水聲脈沖信號(hào)被動(dòng)定位技術(shù)研究.pdf

1、在水聲定位技術(shù)中，聲吶被動(dòng)定位技術(shù)一直是聲吶技術(shù)發(fā)展的重要研究方向之一。當(dāng)前，對(duì)于水下被動(dòng)定位技術(shù)的研究多圍繞艦船輻射噪聲而展開(kāi)工作，很少有針對(duì)主動(dòng)聲吶所發(fā)出的水聲脈沖信號(hào)在被動(dòng)方式下的定位。本論文圍繞對(duì)水聲脈沖信號(hào)的被動(dòng)定位問(wèn)題而展開(kāi)工作，主要針對(duì)傳統(tǒng)垂直陣列不便于布放的缺點(diǎn)，開(kāi)展了利用單水聽(tīng)器和雙水聽(tīng)器進(jìn)行水聲脈沖信號(hào)被動(dòng)定位的方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴根據(jù)不同頻率脈沖的特點(diǎn)，針對(duì)高頻脈沖信號(hào)，詳細(xì)推導(dǎo)了基于到達(dá)時(shí)間差

2、(TDOA)的單水昕器定位算法，并對(duì)算法的定位性能進(jìn)行了理論分析和仿真評(píng)估;同時(shí)對(duì)各種不同測(cè)量誤差情形下的定位性能進(jìn)行了討論。并通過(guò)實(shí)際的海試數(shù)據(jù)對(duì)基于TDOA的單水聽(tīng)器定位方法在實(shí)際中的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　?、漆槍?duì)低頻脈沖信號(hào)，研究了利用脈沖信號(hào)本身的頻散特征進(jìn)行單水聽(tīng)器定位的方法。分析了低頻水聲脈沖信號(hào)所具有的頻散特征，依據(jù)各傳播模式所蘊(yùn)含的時(shí)頻關(guān)系，研究了利用時(shí)頻分析進(jìn)行模式特征提取的方法。為提高時(shí)頻分辨率，引入了具有高時(shí)

3、頻分辨率的自適應(yīng)徑向高斯核函數(shù)(ARGK)的時(shí)頻分析方法來(lái)表征模式的頻散特征，并對(duì)模式的特征進(jìn)行提取。采用了二值掩模濾波的方法，并借助圖像形態(tài)學(xué)中的膨脹方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各模式在時(shí)頻域上的分離。分析了利用模式的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行聲源距離估計(jì)的方法和采用多模式能量聯(lián)合匹配的聲源深度估計(jì)方法，并對(duì)各種不同參數(shù)條件下定位的性能進(jìn)行了分析。通過(guò)采用ARGK的時(shí)頻分析方法能夠提供更高的時(shí)頻分辨率，克服了傳統(tǒng)短時(shí)傅里葉變換(STFT)時(shí)頻表征的限制，可很好地

4、反映出信號(hào)本身的頻散特征，使得各模式在時(shí)頻域更加容易辨識(shí)和分離，提高了對(duì)于模式特征提取的準(zhǔn)確性。
　?、轻槍?duì)發(fā)射信號(hào)波形在未知條件下的單水聽(tīng)器匹配場(chǎng)定位問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了一種基于頻域解卷積的分?jǐn)?shù)階范數(shù)的單水聽(tīng)器定位算法。該算法通過(guò)頻域解卷積的方式來(lái)獲得搜索區(qū)域上各網(wǎng)格點(diǎn)上發(fā)射信號(hào)的估計(jì)值，可實(shí)現(xiàn)在發(fā)射信號(hào)波形未知的情形下產(chǎn)生出匹配場(chǎng)運(yùn)算所需的拷貝場(chǎng)信號(hào)，且使計(jì)算量有了一定的下降，并通過(guò)對(duì)各網(wǎng)格點(diǎn)上經(jīng)解卷積之后獲得的信號(hào)執(zhí)

5、行具有分?jǐn)?shù)階范數(shù)的約束形式，能夠使定位函數(shù)對(duì)旁瓣有更多的抑制，提高了定位輸出的準(zhǔn)確性，使得模糊表面的輸出具有更高的峰值背景比，定位效果更加地顯著。所提算法無(wú)需已知發(fā)射信號(hào)的波形，對(duì)信號(hào)頻率參數(shù)的估計(jì)精度要求較為寬容，同時(shí)提高了對(duì)于窄帶脈沖信號(hào)的定位能力。為了提高對(duì)時(shí)域長(zhǎng)脈沖信號(hào)的定位性能，所提算法對(duì)解卷積之后的信號(hào)進(jìn)行了脈沖壓縮處理的方法，減小了其在時(shí)域上的持續(xù)范圍，提高了定位輸出的分辨率，極大地改善了對(duì)長(zhǎng)脈沖信號(hào)的定位性能。通過(guò)采用數(shù)

6、值仿真的方法對(duì)各種不同參數(shù)條件下定位算法的性能進(jìn)行了相應(yīng)的評(píng)估與驗(yàn)證，并借助實(shí)際的海試數(shù)據(jù)對(duì)所提算法在實(shí)際中的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。
　?、仍谕ㄟ^(guò)利用單水聽(tīng)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行定位的基礎(chǔ)上，論文研究了在雙水聽(tīng)器條件下對(duì)目標(biāo)實(shí)施匹配場(chǎng)定位的問(wèn)題，主要針對(duì)波形未知的發(fā)射脈沖信號(hào)，發(fā)展了關(guān)于最小二乘方法在雙水聽(tīng)器條件下的應(yīng)用，從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面入手，分別提出了基于雙水聽(tīng)器的時(shí)域互相關(guān)的匹配場(chǎng)處理器和頻域最小二乘法的匹配場(chǎng)處理器，對(duì)它們各自的定位

7、性能進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)仿真對(duì)比了兩種基于交叉卷積關(guān)系的匹配場(chǎng)定位算法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)各處理器在各種不同參數(shù)條件下的定位性能進(jìn)行了大量的評(píng)估與驗(yàn)證，以數(shù)值仿真的方法深入分析了對(duì)于聲速剖面分布、陣元布放深度、陣元間隔以及信號(hào)頻率等參數(shù)影響下的定位輸出效果，并對(duì)不確定環(huán)境參數(shù)條件下各處理器的穩(wěn)健性進(jìn)行了分析，并通過(guò)借助實(shí)際的海試數(shù)據(jù)，對(duì)所提出的兩種匹配場(chǎng)定位算法在實(shí)際中的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。所提出的匹配場(chǎng)定位算法無(wú)需已知發(fā)射信號(hào)的波形，且改善