基于时反聚焦理论的浅海被动定位方法研究

发布时间：2017-07-17 08:17

  本文关键词：基于时反聚焦理论的浅海被动定位方法研究

  更多相关文章： 简正波模型 时反处理方法 水平线列阵 模态子空间重构

【摘要】：在浅海环境中,目标的被动定位能力受限于海底混响和多途干涉等水声信道的固有特性,本文对基于时反聚焦理论的目标被动定位方法进行了深入地研究。首先,利用简正波建模,探讨了时反处理方法中声源置放深度和水平时反线列阵置放深度对时反聚焦性能及聚焦强旁瓣出现位置的影响。然后,深入研究了在浅海多散射体环境下,水平时反线列阵的回波信号信混比和信噪比增强方法。最后,提出了适用于不确实海洋环境的基于模态子空间重构的虚拟时反处理方法以及短垂线阵的虚拟时反处理方法。论文的主要研究内容及创新点如下:1、通过理论推导分析了垂线阵时反处理方法和水平阵时反处理方法的空时聚焦原理以及两者的差异,在简正波模型的基础上分别建立了垂直线列阵和水平线列阵应用于时反处理方法的仿真模型。从声场分布角度出发,利用简正波理论解释了目标置放深度和水平阵置放深度对时反聚焦效果的以及聚焦强旁瓣出现位置的影响,为后续章节进一步研究水平时反处理方法和虚拟时反处理方法奠定了基础。2、研究了多散射体环境下水平时反线列阵的选择性聚焦性能,提出将水平时反算子应用到几种典型的时反选择性聚焦方法上。在多散射体环境下,水平时反算子是水平时反线列阵实现选择性定位聚焦的基础。首先,研究分析了了典型浅海波导环境下,基于水平时反算子的时反算子分解算法(DORT)和前后向混响置零方法(EREFBRUC)的选择性聚焦能力,通过理论分析和计算机仿真验证了根据散射体散射强度的不同,选择所对应的水平时反算子分解得到的特征向量作为水平时反线列阵重新发射信号的激励权向量,可以实现声场在散射体上的选择性聚焦。其次,针对时反算子分解只能把目标回波和混响分解,无法把目标回波和噪声分解,从而不能有效抑制噪声对时反聚焦性能影响的问题。提出了采用Hadamard正交基作为水平时反线列阵全阵发射信号的激励权值向量的优化方法。该优化方法可以提高输入信噪比,通过计算机仿真验证了该算法在低信噪比环境下可以有效地实现目标的准确定位。3、提出了适用于不确实海洋环境下的基于模态子空间重构的虚拟时反处理方法。在不确实海洋环境中,虚拟时反处理方法面临由于环境参数失配而导致定位失败的风险,因此需要研究对环境参数及系统参数失配不敏感的稳健算法。因此提出了一种基于模态子空间重构的虚拟时反处理方法。海洋环境参数的不确定性对声源激发的每阶模态的影响都不同,因此通过计算环境参数对水平波数影响的大小,可以将模态空间分为可预测子空间和非可预测子空间。基于可预测子空间重新构建垂线阵的接收测量场,通过计算机仿真和水池实验验证了采用重构后的测量场进行虚拟时反处理可以有效地提高不确实海洋环境中时反处理方法的稳健性。4、为了降低时反处理方法在实际应用中的难度,提出了利用短垂线阵接收声场延拓长垂线阵测量场的虚拟时反处理方法。方法实现步骤主要分为3步:1)利用模态分解将短垂线阵接收到的声场分解为模态函数矩阵和模态系数向量。2)求得各阶模态系数的估计值(文中分别采用了最小二乘算法和迭代算法来求得各阶模态系数),然后通过求得的模态系数延拓出长垂线阵的测量场。3)采用延拓后的长垂线阵测量场进行虚拟时反处理。通过计算机仿真可以看到,和使用短垂线阵测量场的虚拟时反处理方法相比较,采用延拓后的测量场进行时反处理的虚拟时反处理方法具有更加优越的聚焦定位性能,这是由于延拓后的长垂线阵的测量场包含更多的环境信息。最后,针对基于最小二乘算法延拓出的测量场和基于迭代算法延拓出的测量场,对比了分别采用这两种测量场进行虚拟时反处理后的聚焦定位效果,从模态系数估计准确度和简正波模态的角度讨论了两种方法的适用范围。5、提出了特定环境中,利用时间反转镜在浅海环境中产生一条警戒线以达到对水下入侵目标快速预警的应用方法。建立了基于时反处理方法的水声实时监测系统模型,通过理论分析和计算机仿真验证了该系统可以有效地实现对入侵目标的即时预警,具有应用简单、监测能力强、敏感度高并且不受浅海复杂声道及多途效应影响的特点。在此基础上从简正波采样的角度分析了入侵目标强度、深度和与时反线列阵与目标之间的水平距离等因素对该实时监测系统探测敏感度的影响,这对该方法后续的实际应用具有一定的指导意义。
【关键词】：简正波模型 时反处理方法 水平线列阵 模态子空间重构
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U666.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 研究历史和现状12-16
