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现代电子技术Modern Electronics TechniqueDec. 2023Vol. 46 No. 242023年12月15日第46卷第24期0 引 言水中目标声学参数数值模拟主要通过模拟声传播路径中的声压、声速、衰减等因素，以及其他环境因素如海底地形、海洋生物等，实现对水中目标声学特性的模拟[1]。
通过模拟和分析水中目标声学参数，可以更好地理解声波与水下目标间的相互作用过程，进而有效识别、定位和跟踪水下目标[2]。
水下目标声学参数数值模DOI ：10.16652/j.issn.1004‐373x.2023.24.023引用格式：林敏.基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟[J].现代电子技术，2023，46（24）：131‐134.基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟林 敏（闽南科技学院 计算机信息学院， 福建 泉州 362000）摘 要： 水中声波传播速度较快且衰减较慢，声波传播路径会受到水体的折射和反射影响，导致水中目标声学的频率响应和衰减特性存在较大差异。
为提升传统水中目标声学参数数值模拟方法的综合性能，提出一种基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟方法。
在频率和临界频带转换的基础上，计算水中目标声学特性响度值；根据频谱响应对总响应度加权积分结果，利用K‐均值聚类方法修正水中目标声学特征参数。
采用拉氏算法建立矩阵方程，将含有阻尼的弹性结构振动方程进行离散化处理，提高数值模拟计算算力。
利用有限元构建前置处理模块、有限元分析计算模块、后置处理模块，完成水中目标声学参数的数值模拟。
仿真实验结果表明，与传统方法相比，所提方法的数值模拟精度较高，模拟效果更好，具有较强的实用性。
关键词： 水中目标声学参数； 参数修正； 数值模拟； 频谱响应； K‐均值聚类； 离散化处理； 相位噪声对比中图分类号： TN911.6‐34 文献标识码： A 文章编号： 1004‐373X （2023）24‐0131‐04Underwater target acoustic parameters numerical simulationbased on parameter correctionLIN Min(School of Computer Information, Minnan Science and Technology University, Quanzhou 362000, China)Abstract ： Due to the fast propagation speed and low attenuation of sound waves in water, the propagation path of sound waves will be affected by refraction and reflection of water, resulting in great differences in frequency response and attenuation characteristics of underwater targets. In order to improve the comprehensive performance of traditional numerical simulation methods of acoustic parameters of underwater targets, an underwater target acoustic parameter numerical simulation methodbased on parameter correction is proposed. On the basis of frequency and critical frequency band conversion, the loudness value of acoustic characteristics of underwater targets is calculated. According to the weighted integral result of spectral response to total responsivity, the acoustic characteristic parameters of underwater targets are corrected by means of K ‐means clusteringmethod. The matrix equation is established by means of the Laplacian algorithm, and the vibration equation of elastic structure with damping is discretized to improve the computational power of numerical simulation. The finite element is used to construct the pre‐processing module, finite element analysis and calculation module and post‐processing module to complete the numerical simulation of acoustic parameters of underwater targets. The simulation experimental results show that in comparison with thetraditional method, the proposed method has high numerical simulation accuracy, better simulation effect, and strong practicality.Keywords ： acoustic parameters of underwater targets; parameter correction; numerical simulation; spectral response; K ‐means clustering; discretization processing; phase noise comparison收稿日期：2023‐07‐12 修回日期：2023‐08‐18基金项目：福建省教育厅中青年教师科研课题：基于大数据的协调过滤推荐算法在智慧图书馆中的应用（JAT160675）；福建省教育厅中青年教师科研课题：基于交互式的校史馆智能多媒体对话平台的应用研究（JAT191046）131现代电子技术2023年第46卷拟在海洋勘探[3]、水下通信[4]、海洋生态环境监测[5]等领域具有广泛应用。
一种改进的WSF算法在单矢量水听器多目标方位估计中的应
用
一种改进的WSF算法在单矢量水听器多目标方位估计中的应用
文章针对单个矢量水听器的多目标方位估计,提出了一种基于加权子空间拟合(WSF)的算法,该算法首先对单个矢量水听器接收数据作一任意的时间延迟,而后仿照ESPRIT算法的思路求解阵列响应矩阵,从中抽取各目标的波达方位.该算法在保留WSF算法分辨力高、估计方差小的优点的同时,通过结合ESPRIT算法的思想,克服了WSF算法计算量大,需迭代求解的缺点.由于该算法和声源频率无关,因而可直接应用于宽带声源的测向,并避免了传统ESPRIT算法中因估计延时相位而导致的频率-方位模糊问题.文中通过数值仿真和推导Cramer-Rao下界,给出了该算法的性能评价,数值仿真和湖试实验结果也充分验证了该算法的有效性.
