淺海矢量聲場(chǎng)及其信號(hào)處理.pdf

1、水聲物理、信號(hào)處理和海洋環(huán)境的緊密結(jié)合是聲納技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。淺海低頻聲納是近代聲納發(fā)展的方向，水聲探測(cè)的頻段越來(lái)越低，矢量傳感器的作用得到重視。在此背景下，本文對(duì)淺海矢量聲場(chǎng)及其信號(hào)處理作了研究。全文的主要研究?jī)?nèi)容有以下5項(xiàng)，前2項(xiàng)為垂直聲強(qiáng)信息的研究，后3項(xiàng)為水平聲強(qiáng)信息的研究：
　　 (1)探討了Pekeris波導(dǎo)中聲壓場(chǎng)和質(zhì)點(diǎn)振速場(chǎng)的聯(lián)合描述，尤其關(guān)注垂直聲強(qiáng)流的分析。研究表明，由于各階簡(jiǎn)正波的干涉作用，水平和垂直聲強(qiáng)

2、流均既有有功分量，亦有無(wú)功分量。低頻聲場(chǎng)的垂直聲強(qiáng)流的無(wú)功分量雖不參與聲能的輸運(yùn)，當(dāng)單個(gè)聲矢量傳感器適當(dāng)放置后卻可用以判斷聲源的特定深度。這對(duì)于矢量信號(hào)處理是有意義的。給出了聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速聯(lián)合互譜處理進(jìn)行目標(biāo)深度判別的算法。
　　 (2)進(jìn)一步地研究了更為廣泛的淺海波導(dǎo)中的垂直聲強(qiáng)流。結(jié)果表明，所提出的利用垂直聲強(qiáng)流無(wú)功分量判斷目標(biāo)的特定深度這一原理對(duì)不同淺海環(huán)境是可以適用的。近似的理論分析為傳感器布放深度提供了指導(dǎo)，指出了所研

3、究條件下垂直聲強(qiáng)流的有功分量的符號(hào)分布與傳感器布放深度無(wú)關(guān)。
　　 應(yīng)用矢量聲場(chǎng)的互易原理對(duì)不同淺海環(huán)境的矢量聲場(chǎng)主要是垂直聲強(qiáng)流無(wú)功分量進(jìn)行了計(jì)算。在近距離處聲場(chǎng)表現(xiàn)出近場(chǎng)特性，稍遠(yuǎn)距離處垂直聲強(qiáng)流的符號(hào)即表現(xiàn)出規(guī)律性；海洋聲速剖面對(duì)所提出原理的適用性影響不大；在規(guī)定作用距離后，海底吸收存在時(shí)對(duì)原理的應(yīng)用不構(gòu)成障礙，在一定程度上反倒有利；不同頻率的聲場(chǎng)的干涉圖案有細(xì)微差別，但是傳感器的布放位置可以是固定的，換言之，單個(gè)矢量傳感

4、器即可工作于較寬的頻段。導(dǎo)出了傳感器布放深度公式。這些結(jié)論以及所提出的原理是有條件的：波導(dǎo)中只存在2階波導(dǎo)簡(jiǎn)正波。這在甚低頻才可以做到，而近代聲納的工作頻段的發(fā)展趨勢(shì)正是如此。
　　 (3)針對(duì)矢量陣高分辨算法的運(yùn)算量大的特點(diǎn)，嘗試將聲壓陣中行之有效的減小計(jì)算量的方法推廣到矢量陣中。
　　 提出了廣義轉(zhuǎn)換矩陣，使得矢量酉MUSIC算法得以成立。由于該算法利用了觀測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)共軛數(shù)據(jù)，使得特征分解可以在實(shí)數(shù)域進(jìn)行，不但減小了

5、運(yùn)算量而且提高了方位估計(jì)性能。將傳播算子算法推廣到寬帶矢量陣處理中，由于不需要進(jìn)行自相關(guān)矩陣的特征分解，該算法運(yùn)算快速。仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表明所提出的算法是有效的。
　　 (4)聲矢量傳感器能夠同時(shí)拾取空間同一點(diǎn)的聲壓振速信息，可以進(jìn)行聲場(chǎng)聲強(qiáng)測(cè)量。據(jù)此提出了陣列聲強(qiáng)器的概念。即當(dāng)聲矢量傳感器成陣時(shí)，在波束域進(jìn)行聲強(qiáng)處理，以獲得目標(biāo)的方位信息。當(dāng)空間高度欠采樣時(shí)，矢量陣將產(chǎn)生柵瓣模糊，利用陣列聲強(qiáng)器獲得的方位信息可以抑制稀疏陣的

6、柵瓣模糊，使得矢量陣在不增加陣元個(gè)數(shù)的前提下增大了陣列孔徑，從而提高了方位分辨力。對(duì)陣列聲強(qiáng)器去模糊性能進(jìn)行了理論分析，仿真結(jié)果表明了所提算法的有效性。
　　 (5)對(duì)聲壓和振速信息進(jìn)行聯(lián)合處理的思想在目標(biāo)方位估計(jì)中已有成熟應(yīng)用，在時(shí)頻參數(shù)估計(jì)中進(jìn)行聯(lián)合處理尚不多見(jiàn)，本文提出了以聲壓振速互協(xié)方差矩陣為基礎(chǔ)的ESPRIT頻率估計(jì)算法，在不損失估計(jì)性能的前提下，計(jì)算量減小為現(xiàn)有算法的1/27。給出了所用模型的克拉美勞下限。仿真結(jié)果表