真试验验证了理论推导结论的正确性.     

利用解析法研究相同底质水域中点声源随深度传播规律

浅海波导的传播环境主要由海底和海面构成,声波在浅海波导内的传播衰减规律可以利用简化的相同底质的平行界面内声波的传播模型研究.本文利用解析法研究了浅海条件下相同底质水域中点声源的传播衰减规律,进行了平行介质内球面波的简正波分解,推导给出下表面为刚性、上表面为绝对软情况下简正波的衰减规律.分析了简正波和侧面波引起的声场;仿真计算了平行介质层中定深点声源传播的简正波和侧面波,给出相应的传播规律结论.本研究对理解浅海条件下舰船辐射噪声信号的传播衰减规律和舰船辐射噪声的量级评价具有一定的指导意义.     

一种双锥阵稳健水下目标噪声测量方法

测量水下目标辐射噪声时,为保障测量结果的准确性,并缓解浅海波导界面反射对测量结果的影响,测试方法需具有恒定束宽波束输出以及较好的空间指向性。对采用双锥阵测量系统的辐射噪声测量方法进行研究,采用二阶锥规划方法对双锥阵波束输出进行设计,结合聚焦变换提出了水平和垂直双向恒定束宽的低旁瓣稳健波束形成方法,实现了浅海波导中对水下目标宽带辐射噪声的测量。在仿真的浅海波导环境中,接收信噪比为5 dB时,测量结果相比单阵元系统以及应用常规波束形成器的测试方法有显著提升。     

复合材料圆柱壳声目标强度数值分析

为研究复合材料圆柱壳的声散射特性,本文基于有限元法,并结合AML技术,计算并分析水下空气背衬条件下复合材料圆柱壳铺层角度、纤维层数和壳厚比对复合材料圆柱壳声目标强度（ TS）的影响规律。结果表明：低中频时,圆柱壳铺层角度对TS影响较大;高频时,铺层角度对TS影响趋于一致;纤维层层数对TS影响不大;一定范围内,壳厚比越小,声目标强度值越小。     

复合材料圆柱壳声目标强度数值分析

为研究复合材料圆柱壳的声散射特性,本文基于有限元法,并结合AML技术,计算并分析水下空气背衬条件下复合材料圆柱壳铺层角度、纤维层数和壳厚比对复合材料圆柱壳声目标强度(TS)的影响规律。结果表明:低中频时,圆柱壳铺层角度对TS影响较大;高频时,铺层角度对TS影响趋于一致;纤维层层数对TS影响不大;一定范围内,壳厚比越小,声目标强度值越小。     

水下爆炸条件下自由场压力载荷时频特征分析

在舰船结构水下爆炸试验中,为了研究水下爆炸条件下水中自由场压力载荷的时频特征,针对某水下爆炸试验自由场压力测试试验数据,基于小波分析对信号进行时频特性分析,得到水中自由场压力信号的时频分布和能量分布状况。分析结果表明:针对水下爆炸自由场压力载荷,基于小波分析技术对其时频特征进行分析,可得到水下爆炸自由场压力载荷所包含的频率信息、强度信息以及不同频段下的载荷持续作用时间等信息;另外,可对冲击波、滞后流和二次压力波这3个不同信号阶段进行频段与能量统计分析;在不同频段上对冲南击信号的能量进行统计发现,冲击波阶段在8 k Hz以下频段集中了超过90%的能量,其中4 k Hz以下频段的能量最大,在滞后流和二次压力波阶段,需特别重视250 Hz以下的低频段对船体结构及设备的影响,该结果对舰船结构及设备的抗冲击防护具有借鉴意义。     

