被动相位共轭法进行声聚焦的改进方法研究

摘要

舰艇的辐射噪声是威胁其自身安全和影响其作战能力的一个重要因素。降低舰艇辐射噪声需要先确定其噪声源的位置和辐射特性，从而有的放矢地对辐射噪声进行控制。通常情况下，复杂的海洋环境会对声源的定位、聚焦和成像造成影响，但是有研究表明，在某些情况下，复杂的海洋环境能够增强相位共轭法的聚焦效果。当基于相位共轭法进行声聚焦的过程是通过数值仿真实现时，此聚焦过程也称为基于被动相位共轭法进行的声聚焦，通常用于水下声源的定位和成像中。虽然相位共轭法能够实现声波的反向传播和自适应聚焦，但是其聚焦的焦点尺寸较大。在自由空间中，其焦点尺寸受半波长衍射极限的限制，并且随着测量距离的增大，焦点尺寸也增大。由于较大的焦点尺寸不利于对声源位置的精确判断，因此本论文针对相位共轭法的上述限制，对缩小焦点尺寸的问题展开了研究。论文中提出了被动相位共轭法的两种改进算法:人工迭代相位共轭法和分裂人工迭代相位共轭法，并证明了它们缩小焦点尺寸的能力。论文主要的研究内容如下: (1)介绍了相位共轭法的基本理论，梳理了相位共轭阵常用的三种收发形式之间的关系。在自由空间中，给出了均匀线列阵基于相位共轭法聚焦点声源的远场波束函数，指出改变线列阵的阵列参数能够实现缩小焦点尺寸的目的，并利用数值仿真验证了结论。通过对比不同收发形式的聚焦效果，得出基于测量声压采用单极子源发射(Monopole phase conjugation，PC/M)和基于测量声压梯度采用偶极子源发射(Dipole phase conjugation，PC/D)这两种收发形式的聚焦效果较好的结论，作为后续研究中选择阵列收发形式的依据。 (2)基于被动相位共轭法，提出了人工迭代相位共轭法。此方法是通过数值仿真迭代每个阵元基于相位共轭法聚焦的过程，来增强聚焦的效果，并结合基阵的指向性实现缩小焦点的目的。依据PC/M和PC/D两种收发形式，给出了人工迭代相位共轭法的两种计算公式。理论分析表明，在自由空间远场中，均匀线列阵基于人工迭代相位共轭法聚焦点声源，焦点尺寸与迭代次数N成反比。随着迭代次数的增加，焦点尺寸减小的同时栅瓣干扰靠近主瓣，会导致对声源位置的误判。为了解决此问题，提出利用相位共轭法聚焦的焦点作为人工迭代相位共轭法聚焦的搜索范围，对于Ne个阵元的均匀线列阵，在此范围内不出现栅瓣干扰要求迭代次数N＜Ne-1。数值仿真和实验对此改进算法的有效性进行了验证。接收线列阵在距离声源1倍波长处，基于人工迭代相位共轭法聚焦的焦点尺寸达到约1/3波长，突破了衍射极限的限制。在远场中聚焦的焦点尺寸达到基于被动相位共轭法聚焦的焦点尺寸的5.6％，实现了缩小焦点尺寸的目的。 (3)基于人工迭代相位共轭法，提出分裂人工迭代相位共轭法。该方法将分裂互相关公式引入人工迭代相位共轭法中，既保留了增加迭代次数能够缩小焦点尺寸的优点，又具有比人工迭代相位共轭法更小的焦点尺寸和更好的旁瓣抑制能力。依据PC/M和PC/D，给出了分裂人工迭代相位共轭法的两种计算公式。理论分析表明，线列阵位于自由空间远场中，相同迭代次数的情况下，基于分裂人工迭代相位共轭法聚焦点声源的焦点是人工迭代相位共轭法聚焦焦点尺寸的一半。数值仿真和实验对此改进算法的有效性进行了验证。接收线列阵在距离声源1倍波长处，基于分裂人工迭代相位共轭法聚焦的焦点尺寸达到约1/7波长，突破了衍射极限的限制。在远场中，聚焦的焦点尺寸达到基于被动相位共轭法聚焦的焦点尺寸2.8％，实现了继续缩小焦点尺寸的目的。 (4)在对线列阵进行了讨论的基础上，在自由空间中，讨论了三种常用平面阵（圆周阵，十字阵，矩形阵）基于相位共轭法和所提出的改进算法的聚焦特性。理论上给出了平面阵聚焦的远场波束函数，分析了可能影响焦点尺寸的阵列参数。在自由空间中，数值仿真对比了三种平面阵聚焦的效果，结合理论分析的结论确定能够影响焦点尺寸的阵列参数。理论分析、数值仿真和实验验证表明，所提出的两种改进算法都能够有效提升平面阵的聚焦效果。在近场和远场中，当平面阵的阵列特征尺寸和阵元个数相同时，基于测量振速采用偶极子源发射的圆周阵聚焦效果最好。在其它参数不变的情况下，增大圆周阵的尺寸能够缩小聚焦的焦点尺寸。 通过以上几个方面的研究，为提升基于被动相位共轭法进行声聚焦的性能提出了切实可行的方案，并为发展基于相位共轭法对噪声源的聚焦成像技术提供了新思路。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2声聚焦成像技术概述

