淺海聲場干擾結構與寬帶聲源測距研究.pdf

1、淺海聲波導中,距離聲源足夠遠處的聲場可以看作一系列相互獨立的簡正波的疊加,每號簡正波具有相應的垂向分布函數(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果。淺海聲場的干涉結構是指寬帶聲源產生的聲強在距離-頻率平面、距離-深度平面和深度-頻率平面上的分布特征,對于時變波導還需要考慮上述干涉結構隨時間的變化規(guī)律。其中聲強在距離-頻率平面上的條帶狀分布可以用波導不變量理論來解釋。
　　 在本文中我們對波導不

2、變量原理進行回顧,并將頻域干涉譜隨距離的變化總結為“平移”和“伸縮”兩種特性；目前對頻域干涉譜隨距離的“平移”特性的研究和應用已有很多,例如用于聲源運動補償和水平陣列信號處理；而據作者所知,對“伸縮”特性還沒有成熟的應用,我們在本文中通過對波導不變量原理做出進一步的思考,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系,據此提出采用水平陣和引導聲

3、源進行目標測距的方法；對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,我們在文中討論了直接通過頻移提高相關系數(shù)來得到干涉條紋斜率的可行性。
　　 其次,我們將聲強在距離-頻率平面上的二維分布分解為在距離坐標上和頻率坐標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系就可以簡化為聲源距離和頻域干涉譜的準周期之間的比例關系。于是,只通過單個水聽器得到聲場的頻

4、域干涉譜,就可以實現(xiàn)寬帶聲源測距,我們通過數(shù)值計算和兩次海上試驗數(shù)據對此方法進行了驗證。在上述聲源測距方法中引入引導聲源的好處是不再需要已知環(huán)境信息或對環(huán)境進行建模。
　　 一般情況下頻域干涉譜是多號簡正波兩兩干涉產生的譜的疊加,為了將這些不同的準周期成分進行分離,需要對頻域干涉譜再做一次譜分析,我們采用了適用于短信號處理的MUSIC算法,在本文中我們將頻域干涉譜再次進行譜分析的結果稱為“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用潛力,我們給出一次淺海實驗中聲場的“兩重譜”分布。
　　 本文的主要工作總結如下:
　　 (1)通過典型淺海波導模型下的數(shù)值計算給出淺海聲場的幾種干涉結構并結合波導不變量原理進行了討論；
　　 (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聲源進行目標聲源測