作者：杨秀庭孙贵青陈新华李启虎 YANG Xiu-ting SUN Gui-qing CHENG Xin-hua LI Qi-hu 作者单位：中国科学院声学研究所,北京,100080 刊名：声学技术ISTIC PKU英文刊名：TECHNICAL ACOUSTICS 年，卷(期)：2007 26(2) 分类号：P731.2 关键词：矢量水听器波达方位估计加权子空间拟合。
基于FRFT的单矢量水听器目标方位估计黄玉林;梁国龙;刘凯;范展【摘要】在单矢量水听器瓦谱方位估计基础上,提出了应用分数阶Fourier变换(FRFT)计算声强流谱并进行方位估汁的方法.利用FRFT对线性调频信号(chirp)良好的能量聚集性,对chirp信号采用分数阶谱方位估计具有明显的优势.仿真结果表明,在各向同性干扰背景中,分数阶谱方位估计在较低信噪比下能有效估计目标方位,其估计精度高于频域瓦谱估计.【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2011(038)002【总页数】4页(P9-12)【关键词】分数阶Fourier变换;单矢量水听器;方位估计;线性调频信号【作者】黄玉林;梁国龙;刘凯;范展【作者单位】哈尔滨工程大学,水声技术重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,水声技术重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,水声技术重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,水声技术重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TN-911.23线性调频信号（chirp）是主动声呐常用的一种非平稳信号，能通过非线性相位调制获得大时间带宽积的脉宽压缩信号.对chirp信号的单矢量水听器目标方位估计对主动声呐测向具有重要意义.单矢量水听器能够同时、共点拾取声场的声压和振速信息，其方位估计常用声压与振速的互谱处理.文献［1］指出在高信噪比下平均声强器方位估计能够达到CRLB 界，是最大似然估计，而低信噪比情况下是有偏估计;文献［2］给出4种基于声强流谱［1］的单矢量水听器方位估计方法.chirp信号具有一定的带宽，其声强流谱能量分布在该带宽上，传统的方法在整个带宽内进行统计处理得到方位估计，当信噪比较低时方位估计性能较差.分数阶Fourier变换是信号在一组正交的chirp基［3］上的展开，所以一个chirp信号的某一阶次的FRFT是一个冲击函数.FRFT对chirp信号具有理想的能量聚集性，用FRFT处理chirp信号十分有利.国内外学者对FRFT的原理和应用进行了大量的研究［3－5］，由 H M.Ozaktas［4］等提出的基于 FFT的快速离散FRFT算法，为工程应用提供了方便.文中基于FRFT对chirp信号的能量聚集性特点，将FRFT应用于矢量水听器的方位估计.1 基于FRFT的声源方位估计原理单个二维矢量水听器可以共点、同步的测量声场一点处的声压p（t）和质点振速v（t）的2个正交分量 vx（t），vy（t），则有式中θ为目标的水平方位角.1.1 基于FFT的单矢量水听器目标方位估计传统的单矢量水听器目标方位估计一般采用声压与振速的互谱处理器［6］在频域进行处理.对p（t）及vi（t）（i=x，y）做傅里叶变换，得到相应的谱P（w）及Vi（w），则声强流谱为式中符号*表示共轭运算.目标各频点的方位估计公式为就信号形式而言，目标信号既可以是宽带信号也可以是线谱，根据不同信号形式可以采取不同方位估计方法.