近场聚焦波束形成声图测量技术研究

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声图测量技术作为一种主要被动定位技术，是近代水声科学技术发展的核心内容之一。该技术使用被动声成像的方法，显示出辐射噪声源的空间分布图，以获得目标噪声源的相对位置。这对于指导舰艇等大型水下设备减振降噪，以及水下目标探测都有极其重要的作用。由于实际的海洋环境具有多样化，结构复杂等特点，而常见的波束形成方法都是基于远场平面波假设的，实际应用中存在许多情况是不能够满足远场条件的，因此需要采用适合近场的声图测量技术。本文研究了基于球面波的近场聚焦波束形成声图测量技术，介绍了四种接收阵型并进行了仿真，对各阵型的声图分辨力进行了对比分析。四种阵型包括:水平阵、垂直阵、十字阵以及面阵。相同阵元数时，面阵的声图分辨力最强，聚焦效果最好。由于海洋信道十分复杂，存在的大量界面反射会影响声图测量的效果。为此需要对多途条件下的声图测量技术进行研究，本文在水平线阵的基础上讨论了两种抗多途的方法:虚拟时间反转镜法以及虚拟阵元法。均达到了抑制多途假峰干扰的效果。此外，本文将垂直阵抗多途的特性，与面阵聚焦精度高的特点相结合，得到的垂直面阵兼具这两种优势。此外用面阵进行了三维空间上的声图测量，实现了对近场空间区域的扫描，以获得三维空间上直观的目标位置信息。最后分析了影响声图测量的各个因素，如阵尺寸、信号频率、目标距离等等。目前，国内外各领域对于水声被动定位技术的精度要求越来越高，因此声图测量法作为主要的被动定位技术，其声图分辨能力需要不断提高，声图测量技术趋向于实现高精度的要求。在低频情况下，常规的聚焦波束形成技术有时不能达到预期精度的高要求。本文在第三章进行了高精度声图测量技术的研究，包括最小方差无畸变响应(MVDR)聚焦波束形成算法，拷贝相关最小方差无畸变响应(CMVDR)聚焦波束形成算法，以及宽带导向协方差最小方差波束形成算法(STMV)。在对窄带信号的处理上，对比了常规聚焦波束形成和MVDR聚焦波束形成两种方法的效果。在对宽带信号的处理上，进行了常规聚焦波束形成与以上三种高精度声图测量方法的仿真及对比分析，证明了三种高精度聚焦波束形成方法的声图测量精度较常规聚焦波束形成方法有较大的提高。在本文第四章中，为了符合实际中近场条件下声图测量的常用阵尺寸，采用了稀疏阵布阵，对于低频窄带信号以及低频宽带信号进行了三种阵型的声图测量，包括线阵、十字阵、面阵，进一步验证了第二章中阵型对声图测量效果的影响。并且在相同信号条件下，分别进行了常规聚焦波束形成以及三种高精度聚焦波束形成方法的声图测量，验证了高精度声图测量技术在精度上的提升。最后，讨论了各个阵型的优缺点以及各自适合的应用环境。在实际中，需要结合具体海洋环境和对声图精度的要求，来选取适当的阵型和声图测量方法来实现近场目标的声图测量。

著录项

作者
吕佳芯;
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作者单位

哈尔滨工程大学;

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授予单位哈尔滨工程大学;
学科电子与通信工程
授予学位硕士
导师姓名赵安邦;
年度 2019
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类船舶工程;声学工程;
关键词
近场聚焦波束形成;

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