本文關(guān)鍵詞：深海環(huán)境水聲傳播及聲源定位方法研究

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【摘要】：冷戰(zhàn)結(jié)束之后,國際水聲界的理論和實驗研究偏重于淺海,國內(nèi)水聲界的工作也主要集中在我國周邊近海的大陸架淺海環(huán)境。但在近幾年,隨著西太和南海局勢的發(fā)展,對深海水聲技術(shù)的需求非常迫切。本文結(jié)合課題組參加的多次深海水聲調(diào)查,研究了深海水聲傳播特性,并分析了其形成的物理機(jī)理。同時,從這些特性出發(fā),提出了若干環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的穩(wěn)健被動定位方法,并利用計算機(jī)仿真或海試數(shù)據(jù)驗證。本文主要包括三個研究對象:表面波導(dǎo)、海底反射路徑以及可靠聲路徑,具體研究內(nèi)容包括:1.研究了表面波導(dǎo)中聲傳播的特點,從傳播損失角度,提出了聲吶主動發(fā)射和被動接收時的最優(yōu)深度范圍。為提高近海面聲吶在深海工作時的性能,利用勞埃德鏡原理和簡正波模型分析了表面波導(dǎo)中聲源-接收點的幾何位置對中高頻聲傳播的影響:首先,針對表面波導(dǎo)經(jīng)典截止頻率公式未考慮聲源深度的缺點,提出了一種新的截止頻率計算方法,用于指導(dǎo)聲源的布放深度;再次,針對接收點位置的選擇問題,提出了表面波導(dǎo)低傳播損失層概念,并給出該層厚度的表達(dá)式,用于指導(dǎo)接收點的布放深度;最后,為提高接收陣列在表面波導(dǎo)工作時的輸出信噪比,研究了聲波的波達(dá)角隨聲源深度和聲頻率的變化規(guī)律,并基于簡正波模型揭示了波達(dá)角變化的物理機(jī)理。2.針對深海中近距離目標(biāo)探測存在盲區(qū)的問題,提出利用低頻表面波導(dǎo)能量泄漏探測盲區(qū)的概念。聲頻率在經(jīng)典截止頻率附近或低于經(jīng)典截止頻率時,聲波不會被完全限制在表面波導(dǎo)中傳播,而是在傳播中向表面波導(dǎo)下的聲影區(qū)泄漏能量,從而“照亮”影區(qū)。利用簡正波理論和幾何繞射理論分析了泄漏聲能量的傳播特性。同時,能量泄漏引起了表面波導(dǎo)中能量的快速衰減,衰減系數(shù)與表面波導(dǎo)厚度和聲頻率密切相關(guān)。利用詳細(xì)的仿真分析,擬合了衰減系數(shù)的表達(dá)式,揭示了表面波導(dǎo)厚度和聲頻率在影響衰減時的強(qiáng)耦合作用。3.針對深海目標(biāo)探測定位的盲區(qū)問題,提出利用海底反射信號的到達(dá)結(jié)構(gòu)定位目標(biāo)的方法。不同于傳播的匹配場定位方法,新的定位方法將聲源距離和深度分開估計,估計精度更高,環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。距離估計利用基于波達(dá)角信息的改進(jìn)加權(quán)子空間擬合算法,考慮了陣列傾斜的影響。深度估計利用距離估計的后驗信息,結(jié)合多途時延匹配給出目標(biāo)深度信息。4.為提高深海目標(biāo)探測的信噪比,并實現(xiàn)中近距離無盲區(qū)探測和定位,提出了利用深海可靠聲路徑定位目標(biāo)的方法。首先分析了可靠聲路徑傳播中多途到達(dá)結(jié)構(gòu)隨聲源位置的變化規(guī)律,結(jié)果表明基于多途到達(dá)角的定位方法在該環(huán)境中適用。針對現(xiàn)有方法的復(fù)雜和不精確的多途到達(dá)角估計問題,本文利用改進(jìn)加權(quán)子空間擬合算法實現(xiàn)目標(biāo)定位,既使用了到達(dá)角信息,又無須估計到達(dá)角。5.為簡化可靠聲路徑探測模式的系統(tǒng)配置,提出兩種利用單水聽器實現(xiàn)目標(biāo)位置估計的方法。若利用可靠聲路徑的優(yōu)點,將陣列布放在深海近海底位置,對陣列的技術(shù)要求較高,比較實用的方法是利用單水聽器(或帶有方向性的剛性平面陣)實現(xiàn)目標(biāo)狀態(tài)估計。本文提出利用迭代擴(kuò)展卡爾曼濾波的方法估計寬帶運動目標(biāo)的位置:假設(shè)目標(biāo)沿接收點的徑向方向勻速運動,將目標(biāo)的距離、深度和速度做為目標(biāo)狀態(tài),構(gòu)建狀態(tài)方程;利用射線理論計算任意聲源位置處,直達(dá)波和海面反射波的時延,作為觀測方程;利用自相關(guān)函數(shù)估計直達(dá)波和海面反射波的時延隨時間的變化,將其作為觀測值。在可靠聲路徑中,單水聽器定位還可以通過挖掘聲場的干涉特征實現(xiàn)。當(dāng)位于臨界深度以下的水聽器接收中距離聲源發(fā)出的寬帶信號時,將接收信號的頻譜隨聲源距離的變化畫成偽彩圖,可以觀察到明暗相間的條紋,本文定義為可靠聲路徑條紋。研究了該條紋形成的物理機(jī)理,使用簡正波的射線描述方法對其進(jìn)行建模,得到定量計算條紋頻率-距離二維分布的方法。利用該條紋的二維分布與聲源深度密切相關(guān)的特性,提出了兩種分別適用于確定性環(huán)境和起伏環(huán)境情況的聲源深度分類方法。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB56

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本文編號：1292428