不规则海域混响建模 张明辉
运动坐标系下的海浪数值模拟
运动坐标系下的海浪数值模拟
梁楚进;管长龙
【期刊名称】《海洋湖沼通报》
【年(卷),期】1998()1
【摘要】以运动坐标系中的海浪谱为靶谱应用静止坐标系中随机波面的模拟方法─—线性叠加法和线性过滤法模拟匀速运动坐标系中的随机波面，给出了两种方法的原理及模拟手续。
通过模拟实验发现，在高速运动的坐标系中线性叠加法优于线性过滤法，在低速情形，线性过滤法好于线性叠加法，并在模拟技术上给出了各参数的选取方法。
【总页数】7页(P6-12)
【关键词】运动坐标系;海浪;数值模拟;海浪谱
【作者】梁楚进;管长龙
【作者单位】国家海洋信息中心;青岛海洋大学物理海洋研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P731.22
【相关文献】
1.球坐标系下MASNUM海浪数值模式的建立及其应用 [J], 杨永增;乔方利;赵伟;滕涌;袁业立
2.球坐标系下多介质混合物模型的数值模拟 [J], 吴宗铎; 赵勇; 严谨; 宗智; 高云
3.任意曲线坐标系下二维浅水方程的数值模拟 [J], 吴卫国;薛世峰
4.波流耦合作用下渤海及北黄海风暴潮增水及海浪过程的数值模拟 [J], 许慧;张宸浩;柴崇顼;王珏;王清夷;张明亮
5.船舶在海浪下的运动模型分析与舰船运动模拟平台的设计 [J], 凌财进
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基于混沌理论的水中混响建模及其应用研究的开题报告
基于混沌理论的水中混响建模及其应用研究的开题报告一、选题背景混响效果是音频信号处理领域里非常常见的一种效果，它可以让原本干巴的音频信号听起来更加自然、富有共鸣感。
水中混响是混响效果中的一种比较特殊的形式，它通常用于模拟在水下环境中传输声音的效果，具有很高的实际应用价值。
在水下通讯、声呐处理、水下防范等领域中，水中混响建模技术能够帮助我们更好地理解声波在水下环境中的传播规律，实现目标追踪、系统检测等重要功能。
近年来，混沌理论在信号处理领域中得到了广泛应用，特别是在混响效果建模方面。
传统的混响建模方法往往基于传输函数、声学参数等常规技术进行处理，难以准确反映水下复杂环境中声波的弥散和回声等特性。
而基于混沌理论的水中混响建模技术，可以更加真实地模拟水下环境对声波的影响，从而产生更加逼真的水中混响效果。
二、研究目的与内容本研究旨在基于混沌理论，研究水中混响的建模与应用技术。
具体研究内容如下：1.分析和比较目前水中混响建模的主要方法和技术，总结各种方法的特点、优缺点。
2.研究混沌理论在音频信号处理领域中的基本概念、特点及其在水中混响建模中的应用。
3.构建基于混沌映射的水中混响模型，实现水中声波的传播、回声、衰减、折射等特性的模拟。
4.对比混沌映射模型与传统建模方法，分析其在模拟混响效果方面的差异和优劣。
5.利用所提出的混沌映射模型，结合MATLAB等相关工具，进行混响效果的模拟和应用实验，验证模型的可行性和有效性。
三、研究意义本研究通过混沌理论和水中混响建模技术的有机结合，解决了传统建模方法在模拟能力方面的不足。
该方法可以更加真实地模拟水下声波的传播、反射、折射等特性，为水下通讯、防范、探测等领域的声学信号处理提供了更加全面、准确的支持。
通过混沌建模方法的研究，本研究还可以深入探讨混沌理论在其他领域中的应用，促进混沌理论在科学技术发展中的应用和发展。
四、研究方法本研究采用理论研究与实验室实测相结合的方法。
海洋混响数据的SαS分布建模
第42卷第1期2021年1月哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.42ɴ.1Jan.2021海洋混响数据的SαS 分布建模王平波,卫红凯,娄良轲,代振(海军工程大学电子工程学院,湖北武汉430033)摘㊀要:为了有效抑制主动声呐混响,新型统计信号处理设计中常对海洋混响进行非高斯概率密度建模,本文在考察分析海洋混响数据的特点和SαS 分布的优势之后,将SαS 分布引入到混响非高斯概率密度建模中,给出了2种模型参数估计方法,并使用仿真和实测数据进行了验模,通过大量海试混响数据建模结果分析,对混响数据的SαS 分布规律进行归纳总结㊂研究表明:SαS 分布能够较好描述海洋混响的概率密度,其特征指数近半数集中在1.6~1.9㊂关键词:对称α稳定分布(SαS );高斯;声呐;非高斯;海洋混响;概率密度建模DOI :10.11990/jheu.201909030网络出版地址:http :// /kcms /detail /23.1390.u.20201215.0907.002.html 中图分类号:TN911.7㊀文献标志码:A㊀文章编号:1006-7043(2021)01-0055-06Oceanic reverberation probability density modeling basedon symmetric alpha-stable distributionWANG Pingbo 1,WEI Hongkai 1,LOU Liangke 1,DAI Zhen 1(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)Abstract :To effectively suppress the active sonar reverberation,new statistical signal processing methods based on non-Gaussian probability density modeling are often designed.In this paper,after the investigation of the character-istics of oceanic reverberation data and the advantage of alpha-stable