浅海波导中宽带声源被动测距研究

发布时间：2020-04-06 16:13

【摘要】：波导不变性原理是当前海洋声学研究的热点之一。和波导不变量一样,阵不变量也能实现宽带声源的有效测距,与传统的三元阵被动测距技术方法相比,它充分考虑了信道环境对声传播的影响,能够提高浅海声源测距性能;而与匹配场处理相比,则降低了对环境参数的依赖,测距稳健性较强,具有良好的应用前景。本文在Sunwoong Lee和Nicholas C.makris阵不变量研究的基础上对阵不变量声源测距做了进一步研究发展,主要成果有: 一、给出了阵不变量的一种简明物理解释。本文从简正波到达时间和俯仰角这两个描述波导多模传播和单模频散的参数出发,给出了一种不同于原始文献的阵不变量简明理论推导,清晰的阐述了阵不变量的核心物理意义。阵不变量实质为信号在平均声速c条件下从声源-接收器的的绝对传播时间。阵不变量的提取是被动测距的关键,它可通过提取信号到达时间对应的简正波俯仰角余割值进行计算。二、提出了广义阵不变量的概念。阵不变量适用于水体均匀的情形,对于水体声速剖面变化时,阵不变量也并不是一个绝对不变的量,而是随着简正波号数和声源频率的不同而略有差异。在广义阵不变量的基础上,对阵不变量方法测距进行了推广发展,在水体声速剖面比较复杂或已知的情况下,通过修正广义阵不变量为常数,能够提高声源测距的精度。三、建立了广义阵不变量和广义波导不变量的内在联系。两者均是波导频散特性的反映,可通过简正波俯仰角联系起来,广义阵不变量是不同频率不同号简正波到达时间差和对应俯仰角余割值差的比值,而广义波导不变量可表示为不同频率的两号简正波俯仰角正弦值的乘积,给出了一个直观理解或反演估计波导不变量的简明公式。本文讨论的阵不变量测距主要是基于远距离声波主要在水体里传播的事实,主要考虑水体声速剖面对声传播的影响,对海底研究的较少。在利用阵不变量原理实现声源测距的技术手段上,主要考虑了利用水平阵和垂直阵常规波束形成实时提取简正波俯仰角的方法,并给出了数值仿真实例。
【图文】：

时-频分析,发射信号,接收信号,亮线

应会导致信号畸变，在时域上，一个发射脉冲信号，，经过较远距离的传播，会发生明显的拖散。拖散的主要原因是信号中不同的模态和不同的频率成分群速度不同。图1-3是利用小波变换对图1-2发射信号与接收信号所作的时频分析，从左图可以看到，脉冲信号的所有成分均在0时刻同时发射，而15.1km处的接收信号在时频域上实现了分离，出现了多条倾斜的亮线（区别于发射信号只有一条亮线），每一条亮线代表一号简正波，而亮线的倾斜代表此号简正波的不同频率成分。

接收信号,声源,简正波

图 1- 3 发射信号与接收信号的时-频分析比较多模、频散导致的信号畸变程度与声源-接收器的距离有密切的关系，通常传播距离越远，时域拖散畸变越严重。如图1-4所示，其左右两图分别是上述脉冲发射信号在距离声源9.1公里和18.1公里处接收信号的时频分析图。从图中可以发现，随着距离的增加（距离声源从9.1公里到18.1公里），信号的总长度从0.5秒左右拖长到约1秒，两条亮纹之间的距离拉长（实际对应两号简正波之间的到达时间间隔变长），亮线更加倾斜（对应同一号简正波不同频率成分的到达时间差变大）。Reduced time (s) t-[r/c]frquenceyTime-frequency distribution of the signal at r=9.1km0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11001201401601802000.20.40.60.811.21.41.61.82x 10-6Reduced time (s) t-[r/c]frquenceyTime-frequency distribution of the signal at r=18.1km0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11001201401601802002468101214x 10-7图 1- 4 不同接收距离的接收信号比较
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P733.2

【参考文献】