甚低频水声地波联合探测关键技术研究

摘要

现代潜艇减振降噪静音技术快速发展，使其高频辐射噪声级大大降低，基于低频/甚低频波段被动声特征成为针对安静型潜艇的有效探测手段，但其潜能尚未充分挖掘。水下目标激发的低频/甚低频辐射噪声耦合到海底以弹性波的形式沿海底界面向远处传播形成海底地震波场，其极化、频散等特征可用于探测和识别水下目标。本文利用水声和地震波联合探测方法，为有效解决现有水中甚低频声源的被动探测问题提供有益探索。
　　围绕甚低频海底界面波对水下目标的被动探测问题，本文主要从以下四个方面开展研究:(1)首先对海底界面附近水声场和地震波场进行理论建模和数值计算，包括海底界面波Schoite波极化、频散、传播衰减等物理性质，尤其是在海底界面附近的极化特征差异性，为水下目标探测和分类识别提供新的补充途径;(2)在此基础上，充分利用水中目标的水声场和Scholte波场信息对水下目标进行完整位置信息估计:利用极化滤波技术实现目标分离，利用多分量波束形成技术进行水下目标DOA估计，利用水体直达声波和海底界面Scholte波速度差异实现水下目标距离估计;(3)利用COMSOL多物理场软件的有限元计算典型海底声波场仿真海底Scholte波物理特性以及DOA估计和距离估计等水下目标探测方法，初步验证该方法的性能及理论可行性;(4)为实验验证海底Scholte波理论模型、数值计算结果和多分量信号联合处理方法，与国家地震局合作研制一套甚低频水声地波七分量记录系统。
　　基于典型波导海底甚低频被动探测仿真，研究发现:(1)水体直达波和海底Scholte波多途测距法对5km以内目标距离估计误差不超过2％;(2)水声地波七分量常规波束形成和MVDR波束形成方法水平方位角估计精度明显优于单矢量水听器的四分量水平方位角估计方法，相同信噪比下估计误差约小10倍;(3)运用极化滤波方法预处理水体直达波和海底Scholte波时域混叠的信号，能够略微增加水平方位角估计精度;(4)水声地波联合探测方法，能够探测近海底目标声源的完整位置信息;(5)数值实验初步验证甚低频水声地波联合探测方法对近海底目标声源探测的有效性，说明甚低频水声地波联合探测系统具备一定的应用前景。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 矢量水听器技术

1．2．2 被动测距技术

1．2．3 水中声源激发海底地震研究

1．2．4 极化特征分析

1．3 论文主要内容

2 海底声场分析

2．1 海底界面附近的声与波

2．1．1 声波

2．1．2 固体波

2．2 界面波

2．2．1 理想波导Seholte波分析

2．2．2 有限水深波导Scholte波频散

2．2．3 Seholte波极化特性

2．2．4 Seholte波水中声源激发条件

2．2．5 分层海底Scholte波频散

2．3 基于Scholte波的分层海底S波速度反演

2．3．1 频散测定

2．3．2 反演方法

2．4 本章小结

3 甚低频水声地波联合探测方法研究

3．1 信号输出特性

3．2 测距方法研究

3．2．1 互相关法求时延差

3．2．2 通过时延差求距离信患

3．3 波达方向估计技术

3．3．1 功率谱定位算法分析

3．3．2 常规波束形成(CBF)和最小方差无失真响应(MVDR)

3．3．3 基于子空间分析的MUSIC

3．4 极化分析方法

3．5 本章小结

4 联合探测技术仿真实验

4．1 仿真实验方案

4．1．1 仿真实验目的

4．1．2 仿真实验环境

4．2 仿真实验内容

4．2．1 仿真原理

4．2．2 仿真模型参数设置

4．3 仿真数据处理结果

4．3．1 COMSOL建模精准性验证仿真

4．3．2 分层海底的Seholte波频散特性仿真

4．3．3 甚低频水声地波联合探测近海底目标仿真

4．4 仿真实验结论

4．5 本章小结

5 甚低频水声地波联合测量系统

5．1 系统硬件

5．2 系统主要特点

5．2．1 海底地震仪

5．2．2 矢量水听器

5．2．3 联合系统

5．3 系统性能测试

5．3．1 矢量水听器水听器测试

5．3．2 海底地震仪测试

5．3．3 系统实时回传数据测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简介及科研成果