distribution (SαS),the symmetric SαS is in-troduced to the probability density modeling of non-Gaussian reverberation.The parameter estimation methods are briefly discussed,and the modeling method is validated using numerical and experimental instances.Finally,by a-nalysis of several oceanic reverberation trial data modeling results,some laws and conclusions are reached.The re-sults show that SαS can precisely fit the probability density distribution of the oceanic reverberation.Almost half of the characteristic index αestimations for reverberation vary from 1.6to 1.9.Keywords :symmetric alpha-stable distribution (SαS);Gaussian;sonar;non-Gaussian;oceanic reverberation;probability density function modeling收稿日期:2019-09-09.网络出版日期:2020-12-15.作者简介:王平波,男,博士生导师;卫红凯,男,博士研究生.通信作者:卫红凯,E-mail:whk200605@.㊀㊀在传统的声呐信号处理中,高斯模型占据着主导地位㊂随着现代主动声呐体制向低频㊁大功率㊁大孔径方向发展,混响对声呐性能的影响日趋严重,如何有效地抑制混响干扰成为主动声呐信号处理的首要任务㊂大量实践表明,沿袭传统的高斯分布假设,往往不能取得理想的抗混响效果㊂因此,放弃高斯假设而采用非高斯分布假设在水声信号处理业界已成为一种趋势[1-2]㊂近年来,α稳定分布作为一种非高斯分布模型,具有统计分布的稳定性和概率密度函数(probability density function,PDF)的代数拖尾特点,在信号处理领域受到了广泛的重视,己成为常用的冲激信号统计模型[3-7]㊂作为唯一的一类构成独立同分布随机变量之和的极限分布[4],α稳定分布是广义的高斯分布,通过调整特征指数α的值实现对PDF 拖尾厚度的控制,可以对PDF 为单峰钟形随机信号统计特性进行灵活地描述,比高斯分布具有更广泛的适用性㊂而以混响为主的主动声呐背景干扰,其瞬时幅度样本是均值为零㊁正负样本量大致相等㊁上下包络线基本对称的随机信号[1-2],即其PDF 恰好是以0为中心左右对称的单峰钟形曲线㊂因此,本文将原点位置对称α稳定分布(SαS,symmetric alpha-stable distribution)引入到混响非高斯PDF 建模中,并使用仿真和实测数据对这一建模方法的可行性和正确性进行检验,最后通过大量海试混响数据建模结果哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷分析,对混响数据的SαS 分布规律进行归纳总结㊂1㊀混响的特点与SαS 分布简介1.1㊀混响数据的特点海洋混响是海洋信道中一切散射作用的总和㊂从瞬时幅度上看,它是紧跟在发射之后㊁总体由强至弱的一连串衰减(可能还有起伏震荡)波形㊂图1给出了一段典型的主动声呐阵元级接收数据波形,从中可以分析归纳混响数据的一般特点㊂图1㊀一段典型的主动声呐阵元级接收数据波形Fig.1㊀A typical waveform of active sonarᶄs receiving data引发这段数据的发射信号是4s 脉宽的HFM 脉冲㊂前4s 为发射脉冲直达声,称为直达声区㊂事实上,发射伊始即引发混响,亦即,直达声区中也有不完整发射脉冲引发的混响,但因其混叠于直达声中难以分离,且此处视为主动声呐近程盲区,一般不对其内的混响进行研究㊂直达声结束后,数据幅度从与直达声等高度逐渐衰减,直至不再明显降低,大致如图中的4~12s 段所示,这一段是典型混响区域,称为混响限制区,该区域内,混响强度高于背景噪声,是声呐的主要背景干扰㊂大致从12s 向后,混响淹没于背景噪声之中,以海洋环境噪声为主的背景噪声成为主要的背景干扰,混响的影响可以忽略,而背景噪声是宽平稳的,故接收数据幅度不再明显变化,此段称为噪声限制区㊂根据声呐量程,噪声限制区可以延续很长,这里仅给出一部分㊂不难理解,研究混响数据的统计特性,要基于混响限制区内的数据进行㊂从图1中还直观可见,混响数据是0均值的㊁正负样本量大致相等㊁上下包络线基本对称,这意味着,可以使用0均值对称单钟型曲线来对混响数据的概率密度函数进行拟合建模㊂零均值高斯分布㊁混合高斯分布,和下面要介绍的SαS 分布,其PDF 恰好就是这样一类曲线㊂1.2㊀SαS 分布简介若随机变量X 具有如下形式的特征函数[3]:φ(t )=E [exp(i tX )]=exp{i μt -γt α[1+i βsgn(t )ω(t ,α)]}(1)则称X 服从α稳定分布,记为X ~S (α,β,γ,μ)㊂其中,ω(t ,α)=tan πα2(),αʂ1-2πln t ,α=1ìîíïïïï,sgn(t )=1,t >00,t =0-1,t <0ìîíïïï式中:α为特征指数,表征稳定分布脉冲特性强弱,αɪ(0,2],值越小,则所对应分布的拖尾越厚,非高斯脉冲特性越显著;γ为离差,亦称为尺度参数㊁分散系数,表征稳定分布随机变量偏离其均值或中值的程度,γɪ(0,ɕ),定义σ=γ1/α为标准离差;β为偏斜指数,表征稳定分布的偏斜程度,βɪ[-1,1],β=0㊁β>0和β<0时,分别对应稳定分布无偏斜(对称)㊁右偏斜和左偏斜情况;μ为位置参数,表征稳定分布的均值(α>1时)或中值(αɤ1时),μɪ(-ɕ,ɕ)㊂α稳定分布特征函数与其PDF 