發(fā)布時(shí)間：2020-04-19 06:22

【摘要】：潛艇安靜化發(fā)展勢頭迅速,迫使聲吶基陣在工作頻段、作用距離、抗干擾能力等方面尋求突破。傳統(tǒng)聲吶基陣通常按照半波長布陣原則設(shè)計(jì),其陣列孔徑與角度分辨力之間相互制約,用于低頻工作的聲吶陣列動輒數(shù)百米上千米,使用不便,制作與維護(hù)成本也大幅提高。矢量傳感器能夠在空間單點(diǎn)處獲得與頻率無關(guān)的指向性增益,方便向低頻段擴(kuò)展以提升作用距離。然而目前在絕大多數(shù)的聲矢量陣設(shè)計(jì)中,只是將傳統(tǒng)的聲壓陣作了簡單擴(kuò)展,所得波束性能仍然受制于陣列孔徑,未能充分發(fā)揮矢量傳感器在低頻段的性能優(yōu)勢。為了解決聲吶基陣低頻遠(yuǎn)距離探測性能與陣列孔徑之間的矛盾,本文提出了一種小尺寸矢量陣的設(shè)計(jì)方法,并針對其實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。文章從多極子理論出發(fā),利用差分原理設(shè)計(jì)小尺寸矢量陣,因而能利用很小的空間尺寸,獲得與頻率無關(guān)的高階波束,在充分發(fā)揮矢量傳感器性能的同時(shí)解決陣列孔徑對基陣性能的限制。小尺寸基陣性能優(yōu)異但實(shí)現(xiàn)困難。當(dāng)基陣安裝在工作平臺或載體上時(shí),基陣周邊的這些結(jié)構(gòu)體將作為聲散射體對接收信號產(chǎn)生畸變,導(dǎo)致算法失效;同時(shí),小尺寸基陣對陣列誤差敏感,基陣性能受基元不一致性影響嚴(yán)重,且在有限空間低頻校準(zhǔn)又有其特殊困難。針對這些關(guān)鍵問題,本文提出了小尺寸矢量陣系統(tǒng)的低頻校準(zhǔn)方法,保證了小尺寸基陣性能的充分發(fā)揮。所研究成果突破了其工程實(shí)現(xiàn)難點(diǎn),并為本類型基陣在水聲領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了成功案例。具體研究內(nèi)容分為如下幾個部分:(1)小尺寸基陣布陣?yán)碚撆c性能分析的研究根據(jù)多極子布陣?yán)碚?建立了基于多極子概念的小尺寸矢量陣波束形成算法,推導(dǎo)了各多極子組合方式的加權(quán)系數(shù)表達(dá)式。矢量傳感器的應(yīng)用,可以從而理論上減小高階運(yùn)算誤差;或者以相同個數(shù)的矢量基元構(gòu)建更高階的多極子形式。通過對波束圖、陣列增益和陣列穩(wěn)健性的建模與仿真分析,探討了基陣參數(shù)的選取原則,給出了合適的參數(shù)選取范圍。所設(shè)計(jì)基陣的基元之間排列緊密,因此能夠在獲得與傳統(tǒng)陣列相同指向性增益的同時(shí)節(jié)省90%以上的陣列尺寸,突破了陣列孔徑與基陣性能之間的限制。為了評估典型環(huán)境下的基陣性能,采用簡正波模型對陣列信號進(jìn)行模擬,并由此分析了淺海波導(dǎo)引起的聲信號畸變特征。結(jié)果表明,由于基陣尺寸很小,各基元受波導(dǎo)影響情況基本相同,因而對成陣技術(shù)影響很小,即本文所設(shè)計(jì)基陣具有很高的環(huán)境適應(yīng)性,同時(shí),可將所研究基陣看做一個整體進(jìn)行系統(tǒng)分析。為了分析陣列誤差對基陣性能的影響,建模了幅相誤差下的多極子波束形成算法,分析了幅度和相位誤差量對波束圖的可能影響,并為后期的基陣校準(zhǔn)精度提供參考。(2)結(jié)構(gòu)體散射影響下的低頻聲場建模與相應(yīng)的基陣系統(tǒng)校準(zhǔn)方法結(jié)構(gòu)體形狀不同,引起的聲場畸變特性也不相同。文中針對典型的聲吶平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,分別討論了球殼形、圓板形和兩者共同作用時(shí)的聲場畸變特征。針對具有解析解的球殼形結(jié)構(gòu),利用分離變量法對其周圍聲場進(jìn)行建模;針對薄圓板,利用Kirchhoff積分公式進(jìn)行散射場的近似求解;而針對球殼形散射體和薄圓板共同存在的情況,則利用有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明,在低頻小掠射角情況下,不同柱對稱結(jié)構(gòu)體造成的聲場畸變具有相同特征,并由此建模了任意柱對稱散射體周圍的接收矢量場模型,解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)體周圍散射場的表征問題。利用最優(yōu)擬合的思想,通過基陣實(shí)際波束輸出與期望波束輸出間的合理擬合,提出了散射體周圍小尺寸矢量陣的波束形成算法。過程中針對矢量通道信號的特征進(jìn)行了算法可行性討論。最后提出利用測量與校準(zhǔn)相結(jié)合的形式,將小尺寸基陣看作一個高階傳感器,并將其輸出的高階指向性圖和指向性增益作為校準(zhǔn)依據(jù)。由此,可實(shí)現(xiàn)小尺寸基陣的整體校準(zhǔn)工作。算法分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提方法不但能解決平臺下小尺寸矢量陣的應(yīng)用問題,還能提升基陣的穩(wěn)健性能。(3)水池等有限空間環(huán)境下的小尺寸基陣低頻校準(zhǔn)算法。大多情況下,基陣校準(zhǔn)需要在不具備遠(yuǎn)場條件的室內(nèi)水池環(huán)境中進(jìn)行。文中考慮到有限空間測量條件的限制,提出了水池空間中的基陣低頻校準(zhǔn)方法。引入暫態(tài)段信號測試技術(shù),從傳感器物理機(jī)理出發(fā)建模了暫態(tài)段信號的特征,并分析了可行性,突破了水池的低頻工作下限。而為了補(bǔ)償暫態(tài)近場校準(zhǔn)中基元的偏心旋轉(zhuǎn)效應(yīng),重新建模了水池中的理論陣列流形矢量,指出了其與常規(guī)陣列流形間的本質(zhì)區(qū)別。最后提出了水池環(huán)境下基元不一致性誤差的校準(zhǔn)方法,在充分考慮小尺寸矢量陣特點(diǎn)的同時(shí)克服了測試空間的影響,使水池條件下的基陣低頻校準(zhǔn)問題成為可能。(4)進(jìn)行了成品系統(tǒng)的外場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作利用所制作的五元小尺寸矢量陣進(jìn)行了功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),分別從目標(biāo)檢測、定向,以及陣處理增益幾個方面進(jìn)行展示,以說明文中所提波束形成算法及低頻校準(zhǔn)技術(shù)的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的小尺寸基陣?yán)每讖讲淮笥?m的小型基陣,穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)水下低頻遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測與定向,突破了水聲領(lǐng)域低頻聲探測的瑞利限,為聲吶基陣設(shè)計(jì)提供了新思路。
【圖文】：

