（水声工程专业论文）水声声图测量技术研究.pdf

， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： 4o is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fo e n g t h es t u d yo fl e r w a t e ra c o u s t i ci m a g e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y c a n d i d a t e ： m e ij i d a n s u p e r v is o r ：p r o f h u ij u n y i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：u n d e r w a t e ra c o u s t i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ： a p r i l ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a y ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 弋-， ， j 砖叫0 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担已1 作者( 签字) ：鹊心 日期：伽f 1 7 年斗月形日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 财在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：拖勰导师( 签字) ：l 易参荚 日期：7 , 0 0年斗月g 日形夕年绢g 日 ，4 文， j 水声声图测量技术研究 摘要 声图是一种特殊的被动声成像方式，可以给出噪声源的空间分布。最早 应用于空气声学，在对轨道列车噪声分布测量、大型发动机内部噪声测量等 方面已取得了良好的效果，并成功的指导了这些大型机器设备的减振降噪。 水声中的舰艇目标降噪问题同样备受关注，受空气中的声图测量法启发，论 文研究了水声中的声图测量技术，用于分析舰艇等目标的噪声源空间分布情 况。 声图测量采用的核心算法是聚焦波束形成技术，其原理与常规波束形成 类似。不同的是由于声图测量的测量范围在近场，采用的是近场球面波补偿， 而非平面波补偿，补偿量与空间位置有关。利用空间扫描的方式，来根据不 同位置的波束形成输出功率强度来判定噪声源的空间分布情况。 由于水声物理环境复杂，使得高精度的大型半波间距阵布放代价很大， 声图测量一般都采用稀疏阵的测量形式。文中采用了分频段综合的方法和虚 拟阵元法来抗阵列稀疏给测量带来的影响。水声信道是相干多途信道，文中 结合了虚拟时间反转镜算法和虚阵算法用来抗多途信道的影响。以上措施取 得了良好的效果。 文中分析了声图测量法的分辨力与其阵长、目标距离、处理信号频率有 关，相同距离和阵长条件下方法对低频声源的分辨能力较差，为此研究了近 场m v d r 聚焦波束形成算法和s t m v 聚焦波束形成算法来提高声图测量对 低频声源的分辨能力。 声图测量过程中，若测量区内存在多个声源，则它们之间会形成相干干 扰，强声源对弱声源的干扰尤为严重，为此研究了基于自适应干扰抵消的近 场波束零陷算法和基于b a r t l e t t 权的近场波束零陷算法，抗各声源间的相干干 扰，进一步提高多声源的声图测量质量。 此外，在进行水平阵声图测量时，扫描平面深度是否准确同样会影响到 声图测量的定位精度。对于水平阵来说，声图测量是在某一深度平面内进行 的二维扫描，扫描深度要与声源实际深度一致，否则就会引人测量误差，这 使得对声源深度的测量成为了影响水平阵声图测量精度的一个关键问题。因 哆 广 水声声图测量技术研究 a b s t r a c t u n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g ei sas p e c i a lp a s s i v ea c o u s t i ci i n a 百n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a l lg i v et h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fn o i s es o u r c e s a p p l i e di na e r oa c o u s t i c s a tt h ev e r yb e g i n n i n g ，u n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g eh a sg o o dr e s u l t si nn o i s e - s o u r c e d i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e n t so fr a i l w a yt r a i n sa n di n t e r n a ln o i s em e a s u r e m e n t si nt h e l a r g ee n g i n e s ，a n di ss u c c e s s f u lt og u i d et h ev i b r a t i o na n d n o i s er e d u c t i o no ft h e s e l a r g ee n g i n e s t h ev i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o