是一对傅立叶变换[3],可通过对特征函数进行傅立叶变换得到PDF:f (x ;α,β,γ,μ)=1πʏɕ0exp{-γt α}cos[(x -μ)t +γt αβω(t ,α)]d t(2)㊀㊀除几组特殊参数取值外,式(2)一般没有封闭的解析表达式,需要以数值积分方式计算[8-9]㊂图2给出了以这种方式计算绘出的不同参数取值时的α稳定分布的PDF 曲线比较㊂从各图中参数变化时的PDF 曲线对比,可以清晰地看到对应参数的物理意义体现㊂一些常见分布可以看作是α稳定分布S (α,β,γ,μ)的特例[3],比如:当α=2㊁β=0时,S(2,0,γ,μ)就是高斯分布(μ,2γ);当α=1㊁β=0时,S(1,0,γ,μ)就是柯西分布(μ,γ)㊂当偏斜指数β=0时,α稳定分布称为对称α稳定分布,记为SαS 分布㊂不难发现,高斯分布㊁柯西分布都是SαS 分布的特例㊂正常状态下的主动声呐背景干扰数据,包括混响数据,其样本都是无偏斜且0均值的,故可用位置参数μ=0的SαS 分布来拟合其PDF,可把这种分布称为原点位置SαS 分布,简记作S α(γ)㊂可以看到,S α(γ)分布仅有2个参数:特征指数α和离差γ,就像常用的高斯分布一样简洁㊂值得指出,在对混响数据进行非高斯PDF 建模时,堪用的模型,即使最简洁的二阶0均值混合高斯模型ZMGM(2),也有3个参数[1]㊂相对少的参数意味着相对快捷而精确的参数估计算法,在这一点上,S α(γ)具有无可比拟的优势㊂㊃65㊃第1期王平波,等:海洋混响数据的SαS分布建模图2㊀不同参数下的S (α,β,γ,μ)分布PDF 变化Fig.2㊀PDFs of S (α,β,γ,μ)with different parameters2㊀混响数据SαS 分布建模方法获取合格而足量的混响样本数据后,即可以原点位置SαS 分布对其进行建模㊂而建模的核心任务是,如何构建S α(γ)的2个未知参数α和γ估计器㊂一般的α稳定分布S (α,β,γ,μ)参数估计问题,已经有很多文献研究[3,8,10]㊂如前分析,混响数据实际上可以简化的α稳定分布,即S α(γ)分布进行PDF 建模,故针对这一特点,本文从诸多方法中予以选取并简化改进,建立了如下2种方法:正负矩法和对数矩法㊂2.1㊀正负矩法设随机变量X ~S α(γ),则有[3]:E(X p)E(X-p)=C (p ,α)C (-p ,α)=2tan(p π/2)αsin(p π/α),0<p <min(α,1)(3)式中:MX(p ) E(X p )=C (p ,α)γp /α(4)C (p ,α)=2p +1Γ[(p +1)/2]Γ(-p /α)απΓ(-p /2)(5)㊀㊀这里,Γ(㊃)为伽马函数,定义为[8]:Γ(x )ʏɕ0t x -1e -t d t(6)㊀㊀由式(3)~(5),有:sincp πα()=sin(p π/α)(p π/α)=2tan(p π/2)p πM X (p )M X (-p ),0<p <min(α,1)(7)㊀㊀通过样本统计得到X 的p 阶和-p 阶矩估计M^X (p )和M ^X (-p )后,代入(7)即可解出特征指数估计值^α,再代入式(4)即可解出离差估计值^γ,完成S α(γ)分布参数估计㊂不难发现,这种方法的起点是X 的正㊁负p 阶矩估计,故称为正负矩法,简记为NM㊂阶数p 的设定是正负矩法的关键之一,但多数文献中仅给出一范围指示[3,10],并无深入探讨㊂针对混响建模实际,本文采取如下做法:首先要根据经验确定待建模数据的特征指数下限值αmin (这一经验值的获取可通过下文所述的对数矩法建模总结),确保p 取值小于αmin 或1;为提高估计精度,可设置多组阶数值p i 通过式(7)得到多组估值^αi ,进行平均得到最终估值㊂2.2㊀对数矩法设随机变量X ~S α(γ),则由式(4)有:E(X p )=E(e p ln X )=C (p ,α)γp /α(8)㊀㊀引入负阶矩和分数阶矩概念后,式(8)在p =0处连续[3]㊂定义随机变量Y =ln X ,则Y 的矩母函数为:E(e pY ) ðɕk =0E(Y k)p k k !=C (p ,α)γp /α(9)㊀㊀故Y 的任意k 阶矩都是有限的,且满足:E(Y k)=d k d pk [C (p ,α)γp /α]p =0(10)㊀㊀k =1时可得Y 的一阶原点矩(均值)为:μY =E(Y )=1α-1()c e +1αln γ(11)式中c e 为Euler 常数㊂同理可得Y 的二阶中心距㊃75㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷(方差)为:σ2Y=E{[Y -E(Y )]2}=π261α2+12()(12)㊀㊀混响建模实际应用中,可首先根据样本统计得到Y =ln X 的均值和方差估计^μY 和^σ2Y ,然后把^σ2Y值代入式(12)解得特征指数估计值^α,最后再根据式(11)解得离差估计值^γ,完成S α(γ)分布参数估计㊂可以看到,这种方法的起点是X 的对数变换及其一㊁二阶矩估计,故称为对数矩法,简记为LM㊂应当指出,式(11)与(12)中已无矩母函数自变量(亦即正负矩法的中阶数)p ,这就是说,对数矩法不需要p 初值设定,恰与正负矩法形成补充,二者估计结果可以相互印证㊂2.3㊀仿真实例首先使用PDF 可设定的仿真数据检验S α(γ)分布对高斯和非高斯PDF 的拟合能力㊂图3是一段标准正态分布随机序列的建模拟合情况㊂其中图3(a)为波形图,图3(b)为PDF 曲线对比,虚线为使用设定的高斯分布参数[μ,σ2]=[0,1]绘出的曲线,代表PDF 真值;实线为使用对数矩法S α(γ)分布参数估计[^α,^γ]=[2.0,0.5]绘出的曲线,代表PDF 拟合值㊂2条曲线几乎完全重合,这说明对于高斯数据,S α(γ)具有良好的PDF 拟合性能㊂图3㊀SαS 