淺海低頻聲場干涉結構及其應用研究.pdf

1、水聲技術得到了長足的發(fā)展,但同時也面臨著新的挑戰(zhàn)。隨著安靜型技術的進步,潛艇的輻射噪聲不斷地降低,如何遠距離探測安靜型潛艇成為難點。拖曳線列陣聲吶在反潛戰(zhàn)中扮演著重要角色,也是最主要的魚雷報警聲吶,是聲吶的重要發(fā)展方向之一,但此類聲吶迄今仍無技術使它們具有被動測距、測速功能。海洋波導的重要特點是低頻聲場存在穩(wěn)定可觀察的干涉結構,本文欲基于聲場的物理本質探索新的目標檢測、識別和被動測距技術。
　　 聲場的干涉結構是目標距離、深度及

2、頻率的函數(shù),應通過某種時空變換對其簡化,增強有用信息以便應用。文中以淺海低頻聲場的干涉結構為研究對象,重點關注了線譜甚低頻聲場干涉結構和連續(xù)譜低頻聲場干涉結構。對于前者,給出了淺海分層介質中波導簡正波的矢量場,探討了復聲強的表述及其特征,定量分析了垂直(交互)復聲強和水平交互復聲強的無功分量和有功分量,并對復聲強和交互復聲強的相位角分布進行了數(shù)值計算。對于后者,基于波導不變量理論框架描述了連續(xù)譜低頻聲場干涉結構(相干函數(shù)圖或LOFAR圖

3、)上的干涉條紋;首次基于相干聲場的時空濾波理論用功率響應函數(shù)、雙頻函數(shù)、擴展分布函數(shù)等推廣了連續(xù)譜干涉結構的表征手段;通過仿真研究和海試數(shù)據(jù)分析對上述理論進行了驗證并結合波導不變量作了特征分析;并對其他形式的連續(xù)譜干涉結構作了簡介。
　　 對線譜甚低頻聲場干涉結構的研究表明:當聲場中只存在兩階簡正波時,合理布放垂直雙傳感器的深度,可以使聲壓互譜(或分點測量的聲壓水平振速互譜)有功分量的正負號在較遠距離處與水平距離無關,若定義聲壓

4、互譜有功分量正負號變號的深度為臨界深度,則通過與臨界深度比較,可以對目標深度進行分類,即可以判斷目標為淺聲源(水面艦艇)或航深較大運動平臺(潛艇);聲壓互譜無功分量正負號分布隨水平距離呈周期性變化,利用建?；虻刃疃冉颇Ｐ皖A報水平相干距離,并基于干涉結構測量目標渡越一個水平相干距離尺度的時間,可實現(xiàn)對目標徑向運動速度的估計。運用Pekeris波導有效深度的概念建立了聲壓互譜有功分量正負號分布特性的近似理論分析,加深了對淺海低頻聲場特性

5、的理解,并推導了雙水聽器合理的布放深度公式,以指導算法的實際使用。理論分析表明:當兩個水聽器的布放深度之和近似等于有效深度時,聲壓互譜有功分量正負號分布才與水平距離無關,值得注意的是,臨界深度可調,通過設置一期望的臨界深度,則雙水聽器的布放深度唯一確定。進一步的穩(wěn)健性分析表明:深度分類算法和距變率估計算法對不同淺海環(huán)境是可以適用的。
　　 對連續(xù)譜低頻聲場干涉結構的研究表明:淺海低頻聲場中LOFAR圖上的干涉條紋為一族類雙曲線,

6、通過干涉條紋方程將波導不變量、最近通過距離與線速度比及最近通過時刻等運動參數(shù)聯(lián)系起來;時空濾波理論的四個系統(tǒng)函數(shù)中僅有一個是獨立的,每個系統(tǒng)函數(shù)均能描述聲場連續(xù)譜干涉結構的特性,但各個系統(tǒng)函數(shù)均能特別突出干涉結構某方面的特征,各有特色。結合LOFAR圖和方位時間歷程圖提出了基于Hough變換的參數(shù)估計方法,分有無最近通過距離進行了仿真研究和海試數(shù)據(jù)分析,驗證了算法的正確性和可行性,并表明其有較高的參數(shù)估計精度。在參數(shù)估計的基礎上,提出了

7、四種有最近通過距離時的基于水平雙陣(元)的被動測距算法,并進行了定位精度分析,針對算法二穩(wěn)健性差的缺點,提出了相應的改進算法。提出了兩種無最近通過距離的雙陣(元)被動測距算法,并進行了仿真研究、定位精度及穩(wěn)健性分析,隨后又提出了相應的改進算法,以提高低信噪比時的測距精度。
　　 本文所提出的參數(shù)估計和被動測距算法在海洋綜合監(jiān)測、海岸預警系統(tǒng)、航空浮標、潛標、海洋研究、聲學測量、魚雷報警等諸方面有重要應用前景,若要用于工程實際,還