n o fs h i pa l s or e c e i v e sm u c h c o n c e r n e n l i g h t e nb ya e r oa c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n t ，t h ep a p e rr e s e a r c h e so n u n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n tt oa n a l y z et h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n o f n o i s es o u r c e si ns h i p s t h ec o r ea l g o r i t h mo fu n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n ti sd y n a m i c s f o c u sb e a mf o r m i n gw h o s ep r i n c i p l ei ss i m i l a rt on o r m a lb e a mf o r m i n g t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w om e t h o d si s t h a tt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g e m e a s u r e m e n ti sa p p l i e di nd e a l f i e l di nw h i c hs p h e r i c a lw a v ec o m p e n s a t i o n w h o s ev a l u ei sr e l a t e dt os p a t i a lp o s i t i o ni st a k e n ；w h e r e a st h en o r m a lb e a m f o r m i n gt a k e sp l a n ew a v ec o m p e n s a t i o n b yu s i n gs p a t i a l s c a n ，t h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no fn o i s es o u r c e si sj u d g e db yt h eb e a mf o r m i n gp o w e ro u t p u ti n d i f f e r e n tp i x e lp o i n t s b e c a u s eo ft h ec o m p l e xu n d e r w a t e re n v i r o n m e n t ，i ti sd i f f i c u l tt ol a yal a r g e h i g h - a c c u r a c yh a l f - w a v e l e n g t ha r r a y t h u s i ti sn o r m a lt ou s es p a r s ea r r a ym u n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n t i nt h ep a p e r , f r e q u e n c y - d i v i s i o n i n t e g r a t e dt e c h n o l o g ya n dv i r t u a la r r a yt e c h n o l o g ya r ea p p l i e dt o o v e r c o m et h e i n f l u e n c eo fs p a r s ea r r a y t h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e li sc o h e r e n tm u l t i - p a t h c h a n n e l t h ep a p e rc o m b i n e sv i r t u a lt i m er e v e r s a lm i r r o ra l g o r i t h ma n dv i r t u a l a r r a ya l g o r i t h mt oo v e r c o m em u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c e ，w h i c ha c h i e v e dg o o d e f f e c t t h er e s o l u t i o no fu n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n ti sr e l a t e dt oa r r a y i i i 哈尔滨工程大学博士学位论文 一i it 宣暑置j 宣暑暑昌；置昌暑；暑i 昌暑暑暑暑暑暑暑暑暑暑暑暑i i i 昌i 昌昌暑暑i 昌暑i i i i 暑暑暑暑暑暑暑暑暑暑暑暑昌暑暑宣昌宣暑暑暑暑暑暑暑置；i 暑暑昌宣暑暑 l e n g t h ，t h ed i s t a n c et ot h et a r g e ta n dt h eb a n do fs i g n a l 1 1 1 er e s o l u t i o ni sn o ts o g o o dt ol o wf r e q u e n c ys o u r c e sw h e nt