基于阵不变量的单矢量水听器定位研究

摘要

矢量水听器于20世纪末出现，是一种新型的水声传感器。由于它在低频和甚低频段依然可以获得良好的空间增益，应用在低频和甚低频领域中可以有效的解决声纳设备体积庞大的问题。另外，它可以空间共点、同步地测量声场空间一点处的声压和质点振速的三正交分量,可以为水声信号的处理提供更为全面的声场信息，也为解决水声问题提供了新的思路和方法。目前，由于越来越弱的目标辐射噪声和对远距离目标探测的需求,在许多水声研究领域越来越迫切需要矢量水听器，这极大的促进了矢量水听器技术和矢量信号处理技术的飞速发展。被动定位技术由于其良好的隐蔽性，在军事领域中有着很好的应用前景，多年来一直备受世界各国水声学者的关注和重视。目前已经发展起来较为成熟的被动定位技术有：传统的三元阵被动定位技术、匹配场处理被动定位技术、目标运动分析被动定位技术和波导不变量被动定位技术。然而以上被动定位方法多存在对浅海波导声传播规律认识不足的问题，导致或对海洋环境参数依赖过多，或只适应于特定的声场情况等，浅海波导中目标被动定位技术还需要不断的完善。近年来，随着人们对浅海波导声传播规律认识的加深，利用波导效应频散特征的基于阵不变量的被动定位方法得到了成功应用，且该方法对海洋环境参数没有更多的要求和依赖性。矢量水听器作为一小型体积阵，能够提取简正波俯仰角并刻画描述浅海波导多模传播和单模频散，也就具有基于阵不变量进行目标被动定位的可行性。
　　本研究首先从声传播的简正波理论出发，对亥姆霍兹方程求其积分解，得到了浅海波导中声场的简正波表达式。推导了理想波导海面绝对软和海底绝对硬边界条件下简正波相速度和简正波群速度的具体表达式。然后，以简正波理论为基础，利用简正波相速度和简正波群速度，推导给出了阵不变量的表达式。最后，结合矢量声场声压分量及振速分量频散特征，研究了基于阵不变量的单矢量水听器被动定位的基本原理，并详细介绍了基于阵不变量的单矢量水听器定位的具体实施步骤。其次，根据基于阵不变量的单矢量水听器被动定位的基本原理，开展了浅海波导条件下单矢量水听器定位仿真研究。通过仿真研究验证了基于阵不变量的单矢量水听器定位方法。通过改变海洋环境参数：声速剖面、海底参数、海深等，研究其对定位方法的影响，表明此定位方法对海洋环境参数的依赖性相对较弱。最后，分析研究了声压和振速幅度误差对定位方法的影响。最后，通过2012年10月在南海海试数据验证了基于阵不变量的单矢量水听器定位的可行性。

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第1章 绪论

1.1 论文背景与意义

1.2 常用被动定位技术

1.2.1 三元阵被动定位技术

1.2.2 匹配场被动定位技术

1.2.3 目标运动分析被动定位技术

1.2.4 时反镜被动定位技术

1.3 阵不变量定位技术

1.4 论文主要工作内容

第2章 基于阵不变量的单矢量水听器定位原理

2.1 简正波声场理论

2.1.1 简正波声场表达式

2.1.2 简正波的相速度

2.1.3 简正波的群速度

2.2 阵不变量表达式

2.3 单矢量水听器定位原理

2.3.1 简正波俯仰角获取

2.3.2 俯仰角相对到达时间获取

2.4 本章小结

第3章 基于阵不变量的单矢量水听器定位仿真研究

3.1定位仿真环境

3.1.1 目标信号

3.1.2 KrakenC环境

3.2 基于阵不变量的单矢量水听器定位仿真结果

3.2.1 单矢量水听器的声压和水平振速信号进行定位

3.2.2 单矢量水听器的声压和垂直振速信号进行定位

3.3 环境参数对基于阵不变量的单矢量水听器定位影响

3.3.1 不同声速剖面对目标定位影响

3.3.2 水层深度不同对目标定位影响

3.3.3 沉积层声速不同对目标定位影响

3.3.4 沉积层密度不同对目标定位影响

3.4 声压与振速幅度误差对定位影响

3.5 本章小结

第4章 基于阵不变量的单矢量水听器定位试验研究

4.1 海试试验概况

4.2 基于阵不变量的单矢量水听器定位试验处理

4.3 本章小结

结论

参考文献

致谢