• 1.2.1 时反处理方法的发展历程12-14
• 1.2.2 时反处理方法的局限性分析14-16
• 1.3 本文研究的主要内容16-19
• 2 水声传播模型及理论基础19-33
• 2.1 引言19
• 2.2 声传播基础理论19-22
• 2.2.1 波动方程的时不变性19-20
• 2.2.2 格林函数的互易性原理20-22
• 2.3 水声传播模型22-24
• 2.4 简正波模型24-25
• 2.5 时间反转处理方法的理论基础25-28
• 2.5.1 时反处理方法的提出25-26
• 2.5.2 垂直线列阵时反处理理论模型26-28
• 2.6 波导环境模型及仿真分析28-32
• 2.6.1 典型浅海环境模型28-29
• 2.6.2 数值仿真分析29-32
• 2.7 本章小结32-33
• 3 基于水平线列阵的时反处理方法33-47
• 3.1 引言33-34
• 3.2 水平线列阵时反处理理论模型34-35
• 3.3 声源深度对水平线列阵时反聚焦性能的影响35-37
• 3.4 水平线列阵置放深度对时反聚焦性能的影响37-45
• 3.5 本章小结45-47
• 4 基于水平时反算子的时反处理方法47-75
• 4.1 引言47
• 4.2 水平时反算子的基本原理47-66
• 4.2.1 基于水平时反算子的DORT算法50-53
• 4.2.2 基于水平时反算子的目标被动混响置零方法53-54
• 4.2.3 基于水平时反算子的前后混响零点约束下的信混比增强方法54-56
• 4.2.4 数值仿真分析56-66
• 4.3 基于Hadamard正交基的水平时反处理方法66-73
• 4.3.1 基于全阵正交发射的时反算子优化66-67
• 4.3.2 数值仿真分析67-73
• 4.4 本章小结73-75
• 5 基于模态子空间重构的虚拟时反处理方法75-95
• 5.1 引言75-76
• 5.2 虚拟时反处理方法76
• 5.2.1 虚拟时反处理方法76
• 5.2.2 虚拟时反处理方法的原理76
• 5.3 模态子空间分解的基本原理76-80
• 5.3.1 可预测子空间模态的选取77-79
• 5.3.2 基于可预测模态子空间重构的虚拟时反处理方法79-80
• 5.4 仿真分析80-86
• 5.4.1 环境模型80-81
• 5.4.2 可预测子空间的重构81-82
• 5.4.3 仿真结果及分析82-86
• 5.5 水池试验86-94
• 5.5.1 试验描述86
• 5.5.2 水池环境参数模型86-87
• 5.5.3 水池环境仿真分析87-88
• 5.5.4 水池数据采集88-91
• 5.5.5 水池采集数据处理91-92
• 5.5.6 水池试验处理结果92-94
• 5.6 本章小结94-95
• 6 短垂线阵的虚拟时反处理方法研究95-113
• 6.1 引言95
• 6.2 基于最小二乘的虚拟时反处理方法95-104
• 6.2.1 模态系数最小二乘近似解95-98
• 6.2.2 基于最小二乘的虚拟时反处理原理98
• 6.2.3 仿真分析98-104
• 6.3 基于迭代算法的虚拟时反处理方法104-111
• 6.3.1 短垂线阵模态系数迭代求解104-106
• 6.3.2 基于模态系数迭代求解的虚拟时反处理方法106
• 6.3.3 数值模拟及仿真分析106-111
• 6.4 最小二乘算法和迭代算法在实际应用中的比较111-112
• 6.5 本章小结112-113
• 7 基于时反处理方法的浅海目标被动监测113-121
• 7.1 引言113
• 7.2 采用时反实现浅海监测的基本原理113-114
• 7.3 实施方案114-120
• 7.3.1 系统性能预估114-117
• 7.3.2 目标增益对浅海警戒系统时反聚焦效果的影响117-118
• 7.3.3 应答器置放深度对时反聚焦效果的影响118-119
• 7.3.4 目标和应答器之间水平距离对时反聚焦效果的影响119-120
• 7.4 本章小结120-121
• 8 全文总结121-125
• 8.1 研究工作总结121-123
• 8.2 有待进一步研究的内容123-125
• 参考文献125-139
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况139-141
• 致谢141-142

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