h es a m et a r g e td i s t a n c ea n da r r a yl e n g t ha r e f i x e d t h u sr e s e a r c h e so nm v d rf o c u sb e a mf o r m i n ga n ds t m vf o c u sb e a m f o r m i n ga r ea p p l i e dt oi m p r o v et h er e s o l u t i o no fl o wf r e q u e n c ys o u n ds o u r c e s t h e r ew i l lb ec o h e r e n ti n t e r f e r e n c ef o re a c ho t h e rw h e nt h e r ea r em u l t is o u n d s o u r c e s 1 h ei n f l u e n c eo ft h es t r o n gs o u r c e st ow e a ko n e si ss e v e r e t h e r e f o r e ，t w o a n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e d o n ei sn u l lb e a mf o r m i n gi nn e a r f i e l db a s e do na d a p t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，a n dt h eo t h e ri sb a s e do nb a r t l e t t w e i g h t 1 1 1 em e t h o d sc a no v e r c o m ec o h e r e n ti n t e r f e r e n c ea n de n h a n c et h eq u a l i t y o f u n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g ei nm u l t is o u n ds o u r c e s m o r e o v e r , t h es c a n n i n gd e p t hw i l la f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h eu n d e r w a t e r a c o u s t i ci m a g ew h e nt h em e a s u r e m e n ta r r a yi sh o r i z o n t a l f o rt h eh o r i z o n t a la r r a y , s i n c et h ea c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n ti sat w o d i m e n s i o n a li m a g ei nc e r t a i n s c a n n i n gd e p t h , s c a n n i n gd e p t ha n da c t u a ld e p t ho fs o u r c e sm u s tb et h es a m e ， o t h e r w i s et h e r ew i l lb em e a s u r e m e n te r r o r ，w h i c hl e a d st h ef a c tt h a tt h eh e m e a s u r e m e n to ft h es o u n ds o u r c ed e p t hi sak e yi s s u ew h i c ha f f e c t st h ea c c u r a c y o fm e a s u r i n gf o rh o r i z o n t a la r r a y b e c a u s eah o r i z o n t a la r r a yi sn o n - d i r e c t i o n a li n t h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ，t h em e a s u r e m e n to fs o u r c ed e p t ho fh o r i z o n t a la r r a yi s s e l d o md i s c u s s e di nl i t e r a t u r e s 1 1 1 ep a p e rp r o p o s e st h ev i e w p o i n tt h a tf o rt h e s p e c i a ln a v i g a t i o na c r o s st h ea r r a yu s i n gt h el o c a t i o nr e s u l to fu n d e r w a t e ra c o u s t i c i m a g em e a s u r e m e n tt o c e r t a i nd e p t ht h es o u r c 圯d e p t hc a l lb ea c h i e v e df r o m g e o m e t r i c a lr e l a t i o n s h i po ft h es o u r c e sa n da r r a y t w od e p t hm e a s u r i n gm e t h o d s a