淺海矢量聲場及其信號處理.pdf

1、水聲物理、信號處理和海洋環(huán)境的緊密結(jié)合是聲納技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。淺海低頻聲納是近代聲納發(fā)展的方向，水聲探測的頻段越來越低，矢量傳感器的作用得到重視。在此背景下，本文對淺海矢量聲場及其信號處理作了研究。全文的主要研究內(nèi)容有以下5項，前2項為垂直聲強信息的研究，后3項為水平聲強信息的研究：
　　 (1)探討了Pekeris波導(dǎo)中聲壓場和質(zhì)點振速場的聯(lián)合描述，尤其關(guān)注垂直聲強流的分析。研究表明，由于各階簡正波的干涉作用，水平和垂直聲強

2、流均既有有功分量，亦有無功分量。低頻聲場的垂直聲強流的無功分量雖不參與聲能的輸運，當單個聲矢量傳感器適當放置后卻可用以判斷聲源的特定深度。這對于矢量信號處理是有意義的。給出了聲壓和質(zhì)點振速聯(lián)合互譜處理進行目標深度判別的算法。
　　 (2)進一步地研究了更為廣泛的淺海波導(dǎo)中的垂直聲強流。結(jié)果表明，所提出的利用垂直聲強流無功分量判斷目標的特定深度這一原理對不同淺海環(huán)境是可以適用的。近似的理論分析為傳感器布放深度提供了指導(dǎo)，指出了所研

3、究條件下垂直聲強流的有功分量的符號分布與傳感器布放深度無關(guān)。
　　 應(yīng)用矢量聲場的互易原理對不同淺海環(huán)境的矢量聲場主要是垂直聲強流無功分量進行了計算。在近距離處聲場表現(xiàn)出近場特性，稍遠距離處垂直聲強流的符號即表現(xiàn)出規(guī)律性；海洋聲速剖面對所提出原理的適用性影響不大；在規(guī)定作用距離后，海底吸收存在時對原理的應(yīng)用不構(gòu)成障礙，在一定程度上反倒有利；不同頻率的聲場的干涉圖案有細微差別，但是傳感器的布放位置可以是固定的，換言之，單個矢量傳感

4、器即可工作于較寬的頻段。導(dǎo)出了傳感器布放深度公式。這些結(jié)論以及所提出的原理是有條件的：波導(dǎo)中只存在2階波導(dǎo)簡正波。這在甚低頻才可以做到，而近代聲納的工作頻段的發(fā)展趨勢正是如此。
　　 (3)針對矢量陣高分辨算法的運算量大的特點，嘗試將聲壓陣中行之有效的減小計算量的方法推廣到矢量陣中。
　　 提出了廣義轉(zhuǎn)換矩陣，使得矢量酉MUSIC算法得以成立。由于該算法利用了觀測數(shù)據(jù)的復(fù)共軛數(shù)據(jù)，使得特征分解可以在實數(shù)域進行，不但減小了

5、運算量而且提高了方位估計性能。將傳播算子算法推廣到寬帶矢量陣處理中，由于不需要進行自相關(guān)矩陣的特征分解，該算法運算快速。仿真和實驗數(shù)據(jù)處理表明所提出的算法是有效的。
　　 (4)聲矢量傳感器能夠同時拾取空間同一點的聲壓振速信息，可以進行聲場聲強測量。據(jù)此提出了陣列聲強器的概念。即當聲矢量傳感器成陣時，在波束域進行聲強處理，以獲得目標的方位信息。當空間高度欠采樣時，矢量陣將產(chǎn)生柵瓣模糊，利用陣列聲強器獲得的方位信息可以抑制稀疏陣的

6、柵瓣模糊，使得矢量陣在不增加陣元個數(shù)的前提下增大了陣列孔徑，從而提高了方位分辨力。對陣列聲強器去模糊性能進行了理論分析，仿真結(jié)果表明了所提算法的有效性。
　　 (5)對聲壓和振速信息進行聯(lián)合處理的思想在目標方位估計中已有成熟應(yīng)用，在時頻參數(shù)估計中進行聯(lián)合處理尚不多見，本文提出了以聲壓振速互協(xié)方差矩陣為基礎(chǔ)的ESPRIT頻率估計算法，在不損失估計性能的前提下，計算量減小為現(xiàn)有算法的1/27。給出了所用模型的克拉美勞下限。仿真結(jié)果表