圖 2.1 小尺寸矢量陣幾何示意圖he schematic diagram of finite size vector se波從 方向入射至該基陣，參考基元的聲 號(m=0,1,…,8)基元接收的聲壓和水平質(zhì)點(diǎn)(,)exp[(cossin)]0pghpikg h m (,)cosexp[(cossin0vghpV ikg h mx (,)sinexp[(cossin0vghpV ikg h my 速分量的幅度常數(shù)，可由尤拉方程[97]計(jì)算坐標(biāo)表示如下：(,)exp[]mmg h ri (,)exp[cos()]mmm0 mmp r pikr (,)cosexp[cos()mxmm0 mmv r pV ikr (,)sinexp[cos()v r pV ikr

極子組合方式。圖中，+、-號表示兩傳感器加權(quán)值的正負(fù)；藍(lán)色虛線加權(quán)、點(diǎn)線表示 4 倍加權(quán)Different combinations of multi-poles. The ‘+’and ‘-’symbols represent a seitive or negative weight, respectively; the dashed blue curve means twice timcoefficient, the dotted red curve means four times of it個幅度相同、相位相反的偶極子可以組成一個四極子，組合方式如圖2.2(g)所示。 2 307022_(0,)2(0,0)(0,)sin()1pdppdpFkMpss 2 105022_(,0)2(0,0)(,0)cos()1pdppdpFkMpcc
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U674.76

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8 劉R，

本文編號：2633028