水下目标的时间反转法声探测技术应用研究

摘要

本论文的研究工作以时间反转法为基础，针对复杂浅海环境中沉底、掩埋目标在强海底混响背景下的探测问题进行理论分析、仿真和实验验证，研究和讨论目标探测中亟待解决的关键技术问题。本论文包括了作者对时反法水下目标探测的理论和仿真研究工作，及在某基础声探测项目中的部分实验成果和工作内容。
　　 强混响干扰背景下的目标探测，尤其是掩埋目标探测一直是探雷声纳工作中检测和识别的重要工作内容之一。一般方法是通过对混响信号进行建模和预测处理，直接对混晌干扰下的回波信号进行处理，滤除混响的干扰以达到增强信混比的效果。但由于混响的形成机理比较复杂，表象上具有随机性而统计上又存在一定的规律性，因此长期以来，虽然抗混响研究取得了一定的技术进步，但仍然有较大的不足需要进一步的研究和发展。
　　 时间反转法作为一种具有独特优点的自适应聚焦方法，可以在没有信道条件先验知识的情况下，实现自适应聚焦，同时对混响和噪声信号具有一定的抑制作用。这对于传统的主动声纳探测技术来说，具有一定的工程应用前景。尤其对于浅海水下目标探测，特定海域的强混响和强吸收的复杂环境使得时间反转法可以提高聚焦增益的作用更具吸引力。
　　 论文首先简单的介绍了时间反转法的起源、发展历程和研究现状，从总体上对时间反转法理论进行了回顾和总结；介绍了时间反转法在水下目标探测中的应用，以及国内外对这一方法的研究现状和取得的成果。通过对时间反转法水下目标探测的理论方法进行了分析和总结；论文基于射线声学的理论模型，对水下波导中的时反目标探测进行了理论分析和仿真验证，证明了时反法的可行性和稳健性，并进一步讨论和仿真验证了迭代时间反转法的原理和特性。
　　 其次通过对混响建模的仿真和计算，就时间反转法在沉底和掩埋条件下水下目标探测中抑制混响、增强回波的性能和效果进行了比较详细的分析，为工程应用奠定了理论和方法的基础；针对沉底和掩埋目标探测的特点讨论了噪声和混响对时反法的影响及时反法多目标探测的鲁棒性。
　　 然后论文针对掩埋目标声探测的强混响和弱回波信号的情况，利用匹配滤波和混沌信号处理的方法对回波信号进行处理，以检测和定位目标回波信号，从而能够以较短的时间窗截取和获得时反信号。对信号进行处理以降低混响强度和进行回波信号的提取，有利于提高低信混比条件下的时反处理的效果。因此，论文讨论了混响的混沌属性，利用混沌模型对混晌序列进行建模，并在此基础上对混响背景下信号的混沌处理方法做了一定的分析研究，实现了对较低信混比条件下回波的检测和提取。
　　 最后论文通过信道水池实验，对信道水池条件下的单通道悬浮和掩埋小目标的时反探测进行了研究和分析，给出了单时反阵元时反法水下目标探测的分析结果，获得了一些实际工程应用时间反转镜系统目标探测的经验，其结果和结论对后续理论和应用研究具有一定的参考价值。并就工程中应用时反探测方法的系统方案以及面临的技术问题进行了设计和分析，为以后的实际工程应用打下了一定的基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 时间反转镜原理概述

1.2.1 时间反转镜基本原理

1.2.2 时反法主动声探测技术研究现状

1.3 时间反转法应用于水下掩埋目标探测

1.3.1 掩埋目标探测的原理及问题

1.3.2 混浊水海域特性的影响

1.4 混沌理论应用于抗混响处理

1.4.1 混沌理论概述

1.4.2 混沌抗混响和信号分离方法

1.5 时间反转法的工程应用前景

1.6 论文的主要工作内容

第2章 时反法水下目标声探测原理分析

2.1 引言

2.2 声学时间反转镜的基本原理

2.2.1 时间反转镜的时间相关特性

2.2.2 时间反转镜的空间相关特性

2.3 主动时反镜自适应聚焦特性

2.4 浅海信道悬浮目标时反探测模型

2.4.1 仿真模型

2.4.2 单目标仿真结果及分析

2.4.3 时反的稳健性分析

2.4.4 多目标仿真结果及分析

2.5 迭代时间反转法目标探测

2.5.1 迭代时间反转方法

2.5.2 时反算子分解多露标分辨原理

2.5.3 迭代时反仿真分析

2.6 本章小结

第3章 沉底及掩埋目标时反探测分析

3.1 引言

3.2 沉底目标时反探测模型

3.2.1 仿真模型

3.2.2 混响信号的建模

3.2.3 沉底目标时反探测仿真分析

3.3 掩埋目标时间反转探测

3.3.1 掩埋目标时反探测分析

3.3.2 掩埋目标时反换元法目标探测

3.3.3 掩埋目标时反探测仿真分析

3.4 噪声、混响对时反目标探测的影响

3.4.1 噪声对时反目标探测的影响

3.4.2 混响对时反目标探测的影响

3.5 本章小结

第4章 混晌背景下的信号检测和提取

4.1 前言

4.2 匹配滤波信号处理分析

4.2.1 匹配滤波器的原理和特性

4.2.2 实验数据分析

4.3 混沌信号处理分析

4.3.1 混响的混沌模型及其预测

4.3.2 混响背景下的信号检测技术

4.3.3 混响背景下的信号提取技术

4.4 本章小结

第5章 时反法声探测实验研究

5.1 引言

5.2 单通道时反主动声探测实验

5.3 悬浮目标时反实验分析

5.4 掩埋目标时反实验分析

5.5 多通道时反镜实验系统方案设计

5.5.1 系统的构成和工作原理

5.5.2 任意波形发生器系统设计

5.6 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

1 攻读学位期间发表的论文

2 攻读学位期间参加的科研工作和取得的科研成果

致谢

附录A

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