水下圆柱壳自由场声辐射特性的获取

[目的]水下目标的声辐射特性测量通常因受到海面、海底和外部噪声源的干扰而难以获取。为了解决在以海面或海底为界且有噪声源干扰下的半空间内水下目标自由场声辐射特性的获取问题,[方法]利用基于边界元法的声场还原技术,以典型的水下圆柱壳模型为例,分别还原圆柱壳只在海面/海底影响下或同时受海面/海底以及外部噪声源影响下的自由场声辐射特性。[结果]数值结果表明:海面、海底和外部噪声源会极大地影响水下目标辐射声场的测量结果,但利用基于边界元的声场还原方法分离得到的还原声场的辐射声功率与自由声场的结果吻合较好,同时场点声压、指向性等特性也基本一致。[结论]因此可以利用基于边界元的声场还原方法有效获取水下目标的自由场声辐射特性。     

浅海信道宽带信号波形快速预报方法

随着信号处理技术的发展,对浅海信道传输特性的研究与利用日益受到重视。文章研究了浅海典型环境中水下宽带信号波形的快速数值预报方法。基于波束位移射线简正波（BDRM）理论,利用傅立叶方法求解宽带传播模型,在宽带模型计算过程中,通过宽带模型频域近似展开和模型并行化两种方式,实现快速准确的宽带信号波形预报。     

基于简正波模态的浅海声传播的最佳深度规律研究

在给定距离情况下,声能量在深度方向上的分布并不均匀,体现在声传播损失在不同深度之间的差异可达20dB,因此研究深度方向上的声传播损失最小点即最佳深度对水声通信和探测有一定帮助。采用简正波方法对最佳深度的影响因素进行研究,得出声源频率、声源深度和海水深度对最佳深度的影响最大,并在理想液体波导中研究了海水深度和声源频率主导的简正波模态阶数对最佳深度影响,得出在给定声源深度情况下,简正波阶数是影响最佳深度的唯一因素。当海水中简正波阶数从1逐渐增大时,最佳深度也从海水层中部逐渐向海面和海底移动,当简正波个数足够多时,最佳深度稳定在声源深度和声源的对称深度。     

一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法

研究小孔径基阵条件下的高精度水下目标被动定位是一个具有实用价值的问题。提出一种基于矢量水听器和小孔径标量圆形阵的高精度水下目标被动定位方法。将矢量水听器置于标量圆形阵的圆心处,综合利用标量阵常规波束形成的稳健性和矢量水听器的测向原理,可大幅提高目标的测向精度。并利用多个基阵进行空间方位交汇可对目标进行测距。当存在多个目标时,通过基阵两两组合进行“举手表决”剔除伪解的方法,还可分辨多个目标。仿真结果表明,在4个基阵围成的边长5 km的正方形探测区域内,3个目标测向精度均在1°以内,相对测距误差低于5%,验证了该方法的有效性。     

水下目标深度测量误差源分析

首先研究了在深海环境下,采用基于三阵元垂直线列阵的水声探测系统进行水下目标深度测量的基本原理.然后从随机误差和阵元配置偏差的角度,对水下目标深度测量的误差源进行了理论分析,并推导了相关公式.此外,对于相干多途水声信道干扰给水下目标深度测量精度的影响,也作了初步的理论分析.通过仿真实验,总结出各误差源对水下目标深度测量精度影响的规律,研究结果为进一步开展水下目标深度测量研究、提高测量精度奠定了基础.     

Parzen窗估计在潜艇目标强度统计建模的应用

研究潜艇目标强度的统计特性对水中兵器的仿真和试验分析具有重要意义.本文针对直方图统计模型的精度受区间划分影响较大,提出将Parzen窗估计方法用于潜艇目标强度的统计建模,建立潜艇典型舷角下的目标强度分布模型,并对统计特性进行分析.对Benchmark潜艇模型进行仿真计算,结果表明,采用Parzen窗估计法建立的潜艇目标强度统计模型符合潜艇的物理结构特性,能够更加准确和有效地对潜艇目标强度的统计特性进行预报.     