对于线谱信号的方位估计，只需计算声强流谱中线谱频点的方位，不需要计算通带内所有频点的方位.宽带信号可以对声强流谱在带宽内平均后再计算方位，也可以利用直方图统计所有频点的方位估计.1.2 基于FRFT的单矢量水听器目标方位估计分数阶Fourier变换可以认为是一种广义的Fourier变换.信号 x（t）的 FRFT 定义［7］为式中:p为 FRFT的阶数，为任意实数;Kp（t，u）为FRFT的变换核.式中:为幅度因子.对声压p（t）及振速v（t）作分数阶傅里叶变换，得到相应的分数阶功率谱P（u）及V（u），根据FRFT的能量守恒［3］性质有信号在频域和分数阶域（u域）上能量守恒，可以将声压、振速互谱处理器推广到u域上.定义u域的声强流谱为设p阶FRFT的声强流谱在u域带宽为Bp，B为声强流谱频域带宽，则总能量为对于一定的接收信号，带宽B是确定的，但是选择不同阶数的声强流谱在u域中的带宽Bp不一样.若信号能量一定，带宽越小，带宽内信号平均功率谱密度就越大，白噪声的功率谱密度不变，采用FRFT的声强流谱在带宽内信噪比提高了B/Bp倍.根据具体的信号形式，选择恰当阶数的FRFT，可以提高u域带宽内的信噪比，从而有利于提高方位估计精度.对于u域内的宽带信号，采用u域的平均声强器，方位估计为2 chirp信号的分数阶谱方位估计对于给定的chirp信号（调频斜率一定），存在一最佳阶数的FRFT使其在u域的声强流谱表现为冲击函数.对chirp信号，只需计算分数阶声强流谱中峰值处的方位，方位估计为式中u0表示峰值位置.基于FRFT的chirp信号方位估计实现框图如图1所示，矢量传感器输出模型是指声压、振速之间满足声学欧姆定理且声阻抗为实数.经过量纲归一化［4］后，对声压、振速作 p阶离散 FRFT（DFRFT），共轭相乘，得到u域中的声强流谱，按式（10）进行方位估计.图1 分数阶谱方位估计接收信号为一个单分量chirp信号设为式中:f0为初始频率;m为调频斜率;将式（11）代入式（5）有当选择适当的旋转角α满足调频斜率m=－cotα时，式（12）中积分部分为冲击函数.可以得到chirp信号分数阶Fourier变换产生峰值的参数要求为当选择的旋转角α满足式（13）的要求时，chirp信号在u域上表现有明显的峰值（如图3所示）.图2、3分别给出DFRFT在（p，u）平面上的能量分布和最佳阶数的DFRFT.仿真中chirp信号参数为:中心频率f0=7 000 Hz，调频带宽和信号长度分别为B=1 750 Hz，T=0.584 5 s，采样频率 fs=4f0.图2 （p，u）平面上能量分布图3 “最佳阶数”DFRFT图2表示chirp信号在p变化范围为［0，2］，扫描步长为0.01的（p，u）平面上能量分布，该信号在p=1.04时取最大峰值，要想提高精度可以在p=1.04左右采用更小的步长搜索峰值.图3表示通过扫描阶数p搜索得到的“最佳”阶数p=1.04时进行DFRFT的效果图.从图中可以看出chirp信号在分数阶域上有明显的能量聚集性，而白噪声在分数阶域上是离散的，不会出现能量集中的聚焦点. chirp信号分数阶谱方位估计步骤如下.1）选择最佳阶数.对于一个已知chirp信号中，可以根据式（13）求出p0、u0.对于参量未知的chirp信号，对不同的阶数p进行扫描，求信号的分数阶域的能谱密度，根据信号能量在（p，u）平面上二维分布，按峰值大小进行二维搜索即可估计出最佳阶数p0.2）对声压和振速分别作p0阶的DFRFT，并且通过共轭相乘求出u域的声强流谱. 3）在峰值点u0左右选择一个极窄带，利用该点附近窄带内的声强流谱计算平均方位.3 仿真研究根据图1所示方法进行单矢量水听器的方位估计的计算机仿真.Chirp信号仿真参数设置:中心频率f0=5 000 Hz，调频带宽和信号长度分别为B=2 000 Hz，T=0.5 s，采样频率 fs=4f0，目标方位为30°，噪声为0均值的高斯白噪声.