1．2．1波束形成技术简介

1．2．2近场声全息技术简介

1．2．3相位共轭法简介

1．3基于相位共轭法进行声聚焦的研究进展

1．4本文主要研究思路及内容安排

2 相位共轭法及相位共轭线列阵聚焦性能研究

2．1 引言

2．2相位共轭法的基本理论

2．2．1相位共轭阵列产生的声场

2．2．2 PC／P、PC／M和PC／D之间的关系

2．2．3基于倏逝波和传播波分析

2．3相位共轭线列阵聚焦特性的理论分析

2．4相位共轭线列阵聚焦的仿真分析

2．4．1阵列参数对聚焦的影响

2．4．2阵列偏移对聚焦的影响

2．5本章小结

3人工迭代相位共轭法

3．1 引言

3．2人工迭代相位共轭法的算法

3．3 人工迭代相位共轭线列阵聚焦特性分析

3．4数值仿真分析

3．5实验验证

3．6本章小结

4分裂相位共轭法和分裂人工迭代相位共轭法

4．1 引言

4．2分裂相位共轭法

4．2．1分裂相位共轭算法

4．2．2分裂相位共轭线列阵聚焦特性的理论分析

4．3 分裂人工迭代相位共轭法

4．3．1分裂人工迭代相位共轭算法

4．3．2分裂人工迭代相位共轭线列阵聚焦特性分析

4．4数值仿真分析

4．4．1 分裂相位共轭线列阵聚焦的仿真分析

4．4．2分裂人工迭代相位共轭线列阵聚焦的仿真分析

4．5实验验证

4．5．1 分裂相位共轭线列阵聚焦实验

4．5．2分裂人工迭代相位共轭线列阵聚焦实验

4．6本章小结

5 相位共轭平面阵聚焦特性研究

5．1 引言

5．2相位共轭平面阵聚焦特性的理论分析

5．2．1矩形阵聚焦特性分析

5．2．2圆周阵聚焦特性分析

5．2．3十字阵聚焦特性分析

5．3人工迭代相位共轭平面阵聚焦特性的理论分析

5．3．1矩形阵聚焦特性分析

5．3．2圆周阵聚焦特性分析

5．3．3十字阵聚焦特性分析

5．4数值仿真分析

5．4．1相位共轭平面阵聚焦的仿真分析

5．4．2平面阵基于人工迭代相位共轭法聚焦的仿真分析

5．4．3分裂相位共轭阵和分裂人工迭代相位共轭阵聚焦的仿真分析

5．5实验验证

5．5．1相位共轭平面阵聚焦特性的实验验证

5．5．2人工迭代相位共轭平面阵聚焦特性的实验验证

5．5．3分裂相位共轭和分裂人工迭代相位共轭阵聚焦的实验验证

5．6本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介