基于混響場(chǎng)空間特性的抗混響方法研究.pdf

1、海底界面混響是限制淺海環(huán)境下主動(dòng)聲納系統(tǒng)探測(cè)性能的一個(gè)重要因素。與噪聲干擾不同，混響伴隨著主動(dòng)聲納發(fā)射信號(hào)而產(chǎn)生，具有非平穩(wěn)的統(tǒng)計(jì)特性，并且多數(shù)情況下與目標(biāo)回波混為一體，難以區(qū)分。因而如何找到有效的方法來抑制混響，提升接收信號(hào)的信混比成為許多學(xué)者的關(guān)注的課題。本文從海底混響的數(shù)值模擬方法入手，研究海底混響場(chǎng)的空間特性，利用混響信號(hào)的空間相關(guān)特性，提出了提高信混比的信號(hào)處理方法，實(shí)現(xiàn)混響背景下檢測(cè)目標(biāo)回波信號(hào)的目的。
　　海底混響的

2、數(shù)值模擬是理論分析混響特性的基礎(chǔ)?；祉懶盘?hào)的單元散射模型可用于模擬研究混響信號(hào)的空間特性。經(jīng)典的單元散射模型一般取海底散射系數(shù)的空間相關(guān)半徑為尺度，均勻劃分散射單元，散射單元的復(fù)散射系數(shù)的相位在0-2π均勻分布，散射單元的復(fù)散射系數(shù)的幅值服從高斯分布。本文對(duì)經(jīng)典的單元散射模型做了如下改進(jìn)：考慮海底性質(zhì)的隨機(jī)非均勻性，采用隨機(jī)非均勻劃分散射單元；考慮海底隨機(jī)起伏高度相對(duì)聲波波長(zhǎng)的有限，取散射單元的復(fù)散射系數(shù)的相位在有限范圍內(nèi)均勻分布；考慮

3、海底散射系數(shù)幅值的空間連續(xù)性和隨機(jī)性，借用海浪高度譜的概念，生成隨機(jī)的空間連續(xù)分布的散射單元復(fù)散射系數(shù)幅值。
　　通過對(duì)不同空間位置的海底混響信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析可以得到混響信號(hào)的空間相關(guān)系數(shù)和空間相關(guān)半徑。不同環(huán)境參數(shù)下模擬的海底混響信號(hào)相關(guān)分析表明：海底起伏較大時(shí)，海底混響的空間相關(guān)系數(shù)較小，因此對(duì)應(yīng)的空間相關(guān)半徑也較小。隨著海底起伏的減小，混響的空間相關(guān)系數(shù)逐漸增大，空間相關(guān)半徑也逐漸增大。在實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行了細(xì)砂、粗砂和石頭三種

4、界面的混響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也證明了這一結(jié)論。
　　‘瞬時(shí)頻率’是信號(hào)在某一時(shí)刻的相位函數(shù)對(duì)時(shí)間變量的導(dǎo)數(shù)，描述了該時(shí)刻信號(hào)的時(shí)間變化特性。類比這一概念，定義：波場(chǎng)在某一位置的相位函數(shù)對(duì)空間變量的導(dǎo)數(shù)，為波場(chǎng)的‘本地波矢量’，用以描述該位置聲場(chǎng)的空間傳播特性。通過對(duì)聲場(chǎng)的本地波矢量分析可以得到：行波場(chǎng)的本地波矢量指向行波的傳播方向，其模值為一常數(shù)，而混響場(chǎng)的本地波矢量則沒有固定的傳播方向，模值并不恒定。利用本地波矢量的這一特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲

5、場(chǎng)中有無行波場(chǎng)的判決。如果對(duì)本地波矢量時(shí)間序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到本地波矢量方差序列，可以在時(shí)域?qū)δ繕?biāo)回波的有無進(jìn)行判決，構(gòu)成本地波矢量方差檢測(cè)器。仿真分析表明：本地波矢量方差檢測(cè)器的檢測(cè)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的最大似然檢測(cè)器——正交接收機(jī)。對(duì)水池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：通過計(jì)算本地波矢量可以有效判斷聲場(chǎng)中有無行波場(chǎng)的存在；使用本地波矢量方差檢測(cè)器，可以在強(qiáng)混響條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)。
　　對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)和界面混響信號(hào)的理論分析和數(shù)值

6、模擬以及水池實(shí)驗(yàn)表明：目標(biāo)回波信號(hào)的空間相關(guān)半徑大于混響信號(hào)的空間相關(guān)半徑，尤其在目標(biāo)回波波向量的垂直方向上?！_重復(fù)脈沖迭加法’利用目標(biāo)回波信號(hào)和混響信號(hào)這個(gè)空間特性的差別實(shí)現(xiàn)提高目標(biāo)回波信混比：發(fā)射器向目標(biāo)多次重復(fù)發(fā)射探測(cè)脈沖，同時(shí)將接收水聽器空間位置微擾動(dòng)；擾動(dòng)幅度小于目標(biāo)回波信號(hào)的相關(guān)半徑，大于混響信號(hào)的相關(guān)半徑，使得每次位置擾動(dòng)后接收的回波信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)為較大正數(shù)，而混響信號(hào)相關(guān)系數(shù)較小且符號(hào)不定；將多次擾動(dòng)的接收信號(hào)進(jìn)