水下目标回声现场测试关键技术研究

摘要

随着水声技术的发展，声呐目标的噪声级越来越低，有些接近甚至低于三级海况时的海洋环境噪声级，难以使用被动声呐探测；探测这样的安静型目标，主动声呐是一种十分有效的途径。水下目标回声测试技术的发展对检验声呐目标声隐身性能、提高目标的声隐身设计能力均有重要意义。敏感目标的隐身性能、声呐设备的探测性能都需要从目标回声的强弱得到体现和验证。目标回声的测试结果易受到目标散射特性和浅海环境的影响，导致测试结果不稳定、起伏大。如何进行目标回声测试进而获得目标强度值的稳健方法具有重要研究意义。目标的回声模型建模及其模型参数的实测数据求解对研究目标特性具有重要价值。论文从目标建模及模型参数求解和目标强度测量两个方面探讨和研究声呐目标回声测试问题。主要研究内容和研究成果如下：
　　针对目标强度测试中的信号选取问题，分别从入射声与目标的相互作用、浅海信道对声传播的影响两个方面进行研究。目标强度是在声场稳态条件下定义的，为应对使用短脉冲或宽带测试信号的情况，给出了瞬态目标强度和宽带目标强度概念。通过仿真分析了窄带和宽带入射声信号条件下的目标回声特性，宽带信号能够覆盖一定的频率带宽，得到带宽内目标频响的加权均值，回声信号的起伏较小。分别使用窄带和宽带信号进行了浅海声传播的数值仿真，宽带信号更为稳健。
　　针对声呐目标回声的建模以及模型参数的求解问题，分别从冲激响应和耦合振动模型两个方面展开研究。使用了维纳滤波器、自适应和凸优化算法对冲激响应模型的参数进行求解，并对以上求解方法进行了数值仿真计算。自适应算法适用于强随机性信号激励下的目标响应求解。分析了目标回声产生的耦合振动现象，并通过公式推导给出了目标回声的耦合振动表达式，提出了使用ARX(Auto-Regressive with eXtra inputs)对耦合振动进行求解的方法，该方法与目标的冲激响应模型相比，具有阶次短、可将回声中的噪声分量分离的优点。
　　海洋环境噪声是导致目标回声起伏大的一个因素。为提高目标强度测量的抗噪声干扰能力，提出了基于主动时间反转镜技术的目标强度测量方法。利用时间反转镜的聚焦效应，提高目标回声的信噪比，具有很好的抗噪声干扰性能。进一步通过数值仿真验证了算法的有效性。
　　研制了一套多点同步应答系统和时反目标强度测试软件，并通过水池实验对实心球体、球壳、圆柱壳和不同尺寸平板的目标强度进行了测试。验证了多种降低目标强度起伏的方法。对基于主动时间反转境的目标强度测试方法做了进一步的测试，算法的有效性和抗噪声干扰性能得到了验证。为进一步提高目标强度测量结果的稳定性，使用多个应答器取平均作为参考，参考信号的起伏得到了降低。使用宽带信号代替传统的窄带测试信号，并将测试结果与理论值进行了对比。同时，分析了宽带信号与窄带信号的声传播特性，宽带信号的声传播起伏更小。
　　最后，使用时间反转镜技术和多个应答器对双层加肋圆柱壳体进行了目标强度测试的海试实验研究，方法的有效性得到了体现，目标强度测量不确定度得到了降低。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 本文的研究意义和应用前景

1.2 目标回声测试研究的进展及现状

1.3 需要解决的几个关键问题

1.4 本文完成的主要工作

第2章 影响目标回声测试的关键因素研究

2.1 引言

2.2 目标强度的定义研究

2.3 目标强度的求解及其频响特性研究

2.4 信号带宽对目标回声测试影响的研究

2.5 本章小结

第3章 目标回声建模及其参数的实测求解研究

3.1 引言

3.2 目标回声模型建模研究

3.3 目标回声模型参数求解的数值计算与分析研究

3.4 本章小结

第4章 基于主动时间反转镜的目标强度测量研究

4.1 主动时间反转镜用于目标强度测量的理论研究

4.2 时间反转镜的声场仿真研究

4.3 时反法目标强度测量的抗噪声性能研究

4.4 时反法目标强度测量的水池实验研究

4.5 本章小结

第5章 目标回声测试的水池及海试实验研究

5.1 多点同步应答系统及测试系统的研制

5.2 目标回声测试的水池实验研究

5.3 复杂目标双层加肋圆柱壳体的海试实验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位论文期间发表的论文和取得的科研成果

致谢