艦船尾流多波束聲納成像技術(shù)研究.pdf

1、艦船尾流聲學(xué)特性研究不僅在艦船消隱、尾流自導(dǎo)魚雷等軍事領(lǐng)域需求迫切，而且在港口河道岸基沖刷、施工安全等民用領(lǐng)域的作用也日益突出。艦船尾流特性研究日益受到各科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域的重視。
　　結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢，本文圍繞艦船尾流聲反向散射強(qiáng)度和空間分布特性的多波束聲納探測關(guān)鍵技術(shù)，分別針對尾流聲散射特性及其多波束回波模型、多波束尾流成像信號預(yù)處理、基于分布源參數(shù)估計(jì)的尾流探測方法、艦船尾流多波束成像和特征提取、艦

2、船尾流成像試驗(yàn)研究等方面開展研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，艦船尾流聲散射特性是利用多波束聲納測量尾流空間分布的理論基礎(chǔ)，為建立尾流的多波束聲納回波模型，從艦船尾流的聲散射特性出發(fā)，量化分析了氣泡分布與聲散射強(qiáng)度的關(guān)系。簡單的回波模型不能模擬尾流形狀和空間分布，難以滿足多波束聲納回波建模的要求，論文綜合考慮單個氣泡的轉(zhuǎn)移函數(shù)、信道的轉(zhuǎn)移函數(shù)和尾流氣泡密度分布函數(shù)，對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)進(jìn)行了建模。在已知發(fā)射信號波形的基礎(chǔ)上，建立多波

3、束聲納尾流聲散射回波信號模型，并對模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明模型具有仿真尾流形狀和空間分布特征的能力。
　　第二，為獲得高質(zhì)量的尾流圖像，圍繞多波束尾流成像信號預(yù)處理展開兩方面研究工作。一方面，為了給尾流成像提供尾流位置信息，提出采用改進(jìn)多子陣幅相聯(lián)合尾流檢測法對回波TOA-DOA進(jìn)行估計(jì)，并將得到的多子陣幅度均值用于后續(xù)成像數(shù)據(jù)計(jì)算中；另一方面，為提高外側(cè)波束的尾流成像質(zhì)量，論文提出采用可變帶寬濾波算法，有針對性的提高各波束回

4、波的信噪比。最后，利用湖上試驗(yàn)數(shù)據(jù)對以上方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　第三，針對點(diǎn)源假設(shè)的方位估計(jì)算法對具有分布源特性的艦船尾流進(jìn)行處理時算法性能嚴(yán)重下降的問題，提出采用基于空間平滑的廣義MUSIC相干分布源參數(shù)估計(jì)方法對多波束聲納回波進(jìn)行估計(jì)。通過仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證了該方法對尾流的中心回波到達(dá)角度和角度擴(kuò)散參數(shù)估計(jì)具有有效性。
　　第四，研究艦船尾流多波束成像與特征提取方法。為了反映尾流的空間分布特性，以體積散射強(qiáng)度作為成像數(shù)

5、據(jù)，并用改進(jìn)多子陣幅相聯(lián)合檢測法的幅度信息計(jì)算散射強(qiáng)度，通過多子陣幅度均值處理達(dá)到降低圖像噪聲，改善成像質(zhì)量的目的，從而獲得能夠直觀反映艦船尾流空間分布的多波束聲納圖像。在此基礎(chǔ)上，討論了提取尾流空間分布尺度特征的尾流圖像邊緣檢測方法，并用湖上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　最后，針對艦船尾流空間分布和時變性測量的技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)行艦船尾流測量實(shí)施方案研究。在艦船勻速直線行駛條件下，將多波束聲納測量扇面垂直于艦船航向，利用單次測量獲得垂直于

6、艦船航跡的典型尾流截面圖像。隨著多波束聲納的持續(xù)測量，尾流截面的變化反映了尾流的空時分布，并進(jìn)一步將尾流截面空時分布等效為尾流的空間三維分布。針對以上測量實(shí)施方案，采用水下沉底定點(diǎn)上視測量和船載懸掛水平側(cè)視測量兩種不同的多波束聲納布放形式，進(jìn)行了兩次湖上試驗(yàn)，采集了大量典型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對尾流成像方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，分析和對比了兩種布放形式的優(yōu)缺點(diǎn)，證明了在多波束聲納的探測距離范圍內(nèi)，為了獲得較高的測量精度，截取垂直航跡