海洋聲源信息獲取與傳輸技術(shù)研究.pdf

1、本文的海洋聲源信息包括運(yùn)動(dòng)聲源(如艦船、潛艇、無人航行器等)信息和海洋環(huán)境噪聲信息。這些信息是研究各種水中探測與通信技術(shù)乃至研究海洋氣候與海洋生態(tài)環(huán)境的重要理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的依據(jù)。 本文研究關(guān)于在小尺度平臺(tái)上進(jìn)行海洋聲源信息的獲取與傳輸?shù)募夹g(shù)。小尺度平臺(tái)，包括錨系平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由于適合大時(shí)空跨度的數(shù)據(jù)測量，近年來引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。在小尺度平臺(tái)上獲取并傳輸聲源信息，其難點(diǎn)是在復(fù)雜的海洋環(huán)境噪聲背景中對運(yùn)動(dòng)聲源的低頻信號(hào)檢

2、測、方位估計(jì)以及高速水聲數(shù)據(jù)傳輸。這三個(gè)難點(diǎn)也是本文研究的海洋聲源信息獲取與傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。 本文研究內(nèi)容主要包括艦船噪聲與海洋環(huán)境噪聲特性，強(qiáng)噪聲背景下微弱信號(hào)的預(yù)警檢測，聲強(qiáng)向量檢測，基于聲強(qiáng)向量陣的目標(biāo)定向定位與尺度估計(jì)，海洋聲信道特性與信道多徑時(shí)延估計(jì)，通信信道的稀疏均衡與分?jǐn)?shù)間隔均衡，信道的盲均衡等。本文研究涉及的理論基礎(chǔ)包括信號(hào)檢測與參數(shù)估計(jì)、聲強(qiáng)向量理論、自適應(yīng)信號(hào)處理、陣列及通信信號(hào)處理等。 本文主要研究

3、工作的新進(jìn)展與創(chuàng)新點(diǎn)包括： 1．提出了一種任意空間分布任意陣形噪聲場的數(shù)值模擬方法，用于本文基陣設(shè)計(jì)及檢測定位方法的計(jì)算機(jī)仿真，也可用于一般陣列和聲場的仿真計(jì)算。 2．根據(jù)奈曼－皮爾遜準(zhǔn)則分析了能量(幅度)統(tǒng)計(jì)平均檢測、過零檢測和功率譜檢測等三種預(yù)警檢測技術(shù)的統(tǒng)計(jì)性能，給出了實(shí)測船噪聲的仿真結(jié)果。 3．提出了基于聲強(qiáng)向量陣的檢測和方位估計(jì)方法，以克服常規(guī)陣列處理方法對低頻聲源的檢測定位需要的陣列尺度太大的困難。分

4、析得出了該檢測方法的處理增益，推導(dǎo)了聲強(qiáng)向量的概率密度函數(shù)，得到了聲強(qiáng)向量陣檢測方法的統(tǒng)計(jì)性能，并與基于聲壓的檢測方法作了比較。理論分析與半消聲室實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了聲強(qiáng)向量檢測方法相對于聲壓處理的優(yōu)越性能。基于聲強(qiáng)向量陣的空間指向性，研究了寬帶相干干擾背景下線譜和寬帶連續(xù)譜的檢測方法，給出了理論分析和實(shí)現(xiàn)方案。分析了方向相反的相干干擾互相抵消的原理，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中觀察到了這一現(xiàn)象。 4．研究了三軸四元非典型聲強(qiáng)向量陣對低頻聲源全空

5、間定向的方法，以克服三軸六元典型聲強(qiáng)向量陣在小尺度平臺(tái)上難以布設(shè)的困難。系統(tǒng)地分析了其定向誤差，包括有限差分誤差、通道失配誤差和環(huán)境噪聲引起的隨機(jī)誤差。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真均表明，非典型陣可在0.2m的小尺度平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對低頻聲源的定向，其定向精度在本文仿真及實(shí)驗(yàn)室條件下可達(dá)到l。。 5．提出了聲強(qiáng)向量法和時(shí)延估計(jì)法的基陣共用技術(shù)，用于對體積目標(biāo)三部位定向定位與尺度估計(jì)。理論分析、計(jì)算機(jī)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，共用同一小尺度基陣可同

6、時(shí)實(shí)現(xiàn)對艦船中部、中后部和尾部的定向和區(qū)分，用于估計(jì)目標(biāo)尺度。 6．結(jié)合MODE與帶懲罰函數(shù)的NLS方法，研究了水聲信道高分辨多徑時(shí)延估計(jì)問題。采用混合算法處理了實(shí)測海試數(shù)據(jù)，基于處理結(jié)果重建的接收信號(hào)波形與實(shí)驗(yàn)接收波形吻合較好，從而驗(yàn)證了混合算法的有效性。 7．提出了基于自適應(yīng)延遲濾波器的DSPCC算法，通過極性相關(guān)序貫估計(jì)多徑時(shí)延，對于確定時(shí)延通過自適應(yīng)濾波估計(jì)多徑幅度。仿真結(jié)果表明，DSPCC算法也具有對多徑時(shí)延的

7、高分辨能力，且運(yùn)算量小。最后用該算法處理了海試數(shù)據(jù)，結(jié)果表明它比傳統(tǒng)方法有更好的分辨性能。 8．提出了一種改進(jìn)的DFE均衡器，用于解決長時(shí)延擴(kuò)展稀疏信道的均衡問題。根據(jù)信道沖激響應(yīng)的前達(dá)分量強(qiáng)度，預(yù)測反饋濾波器重要抽頭的位置，只對這一小部分抽頭系數(shù)進(jìn)行迭代運(yùn)算，因而運(yùn)算量顯著減小，收斂速度加快并因而改善了跟蹤信道時(shí)變的能力，但均方誤差性能幾乎沒有損失。 9．提出了一種T/2分?jǐn)?shù)間隔稀疏CFE結(jié)構(gòu)，以避免接收機(jī)對于符號(hào)定時(shí)

8、誤差的敏感性，并有效利用長時(shí)延擴(kuò)展多徑信道的稀疏性來降低均衡器的復(fù)雜度。理論分析與基于實(shí)測信道的計(jì)算機(jī)仿真表明， J2/2-SCFE均衡器對符號(hào)定時(shí)誤差保持了穩(wěn)健性，性能優(yōu)于符號(hào)間隔CFE及分?jǐn)?shù)間隔DFE。 10．提出了一種新的基于常數(shù)模準(zhǔn)則的盲均衡方法ACMA，及ACMA與DFE盲判決反饋的聯(lián)合均衡方法。采用概率統(tǒng)計(jì)和誤差性能表面方法分析了其收斂性能，分析結(jié)果表明ACMA方法優(yōu)于通常的CMA2-2方法。對特征值彌散達(dá)192的三