分布S α(γ)对高斯数据PDF 的拟合性能Fig.3㊀PDF fitting performance of S α(γ)for Gaussian data㊀㊀图4是一段非高斯随机序列的建模拟合情况㊂非高斯序列按参数[εI ,σ2B ,σ2I ]=[0.1,1,100]的混合高斯分布以复合抽样法[1]生成㊂(a)为波形图,从中可观察到大量 毛刺 (尖峰脉冲)突出,故这是一种比较严重的非高斯情形㊂图4(b)为PDF 曲线对比,虚线为使用设定的混合高斯参数绘出的曲线,代表PDF 真值;细实线为使用对数矩法S α(γ)分布参数估计(^α,^γ)=[1.4,0.7]绘出的曲线,代表PDF 拟合值㊂可以看到,这两条曲线几乎完全重合,这说明对于非高斯数据,S α(γ)同样具有良好的PDF 拟合性能㊂为了比较,图4(b)图中还绘出了以高斯分布拟合的PDF 曲线,参数估计为[^μ,^σ2]=[0,10.1],如粗实线所示,可见,这条曲线已远远偏离PDF 真值,说明高斯建模在这种情况下已不可用㊂图4㊀SαS 分布S α(γ)对非高斯数据PDF 的拟合性能Fig.4㊀PDF fitting performance of S α(γ)for non-Gaussian data3㊀混响数据的SαS 分布特性分析本节以数组低频主动拖曳线列阵声呐(0411三亚海试)数据分析为例,验证以混响为主的主动声呐背景干扰数据(即图1所示中的混响限制区内数据,简称为混响)SαS 分布PDF 建模方法的正确性,并初步归纳混响PDF 的SαS 分布规律㊂3.1㊀建模方法验证(0411三亚海试)发射3种主动脉冲信号:Ⅰ表示脉宽为432ms㊁频率为750Hz 的CW 脉冲,称为窄带短脉冲;Ⅱ表示同样脉宽㊁频带为650~850Hz 的LFM 脉冲,称为宽带短脉冲;Ⅲ表示脉宽为1296ms㊁同样频带的LFM 脉冲,称为宽带长脉冲㊂使用80元拖曳线列阵接收回波数据㊂进行PDF 建模前数据已经过带通滤波ң波束形成ң移频ң降采样ң幅值归一化等处理[1,11]㊂图5~7分别给出了3段3种脉冲混响数据的波形图和SαS 分布PDF 建模拟合图㊂为便于比㊃85㊃第1期王平波,等:海洋混响数据的SαS 分布建模较,图5~7(b)图中同时绘出了:①使用柱状图统计法得到的PDF 曲线,图中标记为HS㊂在足够样本量下,HS 曲线可视为真实分布㊂②使用正负矩法S α(γ)参数估计得到PDF 拟合曲线,图中标记为NM㊂③使用对数矩法S α(γ)参数估计得到PDF 拟合曲线,图中标记为LM㊂NM 和LM 方法得到的α㊁γ参数估计值也同时标记于图5~7(b)图上方㊂图5㊀一段窄带短脉冲混响数据SαS 分布验模Fig.5㊀SαS PDF fitting performance for a reverberation segment of narrow-band shortpulse图6㊀一段宽带短脉冲混响数据SαS 分布验模Fig.6㊀SαS PDF fitting performance for a reverberation segment of wide-band shortpulse图7㊀一段宽带长脉冲数据SαS 分布验模Fig.7㊀SαS PDF fitting performance for a reverberation segment of wide-band long pulse㊀㊀由图可见,负阶矩法㊁对数矩法2种参数估计方法得到的参数估计值几乎完全相同,拟合的NM 和LM 曲线几乎完全重合㊂而此二者又与统计得到的HS 曲线几乎完全重合㊂这说明,这2种参数估计方法具有几乎完全相同的PDF 建模精度,都能够真实反映数据的PDF 特性㊂换言之,SαS 分布S α(γ)可以精确反映混响数据的PDF,其参数估计选用正负矩法或对数矩法皆可㊂从运算速度看,对数矩法略优㊂下文选用对数矩法㊂3.2㊀建模结果分析选取(0411三亚海试)中不同方位通道㊁不同距离处的Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ3种发射信号引起的混响数据各5430段,以对数矩法进行SαS 分布建模㊂由于离差估值^γ仅反映数据值偏离中值或均值的程度,亦即基本反映数据功率的大小,而与数据的非高斯性关系不大,故这里仅考察特征指数估值^α的统计规律㊂表1给出了这些数据的建模结果㊂3组共计16290段数据的^α值皆分布于1.1~2.5,将1.1~2.0间隔0.1长度分为1段,得9个区间,由小到大表征依次削弱的非高斯性,而ȡ2.0则合为1个区间,表征高斯属性㊂表中第1列即显示了这种区间划分;第2~4列统计出各组数据^α值分别位于10个区间的百分比,统计的基数都是5430段;第5列则是3组综合的百分比,统计基数为16290段㊂由表可见,各组数据的^α没有低于1.1的值,少部分位于1.1~1.6,多数位于1.6~2.0,各有30%左右^αȡ2.0㊂考虑到时间平均量代替了统计平均量以及样本量的不足,可以把^αȡ1.9的情况视为近高斯分布,则各组占比分别为:信号Ⅰ组55.4%,信号Ⅱ组56.0%,信号Ⅲ组52.2%;把^α<1.9的㊃95㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷情况视为典型非高斯分布,则各组占比分别为:信号Ⅰ组44.6%,信号Ⅱ组44.0%,信号Ⅲ组47.8%;把^α<1.6的情况视为强非高斯分布,则各组占比分别为:信号Ⅰ组6.0%,信号Ⅱ组1.1%,信号Ⅲ组3.2%㊂表1㊀海试混响数据α估值分布区间统计Table1㊀Statistics ofα-estimation intervals for the sea trialdata^α分布区间信号Ⅰ混响/%信号Ⅱ混响/%信号Ⅲ混响/%所有信号混响/%[1.1,1.2)0.0184000.0061 [1.2,1.3)0.0921000.0307 [1.3,1.4)0.62620.01840.05520.2333 [1.4,1.5) 