图4～6均为500次独立仿真的统计结果.图4 频域互谱和分数阶谱方位估计均值图5 频域互谱和分数阶谱方位估计标准差图4给出频域互谱和分数阶谱的单矢量水听器方位估计均值.从图中可以看出，在高信噪比下，两者都具有很好的方位估计性能，在所给仿真条件下，信噪比较高时为无偏估计;但是在信噪比小于－20 dB，频域互谱估计的方位严重偏离真实方位，而分数阶谱估计的方位均值仍能较准的接近真实方位.图5给出频域互谱和分数阶线谱的单矢量水听器方位估计的标准差.从图中可以看出在信噪比大于－10 dB时，两者方位估计精度相差不大，两曲线基本重合;在信噪比小于－10 dB时，频域互谱的方位估计精度急剧变差;而分数阶线谱的方位估计在信噪比大于－15 dB时，估计精度仍较高，且随着信噪比的降低，估计精度变差得较慢.图6 不同带宽的调频信号方位估计标准差图6给出对chirp信号进行两种方位估计的标准差随信号带宽的变化曲线.信噪比为－5 dB时，其他条件不变，方位估计的标准差随信号带宽的增加而减小.4 结束语将分数阶Fourier变换应用到单个矢量水听器的方位估计中，提出了单矢量水听器的分数阶谱方位估计.chirp信号的单矢量水听器方位估计常采用频域互谱处理，通过傅里叶变换计算声压与振速的互谱，在整个带宽上进行统计处理得到目标方位，其缺点主要是在信噪比较低时估计误差比较大.文中采用分数阶谱对chirp信号进行方位估计，通过选择合适阶数的分数阶声强流谱可以将能量聚集在峰值处，大大地提高了峰值处的信噪比，有利于方位估计性能的提高.通过计算机仿真可以看出，分数阶谱对chirp信号的方位估计在较低信噪比下，仍可以达到较好的估计性能，比频域互谱的方位估计性能要好.在信噪比不变情况下，其估计性能随着带宽的增加而减小.对于参数未知的chirp信号，实现时需要二维搜索，运算量较大.参考文献:［1］王德俊.矢量声场与矢量信号处理理论研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学水声工程学院，2004:76-88.［2］姚直象，惠俊英，殷敬伟，等.基于单矢量水听器四种方位估计方法［J］.海洋工程，2006，24（1）:122-127.［3］陶然，邓兵，王越.分数阶傅里叶变换及其应用［M］.北京:清华大学出版社，2009:12-46.［4］OZAKTAS H M，ANKAN O.Digital computation of the frational Fourier transform［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，1996，44（9）:2141-2150.［5］殷敬伟，惠俊英，蔡平，等.基于分数阶Fourier变换的水声信道参数估计［J］.系统工程与电子技术，2007，29（10）:1624-1627.［6］惠俊英，惠娟.矢量声信号处理基础［M］.北京:国防工业出版社，2009:9-18.［7］陈文剑，孙辉，朱建军，等.基于分数阶傅里叶变换混响抑制的目标回波检测方法［J］.系统工程与电子技术，2009，34（5）:408-415.。
基于矢量水听器线谱法目标方位估计
尹燕;毛卫宁
【期刊名称】《电声技术》
【年(卷),期】2007(31)6
【摘要】利用矢量水听器收集到的声压和振速信息,研究基于互谱法分析单目标的强线谱来进行目标方位估计.提出了单线谱法和多线谱法两种目标方位估计方法.其中,在分析多线谱法方位估计时,采用了直接平均和加权平均两种处理方法对多线谱进行处理,旨在提高目标方位估计精度.在原理阐述的基础上,通过仿真和湖试实验进一步分析比较了两种方位估计方法.
