水聲脈沖信號被動定位技術(shù)研究.pdf

1、在水聲定位技術(shù)中，聲吶被動定位技術(shù)一直是聲吶技術(shù)發(fā)展的重要研究方向之一。當前，對于水下被動定位技術(shù)的研究多圍繞艦船輻射噪聲而展開工作，很少有針對主動聲吶所發(fā)出的水聲脈沖信號在被動方式下的定位。本論文圍繞對水聲脈沖信號的被動定位問題而展開工作，主要針對傳統(tǒng)垂直陣列不便于布放的缺點，開展了利用單水聽器和雙水聽器進行水聲脈沖信號被動定位的方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、鸥鶕?jù)不同頻率脈沖的特點，針對高頻脈沖信號，詳細推導(dǎo)了基于到達時間差

2、(TDOA)的單水昕器定位算法，并對算法的定位性能進行了理論分析和仿真評估;同時對各種不同測量誤差情形下的定位性能進行了討論。并通過實際的海試數(shù)據(jù)對基于TDOA的單水聽器定位方法在實際中的可行性進行了驗證。
　?、漆槍Φ皖l脈沖信號，研究了利用脈沖信號本身的頻散特征進行單水聽器定位的方法。分析了低頻水聲脈沖信號所具有的頻散特征，依據(jù)各傳播模式所蘊含的時頻關(guān)系，研究了利用時頻分析進行模式特征提取的方法。為提高時頻分辨率，引入了具有高時

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

4、反映出信號本身的頻散特征，使得各模式在時頻域更加容易辨識和分離，提高了對于模式特征提取的準確性。
　?、轻槍Πl(fā)射信號波形在未知條件下的單水聽器匹配場定位問題進行了系統(tǒng)的研究，提出了一種基于頻域解卷積的分數(shù)階范數(shù)的單水聽器定位算法。該算法通過頻域解卷積的方式來獲得搜索區(qū)域上各網(wǎng)格點上發(fā)射信號的估計值，可實現(xiàn)在發(fā)射信號波形未知的情形下產(chǎn)生出匹配場運算所需的拷貝場信號，且使計算量有了一定的下降，并通過對各網(wǎng)格點上經(jīng)解卷積之后獲得的信號執(zhí)

5、行具有分數(shù)階范數(shù)的約束形式，能夠使定位函數(shù)對旁瓣有更多的抑制，提高了定位輸出的準確性，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。所提算法無需已知發(fā)射信號的波形，對信號頻率參數(shù)的估計精度要求較為寬容，同時提高了對于窄帶脈沖信號的定位能力。為了提高對時域長脈沖信號的定位性能，所提算法對解卷積之后的信號進行了脈沖壓縮處理的方法，減小了其在時域上的持續(xù)范圍，提高了定位輸出的分辨率，極大地改善了對長脈沖信號的定位性能。通過采用數(shù)

6、值仿真的方法對各種不同參數(shù)條件下定位算法的性能進行了相應(yīng)的評估與驗證，并借助實際的海試數(shù)據(jù)對所提算法在實際中的性能進行了驗證。
　?、仍谕ㄟ^利用單水聽器對脈沖信號進行定位的基礎(chǔ)上，論文研究了在雙水聽器條件下對目標實施匹配場定位的問題，主要針對波形未知的發(fā)射脈沖信號，發(fā)展了關(guān)于最小二乘方法在雙水聽器條件下的應(yīng)用，從時域和頻域兩個方面入手，分別提出了基于雙水聽器的時域互相關(guān)的匹配場處理器和頻域最小二乘法的匹配場處理器，對它們各自的定位

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