淺海聲場干擾結(jié)構(gòu)與寬帶聲源測距研究.pdf

1、淺海聲波導(dǎo)中,距離聲源足夠遠(yuǎn)處的聲場可以看作一系列相互獨(dú)立的簡正波的疊加,每號(hào)簡正波具有相應(yīng)的垂向分布函數(shù)和水平波數(shù),在這種表述下,聲場干涉就是帶有不同相位信息的簡正波相互疊加的結(jié)果。淺海聲場的干涉結(jié)構(gòu)是指寬帶聲源產(chǎn)生的聲強(qiáng)在距離-頻率平面、距離-深度平面和深度-頻率平面上的分布特征,對(duì)于時(shí)變波導(dǎo)還需要考慮上述干涉結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化規(guī)律。其中聲強(qiáng)在距離-頻率平面上的條帶狀分布可以用波導(dǎo)不變量理論來解釋。
　　 在本文中我們對(duì)波導(dǎo)不

2、變量原理進(jìn)行回顧,并將頻域干涉譜隨距離的變化總結(jié)為“平移”和“伸縮”兩種特性；目前對(duì)頻域干涉譜隨距離的“平移”特性的研究和應(yīng)用已有很多,例如用于聲源運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和水平陣列信號(hào)處理；而據(jù)作者所知,對(duì)“伸縮”特性還沒有成熟的應(yīng)用,我們?cè)诒疚闹型ㄟ^對(duì)波導(dǎo)不變量原理做出進(jìn)一步的思考,指出頻域干涉譜隨距離變化的“伸縮”特征可以用于解決寬帶聲源的測距問題。
　　 首先,我們給出聲源距離和干涉條紋斜率之間的簡單比例關(guān)系,據(jù)此提出采用水平陣和引導(dǎo)聲

3、源進(jìn)行目標(biāo)測距的方法；對(duì)于如何提取干涉條紋的斜率,以往主要采用Radon變換等圖像處理方法,我們?cè)谖闹杏懻摿酥苯油ㄟ^頻移提高相關(guān)系數(shù)來得到干涉條紋斜率的可行性。
　　 其次,我們將聲強(qiáng)在距離-頻率平面上的二維分布分解為在距離坐標(biāo)上和頻率坐標(biāo)上的兩種一維譜分布,本文中分別稱之為距離域干涉譜和頻域干涉譜。這樣,聲源距離與干涉條紋斜率間的比例關(guān)系就可以簡化為聲源距離和頻域干涉譜的準(zhǔn)周期之間的比例關(guān)系。于是,只通過單個(gè)水聽器得到聲場的頻

4、域干涉譜,就可以實(shí)現(xiàn)寬帶聲源測距,我們通過數(shù)值計(jì)算和兩次海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)此方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在上述聲源測距方法中引入引導(dǎo)聲源的好處是不再需要已知環(huán)境信息或?qū)Νh(huán)境進(jìn)行建模。
　　 一般情況下頻域干涉譜是多號(hào)簡正波兩兩干涉產(chǎn)生的譜的疊加,為了將這些不同的準(zhǔn)周期成分進(jìn)行分離,需要對(duì)頻域干涉譜再做一次譜分析,我們采用了適用于短信號(hào)處理的MUSIC算法,在本文中我們將頻域干涉譜再次進(jìn)行譜分析的結(jié)果稱為“兩重譜”。這種處理不僅解決了利用單水聽器

5、測距時(shí)可能存在的困難。此外,由于這種處理方法可以清晰地刻畫干涉聲場中的簡正波成分,可以明顯地監(jiān)測簡正波耦合的發(fā)生,因此在淺海聲層析中有一定應(yīng)用潛力,我們給出一次淺海實(shí)驗(yàn)中聲場的“兩重譜”分布。
　　 本文的主要工作總結(jié)如下:
　　 (1)通過典型淺海波導(dǎo)模型下的數(shù)值計(jì)算給出淺海聲場的幾種干涉結(jié)構(gòu)并結(jié)合波導(dǎo)不變量原理進(jìn)行了討論；
　　 (2)分析了聲場二維干涉分布中的距離信息,提出利用水平陣和引導(dǎo)聲源進(jìn)行目標(biāo)聲源測