基于潜标的甚低频矢量水听器被动定位技术研究

摘要

矢量水听器可以时间上同步、空间上共点地获取声场某点处的标量声压和质点矢量振速的三正交分量；与传统的声压水听器相比，可以提供更为完备的声场信息，为诸多水声问题提供了新的解决思路和方法。伴随着矢量水听器及矢量信号处理技术的发展，基于矢量水听器及其信号处理的应用研究已成为水声研究领域的一项重要内容。潜标作为一种常用的水下工作平台，搭载矢量水听器后可以长期地监测海洋环境噪声场，为海洋科学研究提供数据支持。论文以基于潜标的甚低频矢量水听器应用为背景，在回顾了浅海海底参数反演技术、匹配场被动定位技术、纯方位被动定位技术和矢量水听器研究现状的基础上，以目标被动定位技术为主线，研究了基于甚低频声场干涉结构的海底参数反演技术、单矢量水听器匹配场被动定位技术以及多潜标纯方位被动定位技术等内容：
　　首先，以匹配场被动定位技术对海底声学参数的需求为出发点，研究了基于甚低频声场干涉结构的海底参数反演技术。在介绍海底参数反演基本原理的基础上，构造了基于简正波截止频率以及典型频率声波空间干涉距离的目标代价函数，并对其进行了海底参数灵敏度分析。以短时FFT法和“ rf?k”域时频分析方法分析了海试爆炸脉冲信号和水面船的辐射噪声数据，获取了简正波截止频率以及典型频率的空间干涉距离，在此基础上进行了基于单矢量水听器的某海域海底参数反演工作。最后，设计了变深度声源试验对反演结果进行了验证。
　　在海底参数反演的基础上研究了基于单矢量水听器的匹配场被动定位技术。一方面，针对窄带信号，利用有功声强和无功声强构造了目标模糊函数，通过数值匹配的方式得到了定位模糊平面。仿真分析了参数失配（矢量水听器布放深度、沉积层密度以及沉积层声速等）对单矢量水听器窄带信号匹配场定位的影响。通过数值仿真及海试数据验证了此方法的可行性和有效性。另一方面，针对宽带信号，考虑到 Bartlett匹配场处理方法易受旁瓣影响的问题，提出了一种改进的Bartlett处理器，借助矢量水听器垂直通道信息，该方法可以有效的提高定位模糊面主瓣的尖锐程度，并抑制旁瓣的干扰。数值仿真分析了参数失配对单矢量水听器宽带信号匹配场定位精度的影响。最后以海试确定性声源数据和水面船辐射噪声数据对单矢量水听器宽带信号匹配场被动定位方法进行了验证。
　　最后，研究了多潜标纯方位被动定位技术。从纯方位被动定位系统原理出发，对基于矢量水听器的双潜标系统定位精度进行了理论分析，推导了此条件下定位误差的几何稀释度（GDOP）的具体数学表达式，给出了系统可观测的条件。并通过数值仿真分析了测向误差、布放站址误差、基线长度以及目标位置等因素对定位精度的影响。以提高系统定位精度为目的，仿真分析了三角形布站、菱形布站及“Y”形布站等四站系统的定位精度和适用条件。利用海试数据，对基于矢量水听器的双潜标纯方位被动定位系统进行了验证。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 浅海海底参数反演技术研究现状

1.3 匹配场定位技术研究现状

1.4 纯方位被动定位技术研究现状

1.5 矢量水听器应用研究现状

1.6 论文研究内容

第2章 基于甚低频声场干涉结构的海底参数反演研究

2.1 引言

2.2 海底参数声学反演

2.3 海试试验数据分析与验证

2.4 本章小结

第3章 单矢量水听器匹配场被动定位研究

3.1 引言

3.2 窄带信号单矢量水听器匹配场定位研究

3.3 宽带信号单矢量水听器匹配场定位研究

3.4 本章小结

第4章 多潜标纯方位被动定位研究

4.1 引言

4.2 纯方位被动定位原理与误差分析

4.3 多潜标站最优布站研究

4.4 海试数据处理

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