1.91530.16570.75510.9454 [1.5,1.6) 3.29650.9392 2.3573 2.1977 [1.6,1.7) 6.3536 4.6041 6.0773 5.6783 [1.7,1.8)11.933713.388614.806613.3763 [1.8,1.9)20.386724.917123.775323.0264[1.9,2.0)19.539626.556226.758724.2848[2.0,ɕ)35.837929.410725.414430.221统计基数54305430543016290注:信号Ⅰ为窄带短脉冲;信号Ⅱ为宽带短脉冲;信号Ⅲ为宽带长脉冲㊂因此,可以说,混响数据的SαS分布特征指数近半数位于1.6~1.9,表现出一定的非高斯性㊂相较而言,宽带长脉冲信号引发的混响数据非高斯性略强,而窄带短脉冲信号引发的混响数据的特征指数分布范围更广(信号Ⅰ组有少量^α值散布于1.1~1.3,而信号Ⅱ㊁Ⅲ组则无)㊂4㊀结论1)SαS分布可对主动声呐背景干扰进行较好的概率密度拟合;2)在混响限制区内,主动声呐背景干扰的特征指数α近半数集中在1.6~1.9,表现出一定的非高斯性㊂参考文献:[1]王平波.主动声纳非高斯信号处理技术研究[D].武汉:海军工程大学,2006.WANG Pingbo.Study on non-Gaussian signal processing in active sonar[D].Wuhan:Naval University of Engineer-ing,2006.[2]王汗青.基于对称Alpha稳定分布的水声信号处理技术研究[D].武汉:海军工程大学,2012. 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海底混响的空时模型及仿真
散射源可 以分为海底混响 、 面混 响及体积混 响。散射体存 海
１ 引 言 混响仿真是声纳仿真技术 中的一个重要研究 领域” ， 水
声设备在研制过程 中 由于受 到各方 面制 约而不 可能 中的流砂 粒子 、 海洋生物 ， 海 洋本身 的不均匀性 、 的鱼群等 ， 大 它们 引起 的混 响称 为体积 混响 。海面 的不平整性 和波 浪形成 的气 泡层对声 波 的散射 所形成 的混响称为海面混响 ， 海底及其 附近的散射体 形成 的 混响称为海底混响 ， 两种统称 为界 面混 响 Ｊ 后 。 海洋混响 的仿真方法较多 ， 从仿 真精 度上主要分 为简要 仿真和精细仿真 。其 中混 响简要 仿真 只描述混 响衰减 规律
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ： ｓｍｕ ａｉ ｎ ｍｏ ｅ ｆｓ ａ ｌｏ ｖ ｒ ｅ ａｉｎ Ｗ ｔ ｄｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ Ａ ｉ ｌ ｔ ｄ ｌｏ ｅ ｆ ｒ ｅ ｅ ｂ ｒ ｔ ａ ｓｕ ｉｄ ｉ ｓ ａ ｅ ．Ｗ ｈ ｎ ｓ ｎ ｒｗ ｒ ｓｉ ｎ ｅ ｗ － ｏ ｏ ｒ ｏ ｓ ｈ ｅ ｏ ａ ｏ ｋ ｎ ｕ ｄ ｒ ａ ｔｒｔ ｒｅ ｅ ｅ ｔ ｎ，ｃ ｍｍｕ ｉａ ｉｎ ａ ｄ ｎ ｖｇ ｔ ｎ ｉ ｅ ｆ ｏ ｆｓ ａｌｗ ｅ ，ｓ ａ ｏ ｒｒ ｖ ｒ ｅ ａｉｎ ａｅ ｏ ｅ ｏ ｅ ｅ ａ ｇ ｔｄ ｔｃｉ ｏ ｏ ｎ ｃ ｔ ｎ ａ ｉ ａｉ ｎ ｓ ａ ｏ ｒｏ ｈ ｌ ｏ ｏ ｌ ｏ ｓ ａ ｅ ｆ ｏ ｅ ｅ ｂ ｒ ｔ ｒ ｎ ｆｔ ｌ ｏ ｈ
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基于地声模型的浅海混响地声反演研究
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第 ３ 卷第 ７期 ｌ
２１ ００年 ７月
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基于混沌理论的海底混响中目标回波提取(英文)
基于混沌理论的海底混响中目标回波提取(英文)
姜可宇;蔡志明;胡金华;陆振波
【期刊名称】《声学技术》
【年(卷),期】2006(25)6
【摘要】提出了基于混沌理论的混响中目标回波提取新方法。
该方法主要得益于一种新的预测模型,该模型基于径向基函数神经网络,综合利用了时间序列的前向和后向预测,解释了该模型用于混沌信号分离的基本原理,用几种混沌时间序列分析了该模型用于混沌信号建模和谐波信号提取的性能。
该方法用于湖试混响中目标回波提取的结果表明:该模型可以用于提取信混比不小于1dB的目标回波。
【总页数】7页(P588-594)
【关键词】海底混响;目标回波;信号提取;非线性预测;混沌
【作者】姜可宇;蔡志明;胡金华;陆振波
【作者单位】海军工程大学电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.2
【相关文献】
1.基于盲源提取的强混响背景下LFM信号回波检测 [J], 罗俊杰; 王朋; 张春华
2.混响环境下基于频率-波数谱分析的水下慢速目标回波检测方法 [J], 徐琰锋;潘谢帆;刘本奇
3.运动平台混响背景下基于低秩稀疏分解的目标回波增强 [J], 王燕;贺玉梁;邱龙皓;
邹男
4.基于混沌理论的混响背景下目标检测方法 [J], 胡秀云
5.应用混沌理论的舰船混响背景下目标检测方法 [J], 唐宏
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多尺度耦合经验正交分解法反演海洋次表层温盐结构
多尺度耦合经验正交分解法反演海洋次表层温盐结构
张明琪;徐永生;杨树国
【期刊名称】《海洋科学》
【年(卷),期】2024(48)3
【摘要】针对提升利用卫星观测海面信息重构三维温盐场精度的问题,本文提出了一种基于多尺度耦合正交分解的三维温盐场重构方法。
