【摘要】：匹配場處理(Matched-Field Processing,MFP)技術是近年來國內(nèi)外水聲領域十分關注的一項水聲陣列信號處理技術,是聲場建模理論與陣列信號處理技術相結合的新的研究領域,在目標檢測、被動定位、海洋聲學參數(shù)反演等方面的應用得到了廣泛的關注。矢量水聽器作為20世紀晚期出現(xiàn)的一種新型水下聲傳感器,可以同步共點地獲取聲場的標量和矢量信息,增加了探測信息的種類和數(shù)量,改善了水聲系統(tǒng)的性能。同時它又具有良好的低頻指向性、抑制各項同性噪聲、抗左右舷模糊等諸多優(yōu)點,為解決水聲工程中的許多問題提供了新的思路和方法。本文針對矢量聲場的匹配場聲源定位展開研究,分析了基于聲壓量和聲壓振速組合量的多種寬帶匹配場處理器的定位性能,并對不同匹配量下的寬帶相干、非相干處理線性匹配場處理器和自適應匹配場處理器的性能進行對比研究。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:1、闡述了經(jīng)典水聲傳播模型的理論方法,比較了聲場計算模型的性能特點;針對淺海、低頻、遠場聲探測問題,選定簡正波模型進行聲場計算;深入探討了簡正波模型在矢量聲場的計算問題,推導了海洋矢量聲場中的簡正波計算表達式,為基于矢量陣的匹配場聲源定位研究打下理論基礎。2、比較了聲壓場下各種匹配場處理器的性能;將質(zhì)點振速引入線性匹配場處理器和自適應最小方差匹配場處理器,建立了矢量匹配場處理器;并將其拓展到寬帶信號處理上,建立了寬帶相干和非相干的矢量匹配場處理器。相對于聲壓場匹配場處理器,矢量匹配場處理器能夠更好的抑制旁瓣干擾,提高目標定位準確概率。3、研究了信噪比對矢量匹配場處理器定位性能的影響,結果表明:寬帶相干處理的定位性能優(yōu)于寬帶非相干處理,能夠更好的抑制旁瓣干擾;采用聲壓與水平振速組合量作為匹配量時,匹配器具有更優(yōu)的定位性能,能夠更好的抑制背景噪聲。研究了陣元個數(shù)對匹配場處理器定位性能的影響,結果表明在相同陣元個數(shù)條件下,矢量陣能夠獲得更好的定位性能。4、環(huán)境失配會對匹配場定位精度產(chǎn)生重要影響,仿真分析了聲速剖面失配和海底參數(shù)失配兩種失配條件下,矢量匹配場處理器的定位性能,結果表明,基于聲壓與水平振速組合量的相干Bartlett處理器對環(huán)境參數(shù)的失配具有最大的寬容性,具有更高的應用價值。5、通過海試數(shù)據(jù)和湖試數(shù)據(jù)的處理驗證了矢量匹配場處理器的性能特點。
[Abstract]:Matching field processing (Matched-Field Processing,MFP) is a kind of underwater acoustic array signal processing technology which has been paid close attention to in recent years. It is a new research field which combines acoustic field modeling theory with array signal processing technology. It is used in target detection. Passive positioning, ocean acoustic parameter inversion and other applications have been widely concerned. As a new type of underwater acoustic sensor in the late 20th century, vector hydrophone can synchronously acquire scalar and vector information of sound field, increase the type and quantity of detection information, and improve the performance of underwater acoustic system. At the same time, it has many advantages, such as good low frequency directivity, suppressing the same-sex noise, resisting the indistinct port and starboard, and so on. It provides new ideas and methods for solving many problems in underwater acoustic engineering. In this paper, the location performance of various wideband matched field processors based on the combination of sound pressure and sound pressure velocity is analyzed, and the wideband coherence under different matching quantities is analyzed. The performance of incoherent processing linear matched field processor and adaptive matching field processor are compared. The main contents and innovations of this paper are as follows: 1. The theoretical method of classical underwater acoustic propagation model is expounded, and the characteristics of acoustic field calculation model are compared. Aiming at the problem of shallow water, low frequency and far field acoustic detection, the normal wave model is selected to calculate the sound field. In this paper, the calculation problem of normal wave model in vector sound field is deeply discussed, and the expression of normal wave calculation in ocean vector sound field is deduced, which lays a theoretical foundation for the research of sound source location in matched field based on vector matrix. The performance of various matched field processors under sound pressure field is compared. The particle vibration velocity is introduced into the linear matched field processor and the adaptive minimum variance matching field processor, and the vector matching field processor is established, and the wideband coherent and incoherent vector matching field processor is established by extending the vector matching field processor to wideband signal processing. Compared with acoustic pressure field processor, vector matched field processor can suppress sidelobe interference better and improve the accurate probability of target location. 3. The influence of SNR on location performance of vector matched field processor is studied. The results show that the location performance of wideband coherent processing is better than that of wideband incoherent processing, and the sidelobe interference can be suppressed better. When the combination of sound pressure and horizontal vibration velocity is used as matching quantity, the matching instrument has better positioning performance and can suppress background noise better. The effect of the number of array elements on the location performance of the matched field processor is studied. The results show that the vector array can obtain better positioning performance under the same number of array elements. 4. The environment mismatch will have an important effect on the location accuracy of the matching field. The localization performance of vector matching field processor under two mismatch conditions, sound profile mismatch and undersea parameter mismatch, is simulated and analyzed. The results show that, The coherent Bartlett processor based on the combination of sound pressure and horizontal vibration velocity has the greatest tolerance for the mismatch of environmental parameters and has higher application value. The performance of vector matching field processor is verified by processing sea trial data and lake test data.
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB566

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本文編號：2400456