深海环境水声传播及声源定位方法研究

摘要

冷战结束之后，国际水声界的理论和实验研究偏重于浅海，国内水声界的工作也主要集中在我国周边近海的大陆架浅海环境。但在近几年，随着西太和南海局势的发展，对深海水声技术的需求非常迫切。本文结合课题组参加的多次深海水声调查，研究了深海水声传播特性，并分析了其形成的物理机理。同时，从这些特性出发，提出了若干环境适应性强的稳健被动定位方法，并利用计算机仿真或海试数据验证。本文主要包括三个研究对象：表面波导、海底反射路径以及可靠声路径。
　　本研究主要内容包括：⑴利用劳埃德镜原理和简正波模型分析了表面波导中声源-接收点的几何位置对中高频声传播的影响：首先，针对表面波导经典截止频率公式未考虑声源深度的缺点，提出了一种新的截止频率计算方法，用于指导声源的布放深度；再次，针对接收点位置的选择问题，提出了表面波导低传播损失层概念，并给出该层厚度的表达式，用于指导接收点的布放深度；最后，为提高接收阵列在表面波导工作时的输出信噪比，研究了声波的波达角随声源深度和声频率的变化规律，并基于简正波模型揭示了波达角变化的物理机理。⑵利用简正波理论和几何绕射理论分析了泄漏声能量的传播特性。同时，能量泄漏引起了表面波导中能量的快速衰减，衰减系数与表面波导厚度和声频率密切相关。利用详细的仿真分析，拟合了衰减系数的表达式，揭示了表面波导厚度和声频率在影响衰减时的强耦合作用。⑶不同于传播的匹配场定位方法，新的定位方法将声源距离和深度分开估计，估计精度更高，环境适应性更强。距离估计利用基于波达角信息的改进加权子空间拟合算法，考虑了阵列倾斜的影响。深度估计利用距离估计的后验信息，结合多途时延匹配给出目标深度信息。⑷分析了可靠声路径传播中多途到达结构随声源位置的变化规律，结果表明基于多途到达角的定位方法在该环境中适用。针对现有方法的复杂和不精确的多途到达角估计问题，本文利用改进加权子空间拟合算法实现目标定位，既使用了到达角信息，又无须估计到达角。⑸提出利用迭代扩展卡尔曼滤波的方法估计宽带运动目标的位置：假设目标沿接收点的径向方向匀速运动，将目标的距离、深度和速度做为目标状态，构建状态方程；利用射线理论计算任意声源位置处，直达波和海面反射波的时延，作为观测方程；利用自相关函数估计直达波和海面反射波的时延随时间的变化，将其作为观测值。

目录

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2研究历史和现状

1.3全球深海水声环境

1.4本文研究的主要内容

第2章 声场传播模型及深海声传播模式分析

2.1声场传播模型

2.2声传播模式的基本特性

2.3本章小结

第3章 表面波导声传播分析

3.1引言

3.2理论模型

3.3表面波导中的传播损失

3.4波达角的仿真结果

3.5表面波导声绕射

3.6本章小结

第4章 基于多途到达结构的海底反射信号定位方法研究

4.1引言

4.2基于多途到达结构的三种定位方法

4.3三种定位方法的实验数据验证

4.4三种定位方法结果分析

4.5本章小结

第5章 基于多途到达结构的可靠声路径定位方法研究

5.1引言

5.2物理特性分析

5.3 WSF-MF方法性能仿真分析

5.4基于自相关函数的运动目标单水听器定位方法研究

5.5本章小结

第6章 基于宽带信号相干条纹的可靠声路径定深方法研究

6.1引言

6.2劳埃德镜的简正波分析

6.3干涉条纹分析

6.4深度估计中的应用

6.5海上实验数据验证

6.6本章小结

第7章 全文总结

7.1研究内容总结

7.2有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间获得授权的国防专利与软件著作权

攻读博士学位期间参加的科研工作情况

攻读博士学位期间获得的各种荣誉和奖励

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