该方法利用多尺度耦合正交分解对历史温盐剖面进行从大尺度到小尺度的迭代分解,以分层提取不同尺度三维温盐场的特征信息,然后分别建立海洋表面卫星观测与不同尺度的三维温盐场特征信息的重构模型,从而达到三维温盐场重构的目的。
本文分别利用多尺度耦合正交分解法与单层正交分解法进行三维温盐场重构,结果显示,多尺度耦合正交分解优于单层正交分解法,且随着分解的层次不断细化,重构温盐场的精度及其垂直梯度精度均呈现明显的提升,其中组合4精度提升程度最高,分别提升了25.57%和27.58%;同时,对比HYCOM模式数据,多尺度耦合正交分解重构方法能有效地捕捉次表层海洋的空间特征信息。
总体上,本文耦合经验正交分解法反演的温盐场与Argo温盐场偏差较小,反演精度较好,在空间分布上趋于一致。
【总页数】12页(P1-12)
【作者】张明琪;徐永生;杨树国
【作者单位】青岛科技大学;中国科学院海洋研究所;崂山实验室;中国科学院大学【正文语种】中文
【中图分类】P731
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1.海洋次表层FIDW温盐影像插值算法
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5.热带降水对海洋表层温,盐结构的影响
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一种运动平台下宽带信号海底空时混响建模和仿真方法[发明专利]
![一种运动平台下宽带信号海底空时混响建模和仿真方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/7529af115b8102d276a20029bd64783e09127d20.png)
专利名称：一种运动平台下宽带信号海底空时混响建模和仿真方法
专利类型：发明专利
发明人：蒋西海,王伟,王军,王晓林,张凯岳,张肖
申请号：CN202210153982.2
申请日：20220220
公开号：CN114662280A
公开日：
20220624
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种运动平台下宽带信号海底空时混响建模和仿真方法，包括以下步骤，步骤一：设定发射信号、海洋环境、运动平台以及海底粗糙程度相关参数；步骤二：采用网络模型布置海底表面的混响散射单元，设定散射单元的取值范围和以及各散射单元的空间位置坐标；步骤三：依据运动平台的径向运动速度求解各散射单元的波形压缩参数。
本发明解决了以往基于射线模型的海底混响建模只用于混响级的预报，不考虑起伏的海底表面会带来时延差以及运动平台造成宽带信号波形尺度伸缩等问题。
并兼顾了海底散射单元粗糙程度、海洋环境、发射信号类型和运动平台造成波形尺度伸缩等影响因数，能够自然体现出混响的形成机理。
申请人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所
地址：310023 浙江省杭州市西湖区留下街道屏峰715号
国籍：CN
代理机构：杭州兴知捷专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：林振兴
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6.2.6海面及海底混响 - 混响时域波形射线声学预报程序说明文档
混响时域波形射线声学预报 简介本算例是针对混响的仿真计算，本内容对应水声学原理第六章部分内容，本算例依照基于射线声学界面混响的物理模型进行仿真。
1.1 基本原理仅考虑直达声线的混响，根据射线理论对散射面进行划分，如图1所示。
某一时刻脉宽为τ的脉冲所能照亮的海底散射体为一圆环，圆环宽度为/2c τ，半径为1r ，根据水声学课程的内容可将海底散射声强表示为：''4(0,)(0,)(0,)b scat b A I I S b b dA r ϕϕϕ=⎰ (1) 考虑全指向性收发合置情况，散射声强为：'42b scat b Ic I rS r τ=Φ (2)图1 海底声散射射线声学模型在混响时域波形进行预报时，对每一个面积单元的散射信号加入幅度pl μ'和相位的随机量l ϕ，以表示微元的散射特性。
假设幅度服从正态分布，相位服从均匀分布。
则海底混响时域波形可表示为：l j N l pl s i e A r t s t p ϕμθθτ∑='∆-=1112111sin sin )()( 式中)(t s 为发射信号，1τ为混响信号到达时刻，A ∆为面积单元的面积，1i θ为入射声波的掠射角，1s θ为散射声波的掠射角。
1.2 数值仿真仿真计算中各物理量的取值：采样频率200kHz ；脉宽τ＝0.005S ；声源辐射声波频率1000Hz ，介质声速c=1500m/s ；介质深度100m ；声源所在深度h=5m 。
仿真结果如图2：时间/s 声压/p a图2 混响时域波形1.3 结论混响伴随着声呐发射信号而产生，它和发射信号本身的特性有着密切的关系，同时也可以看出混响信号的强度是随时间衰减的。
参考文献[1] 刘伯胜,雷家煜.水声学原理(第二版)[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2010:[2] 张明辉,孙辉,朱广平.海底混响的声压与振速信号建模[J].声学建模,V ol.28,No.2Pt.3Apr.2009:。
不规则海浪的仿真
不规则海浪的仿真
朱洪华;蔡建立
【期刊名称】《电脑知识与技术》
【年(卷),期】2007(003)013
【摘要】讨论了二维不规则长峰波和三维不规则短峰波的模型建立和仿真,在MATLAB基础上得到了较为理想的海浪模拟结果,并利用Visual C++开发了一个界面,用以控制风速变化来查看波形的变化,最后利用OpenGL完成了三维波浪的显示.大量仿真结果证明,本文所提的方法是可行且有效的,对实际海浪具有良好的模拟效果.