【总页数】3页(P4-6)
【作者】尹燕;毛卫宁
【作者单位】东南大学,信息科学与工程学院,江苏,南京,210096;东南大学,信息科学与工程学院,江苏,南京,210096
【正文语种】中文
【中图分类】TB565
【相关文献】
1.基于FRFT的单矢量水听器目标方位估计 [J], 黄玉林;梁国龙;刘凯;范展
2.基于压差式矢量水听器的目标方位估计 [J], 于铭
3.用单个矢量水听器基于DEMON线谱的双目标分辨 [J], 姚直象;惠俊英;王德俊;蔡平
4.一种基于单矢量水听器的运动目标低频线谱测向方法 [J], 姬托;李然威;刘福臣
5.基于遗传算法的单矢量水听器多目标方位估计 [J], 孟春霞;李秀坤;杨士莪;胡园因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
单矢量水听器估计目标方位的方法与实验笪良龙;侯文姝;孙芹东;王文龙【摘要】为评估基于单矢量水听器的方位估计能力,在黄海海域对矢量水听器进行实验.矢量水听器吊放于接收船尾部,采用平均声强器和复声强器方位估计方法,并提出以概率密度值最大的方位角作为目标方位估计值的具体处理准则,对恒定方向、匀速行驶的目标船方位进行估计,并求出两种方法的方位估计误差.结果表明,水听器布放深度10 m时,对正横距离为0.42 km的航速10 kn的目标船,平均声强器方法的水平方位角估计误差18°,极角估计误差为5°,可以在离目标船最远1.17 km处估计其方位;复声强法的水平方位角估计误差为13°,极角估计误差为8°,可以在离目标船最远2.35 km处估计其方位.在有接收船的噪声干扰情况下,复声强器比平均声强器方法估计的方位更准确,可以对更远处的噪声源进行方位估计.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2015(034)006【总页数】10页(P516-525)【关键词】方位估计;矢量水听器;平均声强器;复声强器【作者】笪良龙;侯文姝;孙芹东;王文龙【作者单位】海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071;海军潜艇学院青岛 266071【正文语种】中文【中图分类】TB566单矢量水听器同步共点测量声压和质点振速矢量［1］，可有选择地抑制离散干扰噪声源发出的噪声，有效定位噪声目标［2］。
相对传统水听器阵，单矢量水听器有4个共点阵元，可获得更高增益，有效抗“左右舷模糊”。
且单矢量水听器体积小、功耗低，可应用于海上分布式智能系统的轻型节点或移动节点，如浮标、潜标和AUV［1］。
而这些节点均对要求解算目标角度的算法计算量小，易于在硬件上实现。
单矢量水听器方位估计算法主要有平均声强器方位估计和复声强器方位估计方法［3-4］，又称为时域和频域［1］两种方式。
基于改进粒子群算法的矢量水听器多目标方位估计
黄兴雨;莫世奇;陈峰
【期刊名称】《海军航空大学学报》
【年(卷),期】2024(39)3
【摘要】为了研究单矢量水听器多目标方位估计能力,分别利用互谱声强法、MUSIC算法及信号统计量方法对多个目标方位进行估计。
互谱声强法可以估计出多个不同频的单频目标方位,但对于频谱混叠的目标无法分辨;MUSIC算法可以分辨单频和宽带目标,但利用单矢量水听器最多可估计2个目标方位。
为此,针对文章提出的信号统计量方法,构建了声压和振速的统计量模型,将其与粒子群优化算法及改进算法相结合,实现了基于改进粒子群算法的多目标方位估计。
对多个单频和宽带信号目标进行仿真分析,结果表明,进粒子群算法具有良好的估计效果;对3种方法的估计结果进行比较,验证了改进粒子群算法有较好的适用性。
通过对2022年千岛湖试验数据的处理再一次验证了算法的有效性。
【总页数】10页(P305-314)
【作者】黄兴雨;莫世奇;陈峰
【作者单位】哈尔滨工程大学水声技术全国重点实验室;海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学);哈尔滨工程大学水声工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB566
【相关文献】
1.一种改进的基于矢量水听器阵列的相干信号方位估计
2.单矢量水听器多目标方位的盲估计研究
3.粒子群算法在单矢量水听器方位估计中的应用
4.一种改进的WSF 算法在单矢量水听器多目标方位估计中的应用
5.基于遗传算法的单矢量水听器多目标方位估计
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