基于单一线列阵的水下测速技术研究

利用水下声音可有效传播特征，提出了利用单一线列阵测试水下运动目标速度的方法．利用不同时刻运动目标和线列阵之间的几何关系，建立了速度测试的数学模型．本文介绍了最大拟然算法和信号相位匹配原理算法，用于高精度求解运动目标的方位角（DOA）．对速度测试误差影响的关键因素进行了分析，提出了测试系统组成：在运动目标相隔一定距离部位上安装两发射不同频率的换能器，在距运动目标不远处布上装有电子罗盘和深度传感器的线列阵，同时配备有信号采集记录仪．推导了系统特别是线列阵的参数要求．考虑工程上实际误差并进行仿真计算，仿真计算表明，一个孔径小于1m的16元阵均匀线列阵的速度测试误差小于4％．消声水池和水库试验进一步验证了模型和仿真计算的正确性．     

贝叶斯假设方法在水声成像声呐阵控制中的应用

在对水中目标轮廓进行水声成像时,可设计声呐阵中各声呐单体对目标分割识别,利用贝叶斯假设方法,解决多声呐单体识别结果的目标最终识别问题,实现声呐阵的有效控制。     

水下跟踪定位用接近觉传感器研究

针对水下机器人及机械手的作业特点,提出了新的目标定位跟踪方式,并根据此理论研制了新型水下跟踪定位用接近觉传感器.利用超声水下传播、反射的性质,以MSP430为控制器、配以收发一体化的探头阵列及控制电路,实现了水下目标的高精度定位与实时跟踪.实验表明,研究设计的传感器具有体积小、功耗低、实时性好等特点,适用于水下各型作业工具.     

排气角度对航行体表面等压气膜演化机制及流动特性影响研究

等压排气是一种可有效改善航行体绕流流场特性、抑制纵向偏转的流动控制技术。文章数值模拟了带等压排气的航行体水下垂直运动过程,给出了不同排气角度时的排气流量及速度、气膜长度等参数变化规律,分析了排气角度对等压气膜非定常发展过程及航行体绕流流场特性的影响,建立了排气孔附近及其下游流场、气膜尾部回射流场的拓扑结构,探讨了等压气膜的形态特征、演化规律及其降低航行体表面压力的机制,研究结果有助于深入理解等压排气技术改善航行体流体动力学特性的物理本质。     

基于扰动压力与速度测量水中目标航向与航速的新方法

从不可压理想定常流动的伯努利方程出发,依据水中航行体对水中某点的扰动压力与扰动速度的相关性,提出了基于水中航行体对水中一点的扰动压力与扰动速度测量该航行体的航行速度与航向的新方法。船模实验表明,该方法能较准确地测量出水中航行体的航向与运动速度,航向测量误差在5%以内,速度测量误差在20%以内,说明该方法具有实际应用前景。     

基于重叠网格的重水潜器粘流数值模拟

文章结合一种密度大于水的新型潜器—重水潜器（Heavier-than-water AUV,简称 HTW）,采用 RANS 方法和重叠网格计算了该潜器的水动力性能和绕流流场。文中计算了不同攻角和漂角情况下重水潜器的阻力、升力及俯仰力矩,对其周围流场水动力学性能进行了分析,并通过流场的流动结构研究了受力随姿态变化的规律。文中将采用重叠网格方法的计算结果与 FLUENT 计算值以及风洞试验结果进行了比较,表明重叠网格方法可较好地模拟重水潜器的自由态绕流问题。该研究为该潜器的总体设计与运动控制提供了有价值的参考。     

智能鱼雷攻潜部位及攻击角测量方法与误差分析

研究了一种基于实艇靶舷侧阵的末弹道二维跟踪定位模型,给出了鱼雷攻潜过靶部位及水平攻击角的计算方法,分析了测量误差并进行仿真.分析及仿真表明,采用该定位模型,鱼雷攻艇部位的测量精度可达2 m,在艇正横方向大约±60°开角范围内,水平攻击角的测量精度可达2°.在引起攻击角测量误差的各因素中,同步误差和目标深度装订误差影响较大,声速装订误差和基阵变形引起的误差较小.