【总页数】2页(P202-203)
【作者】朱洪华;蔡建立
【作者单位】厦门大学,信息科学与技术学院,福建,厦门,361005;厦门大学,信息科学与技术学院,福建,厦门,361005
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于浅水海浪数值模型的近岸海浪仿真 [J], 肖剑波;胡大斌;胡锦晖
2.不规则海浪的仿真 [J], 朱洪华;蔡建立
3.不规则海浪的仿真 [J], 朱洪华;蔡建立
4.基于Gerstner函数和JONSWAP海浪谱的海浪仿真 [J], 杨志钢;孙鹏
5.基于Matlab的不规则海浪三维仿真 [J], 李晖;郭晨;李晓方
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天发船收高频雷达海面目标回波建模
Vol. 36 No. 12Dae. 2020第36卷第12期2020年12月信号处理Journal of Signal Processing文章编号：1003-0530(2020)12-2007-09天发船收高频雷达海面目标回波建模丁明凯1;2童鹏1;2位寅生W(1.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150001 ；2.工业和信息化部海洋环境监测与信息处理重点实验室，黑龙江哈尔滨150001)摘要：天发船收高频雷达系统中，由于电离层随机扰动和接收船六维摆动运动影响，目标回波空时谱发生展宽 和形变，严重影响雷达探测性能。
本文对天发船收高频雷达海面目标回波建模问题开展研究，首先分析了动态空间几何关系变化下目标回波的多普勒频移特性，建立了理想条件下的空时目标回波模型；在此基础上，引入电离层不规则体和六维摆动空时相位扰动影响，分别构建电离层随机扰动相位仿真器和六维摆动扰动相位模型，进而 建立了天发船收高频雷达扰动目标空时回波模型，实验数据验证了模型的有效性。
关键词：天发船收高频雷达；目标空时回波模型；目标多普勒频移模型；电离层不规则体相位扰动；六维摆动 相位扰动中图分类号：TN958.93 文献标识码：A DOI ： 10. 16798/j. issn. 1003-0530. 2020.12.006引用格式：丁明凯，童鹏，位寅生.天发船收高频雷达海面目标回波建模[J ].信号处理，2020, 36(12)： 20072015. D0I ： 10.16798/j. issn. 1003-0530.2020. 12.006.Reference format : Ding Mingkal ，Tong Peng ，Wei Yinsheng. Modeling of Taraet Echo for Shipborne High Frequency Hy-brip Sky-sueacc Wave Radar [ J ]. Journal oC Signal Processing ，2020，36 ( 12 ) : 2007-2015. D01: 10. 16798/j. imn.1003-0530. 2020. 12.006.Modeling of Target Echo foe Shipboree High FrequencyHybrid Sky-surface Wave RadarDing Mingkai 1，2 Tong Peng 1，2 Wai Yinsheng 1，2( 1 .SchoooooEoeciaonocsand Inooamaioon Engoneeaong ， Haabon InsioiuieooTechnooogs ， Haabon ， Heooong.oang150001 ， Chona ； 2. Ke sLabo aa io aso oMa aone Env oaonmen ia oMon oio aong and Inooamaioon Paocessong ，MonosiasooIndusiasand Inooamaioon Technooogs ， Haabon ， Heooong.oang150001， Chona )Abutraet : Thespace-iomespeciaum ooiaageiechoesaaebaoadened and deooamed on ashopboanehogh oaequencsaadaa voahsbaod sks-suaoacewavepaopagaioon ， whoch seaoousosa o ecisiheaadaadeiecioon peaooamance ， dueioiheonoouenceooiheoonospheaocaandom peaiuabaioon and ihesoidegaeeoooaeedom moioon ooiheaeceovongshop.Thospapeaonvesiogaiesihepaoboem oomodeoongiaageiechoesooaihosaadaasssiem.Foasios ， iheDoppoeaoaequencsshooichaaacieaosiocsooiheiaagei echoundeadsnamocspaioaogeomeiasaaeanaoseed and ihespace-iomeiaageiechomodeoundeaodeaocondoioonsosesiab-ooshed ； 0n ihosbasos ， oniaoducongihespace-iomephasepeaiuabaioon e o ecisoooonospheaoco a eguoaaoioesand ihesoidegaeeoooaeedom moioon ， iheoonospheaocaandom peaiuabaioon phasesomuoaioaand ihesoi-domensoonaoosco o aiongpeaiuabaioonphasemodeoaaeconsiaucied ， aespecioveos ， and ihen ihespace-iomeiaageiechomodeoooiheshopboanehogh oaequencsaadaavoahsbaod sks-suaoacewavepaopagaioon osesiabooshed.Eipeaomeniaodaiaveaoosihee o eciovene s ooihemodeo.Key wordu : shipborne high frequence edar ； space-time taraet echo model ； Doppler frequence shift model ； ionosphericaandom peaiuabaioon phase ； soi-domensoonaoosco o aiongpeaiuabaioon phase收稿日期：2020-09-30 "修回日期：2020-11-13基金项目：国家自然科学基金(61831010)；黑龙江省自然科学基金(JQ2019F001)2008信号处理第36卷1引言天波发射-地波接收混合传播模式下的高频雷达是一种新体制高频雷达，它以天波雷达和地波雷达技术为基础,其发射的电波信号经电离层反射后照射到目标，沿海面以地波绕射的传播模式到达接收站，兼具天波传播距离远、覆盖范围大和地波传播稳定、可相参积累时间长的双重优点*T。
一种基于实测数据特性的混响建模方法
一种基于实测数据特性的混响建模方法
郭凯红;张忠波
【期刊名称】《水雷战与舰船防护》
【年(卷),期】2010(018)002
【摘要】分析了实测混响的基本特性,采用LMS自适应滤波器统计建模的方法得到混响传递函数,对模拟信号进行基本特性的验证表明:此方法的仿真结果与实测特性相当,在水声信号处理仿真中具有一定的应用价值.
【总页数】5页(P34-38)
【作者】郭凯红;张忠波
【作者单位】海军驻太原地区军事代表室,山西,太原,030051;中国船舶重工集团公司第七一○研究所,湖北,宜昌,443003
【正文语种】中文
【相关文献】
1.一种浅海双基地声呐混响功率谱建模方法
2.基于实测数据的风电场风速-功率特性仿射建模方法
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海浪噪声的仿真与滤波
海浪噪声的仿真与滤波
王元慧;边信黔;施小成
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2007(024)004
【摘要】运用海浪谱分析方法,基于MATLAB/SIMULINK对航行中船舶遭遇到的海浪进行实时仿真,描绘出了不规则海浪的特征.海浪对船舶的控制和性能的研究带来很多不便,应该设法消除或削弱其影响.基于切比雪夫函数逼近方法, 设计了一种无限冲激响应(IIR)数字滤波器来实时地对海浪噪声进行滤波.对三级海况下船舶遭遇的海浪进行仿真实验,结果表明,该滤波器不仅设计简单、经济,而且实时性强,滤波效果显著.
【总页数】4页(P318-321)
【作者】王元慧;边信黔;施小成
【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江,哈尔
滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TP274.2
【相关文献】
1.海浪磁场噪声的仿真与消除 [J], 还迎春;胡海滨;方石
2.低空掠海拖靶海浪滤波器的设计与仿真 [J], 蒋志华;郑成军
3.一种海浪干扰IIR数字滤波器的设计与仿真 [J], 王元慧;边信黔;付明玉
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不规则海域混响建模
张明辉 孙辉 朱广平
（哈尔滨工程大学水声工程学院，哈尔滨 150001）
Model of reverberation in anomalous sea
ZHANG Ming-hui ，SUN Hui ，ZHU Guang-ping
(Underwater acoustic college, Haerbin engineering University, Haerbin 150001)
在近岸海湾港口附近或在多个岛屿之间的海域具有重要的军事战略意义。
声波在这类水平有界海域的混响要受到海岸和岛屿的严重影响；同时，近岸浅海的渐深过渡楔形海底也将影响混响规律。
本文所指的‘不规则海域’，就是此类水平边界和海底边界形状不规则并且边界条件复杂的海域。
1 模型建立
声波在海面反射，海底散射；利用射线声学理论，只计及四类声线对混响的作用，忽略二次以上散射。
海洋环境，喇叭口形海域（簸萁形），粗糙海底（见图1）；海底声散射系数用修正的Lambert 散射定律计算；海水等声速。
图1喇叭口形海域（簸萁形）示意图
2 喇叭口形（簸萁形）海域混响强度计算公式推导
用左(右)侧壁面倾角、左(右)侧壁面开角和海底倾角作为描述簸萁形海底的几何参数；分别计算左侧壁面、右侧壁面和海底这三个粗糙面的混响强度，然后迭加得到总混响强度。
2.1 海底混响强度计算
声源位置为距离海面h ，距离两侧壁面均为a ，声源处水深为H ；发射声强为0I ，发射信号脉冲宽度为τ。
海面反射系数为m 。
海底的倾角为γ；海底的声散射系数为2111sin sin θθσn
⋅⋅（其中，1σ为海底垂直散射系数、1θ为入射声波在海底的掠射角、2θ为散射声波在海底的掠射角、1n 为海底散射系数的方向指数因子）。
两侧壁面开角均为α，倾角均为1γ，海水中声速为c 。
沿用文献[1]
中用4类声线计算倾斜海底混响强度的方法，海底的等效平面波混响强度： 242001221232
220022221232323[(,)/](,)()
(,)(,)()()()s s s s s s s s m I R I b r dA b dA r r r m I m I b dA b dA r r r r r r r θϕψθϕψθϕψθϕψ⋅=++⋅⋅+++++⎰⎰⎰⎰
其中，2111sin sin θθσψn s ⋅⋅=，ϕτd r c dA 12
=。
2.2 簸萁形海域侧面混响强度计算
侧壁面声散射系数为2122sin sin θθσn
⋅⋅（其中，2σ为侧壁面的垂直散射系数、1θ为入射声波在侧壁面的掠射角、2θ为散射声波在侧壁面的掠射角、2n 为侧壁面的散射方向指数因子），其他参数同上。
由几何关系可知（参见图2、图3），对于一面侧壁的混响仍可用倾斜海底的混响强度计算公式。
声源横断面上几何参数示意图 声源深度上俯视面几何参数示意图
图2计算倾斜海底混响的几何参数示意图
只要将原式中海底倾角取壁面倾角；声源处水深H 按下式算出：)tan()cos(1αγa h H +=；再正确确定计算混响强度时的积分区域，计算四类声线的混响强度，以发射为时间起点，四类声线的混响强度同时迭加，即可得到一面侧壁的混响强度。
3仿真结果
换能器的辐射声源强度20/1000m W I =；脉冲宽度ms 5.0=τ；海水中声速s m c /1500=；海面反
射系数8.01=m ；海水深度m H 60=；声源到海面的距离m h 30=；声源横断面上，两壁的距离为30m ，声源居中，（m a 15=）；海底垂直散射系数1.01=σ；11=n ；两壁的垂直散射系数15.01=σ；11=n 。
海底倾角8=γ度。
两侧壁面开角15=α度，两侧壁面倾角251=γ度。
计算的混响强度衰减曲线如下图。
图3 混响强度衰减曲线
参考文献：
[1]. 用有限多途声线计算浅海混响衰减规律的研究.声学技术,2004,24(卷).
[2]. 尤立克，水声原理，第三版，1990
作者简介：张明辉，哈尔滨工程大学水声工程学院水声工程专业，博士，研究方向：海洋混响。