r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r o n ei s g e o m e t r i cm e t h o da n dt h eo t h e ri sc i r c l e i n t e r s e c t i o nm e t h o d 1 1 1 ef o r m e ri ss u i t a b l ef o rt h e h o r i z o n t a la r r a ya n dt h el a t t e ri s f o rt h ea r r a yw i t hac e r t a i na n g l eo ft i l t b a s e do nt h ep a s s i v el o c a t i o n ，ap r e l i m i n a r ys t u d yi sd o n eo nt h er a d i a t i o n n o i s es o u r c e ss e p a r a t i o nb yu n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n t t h ep a p e r r e s e a r c h e so nt h ee x t r a c t i o nm e t h o d so fn o i s es o u r c es i g n a l ，a n dt h ep e r f o r m a n c e i v 哆 t ， 一 水声声图测量技术研冗 o fs i g n a ls e p a r a t i o ni se x a m i n e di nt h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n , r e s p e c t i v e l y t h e p a p e r d o e ss i m u l a t i o nr e s e a r c ho nu n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g e m e a s u r e m e n ta l g o r i t h m sb a s e do nt h eh o r i z o n t a la r r a y , v e r t i c a la r r a ya n dp l a n a r a r r a y , a n dt h ev a r i o u su n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n ta l g o r i t h m sa r e v e r i f i e dt h r o u g hf o u rh o r i z o n t a la r r a yv o y a g et e s t s k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n t ；f o c u sb e a mf o r m i n g ；h i g h r e s o l u t i o n ；n u l l - f o r m i n g i nn e a rf i e l d ；s o u r c ed e p t hm e u r g e n t v 哈尔滨工程大学博士学位论文 v i 6 ， 水声声图测量技术研究 目录 第1 章绪论i 1 1 立题背景和意义1 1 2 水声被动定位技术发展概况2 1 3 被动声成像技术发展概况7 1 4 与声图测量有关的若干技术发展简介9 1 4 1 自适应波束形成技术9 1 4 2 自适应干扰抵消技术11 1 4 3 波束零陷形成技术1 3 1 5 论文的研究内容1 3 第2 章声图测量法的基本原理及影响因素分析1 6 2 1 引言1 6 2 2 聚焦波束形成算法一1 6 2 3 水平阵声图测量原理1 8 2 3 1 理想条件下的数学模型1 9 2 3 2 多途对水平阵声图测量的影响2 l 2 4 垂直矢量阵声图测量原理3 0 2 4 1 测量几何模型31 2 4 2 多途对垂直阵声图测量的影响3 2 2 4 3 垂直矢量阵声图被动定位3 3 2 4 4 仿真研究3 7 2 5 矩形阵三维声图测量原理3 8 2 6 影响声图测量的各项因素4 0 2 6 1 阵长、频率及目标距离对声图测量的影响4 0 2 6 2 阵稀疏对声图测量的影响4 2 2 6 3 网格大小对声图测量的影响4 8 2 6 4 积分时间对声图测量的影响4 9 2 7 水平阵声图测量实验结果分析5 1 v i i 哈尔滨工程大学博士学位论文 2 8 本章小结5 5 第3 章高分辨声图测量方法研究5 7 3 1m v d r 聚焦波束形成算法研究5 7 3 2s t m v 聚焦波束形成算法研究”6 0 3 3 仿真及实验数据分析6 3 3 3 1 仿真分析6 3 3 3 2 实验数据处理6 6 3 4 本章小结“6 8 第4 章近场波束零陷问题研究6 9 4 1 引言6 9 4 2 基于自适应干扰抵消的近场波束零陷方法6 9 4 2 1 亮点信号提取方法7 0 4 2 2 基于亮点信号提取的自适应干扰抵消法7 0 4 2 3 仿真及实验分析7 1 4 3 基于b a r t l e t t 权的近场波束零陷形成方法7 5 4 3 1b a r t l e t t 波束形成原理”7 5 4 3 2 远场b a r t l e t t 波束零陷权推导7 6 4 3 3 近场b a r t l e t t 波束零陷权形式8 0 4 3 4 仿真及实验分析81 4 4 本章小结”8 5 第5 章水平阵声图的声源深度测量方法研究8 6 5 1 引言8 6 5 2 扫描深度对声图测量的影响8 6 5 3 几何测深法8 7 5 3 1 扫描深度大于目标声源实际深度8 7 5 3 2 扫描深度小于目标声源实际深度8 9 5 3 3 仿真及实验分析9 0 5 4 圆交汇测深法9 2 5 5 本章小结9 7 第6 章声图测量在声源信号分离提取中的应用9 9 v i f t 水声声图测量技术研究 6 1 噪声源信号分离提取“9 9 6 2 基于噪声源信号分离提取的信号相关特性分析9 9 6 3 基于噪声源信号分离提取的声源谱特性分析1 0 2 6 4 实验分析1 0 4 6 5 本章小结1 0 6 结论1 0 7 参考文献1 l o 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 2 0 致谢1 2 2 i x 哈尔滨工程大学博士学位论文 v 声。 ， ， 第1 章绪论 1 1 立题背景和意义 第1 章绪论 水下声图测量( u n d e r w a t e ra c o u s t i ci m a g em e a s u r e m e n t ，u a i m ) 技术是 一种特殊的声成像方式。声学成像【l 之】技术目前已被人们所熟知，且已在多个 领域得到了应用，如b 超医疗探测成像【3 】，轨道无损探伤超声成像1 4 j ，石油 开发和勘探中的超声成像测井【蛐】，海洋中近程的成像声纳【7 j ( i m a g i n gs o n a r ) 等等。它们均是主动式声成像系统，用以给出反映物体内部结构的实际图像。 本文研究的声图测量技术与上述成像不同，它指的是被动式的声成像，不是 给出物体的真实的图像，而是给出物体辐射噪声源的空间分布图像，称为“声 图”。 空气中的被动声图测量技术【8 一o 】发展较快。早在上世纪八十年代，日本 东京工业大学“音响”研究所( 声学所) 就进行了声图测量研究。利用一个龙 门阵成功测量了“雅马哈”油机的噪声源分布图，并确定了其主要的辐射源位 置，从而正确地采取降噪措施，降低了雅马哈油机的辐射噪声，也测量了运 动齿轮组的噪声源分布，其目的也在于降噪和降低齿轮组的磨损。受到空气 中测量方法的启发，近些年，人们开始研究水声中的被动声图成像技术【l 卜1 2 】。 美国、澳大利亚、俄罗斯等国已开展了在水下利用水听器阵对潜艇辐射噪声 进行测量和分析以得到潜艇噪声源分布的研究。 舰艇降噪问题一直以来都是水声界较为关心的问题，舰艇自噪声大不但 会影响自身声纳的检测能力，降低作用距离，更会影响到隐蔽性，容易暴露 自身位置，在作战中处于劣势。因为舰艇体积较大，会存在多个辐射声部位， 各部位辐射噪声特性也各不相同，因此构成舰艇的辐射噪声是复杂的。从产 生机理上常将舰船辐射噪声分为机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三类 【1 3 】，它们同样也是舰船自噪声的组成部分。辐射噪声谱则由宽带连续谱和一 系列线谱共同组成，不同频段的辐射源在目标体上的辐射部位不同，如：几 十赫兹的低频线谱可能是由螺旋桨的不对称性振动激发的，但它的辐射部位 可能反映在船体的共振驻波波腹部位，也可能在船的中部；3 0 0 - - - 6 0 0 h z 的辐 1 一 第1 章绪论 ( m f p ) 方法【1 4 】三种。此外还有近2 0 年来新兴的时间反转镜被动定位技术， 针对近场的声全息技术及声图测量技术。 传统的三子阵法【1 5 - 1 6 】，主要是利用球面波或柱面波波前曲率的变化，通 过测量各阵元的相对时延，估计目标的距离和方位。一般采用艇载舷侧阵的 形式。测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精 度等因素有关，其中时延测量精度是关键。最典型的传统被动定位方法是上 世纪六十年代发展起来的三元阵被动定位技术，当时最具代表性的应用是法 国的非尼龙声纳d u u x 5 ，到了上世纪八十年代已发展为d u u x 2 7 ，其采用 了板阵代替了点阵，并将各板阵发展为子阵的形式，提高了测量的稳定性和 精度，d u u x 一2 7 代表了当时被动测距声纳的国际先进水平，迄今为止， d u u x 2 7 仍是许多国家的艇载主要装备声纳之一。现代潜艇如英国的机敏、 法国的凯旋、日本的2 9 0 0 苍龙、德国的2 1 2 2 1 4 等一大批新型潜艇都装备了 舷侧阵声纳。 图1 1 典型三子阵声纳 f i g 1 1at y p i c a ls o n a rc o n t a i n i n gt h r e es u b - a r r a y 三子阵声纳的主要适用范围为中远程。由于基阵孔径有限，随着声纳探 测距离的增加，波前曲率的变化越来越小，加上信道传播起伏的影响，时延 的精确测量以及距离信息的提取变得越来越困难，因此难以实现远程定位。 对于4 0 0 m 范围内的近程范围，由于采用近似公式等原因测量精度也并不理 想。文献 1 7 中采用经过改进的精确测量公式，实现了三元阵近程被动定位， 但其稳定性较差，抗多途能力，测量精度等都不十分理想，单点源情况下经 过复杂后置处理后可以看到定位轨迹，但对于体积较大的声源( 如大型船只 等) 则定位精度太差，且无法分辨同方向的多个目标。因此不适宜用于近场 多声源的精确被动定位。 哈尔滨t 程大学博十学位论文 目标运动分析( t m a ，t a r g e tm o t i o na n a l y s i s ) 也是目前技术上较为成熟的 一种定位方法。传统的目标运动分析( t m a ) 方法以平面波传播模型为基础， 实现方式主要有纯方位t m a 和频率方位t m a 。纯方位t m a 博j 即仅利用方 位信息估计目标运动参数( 距离、方位、速度等) ，要求测向精度较高 ( 0 1 0 0 3 0 ) 且观测平台必须机动，限制了方法的实际应用；频率方位 t m a 1 9 - 2 0 j 利用观测量频率和方位估计目标运动参数，频率信息的引入，使得 该方法不再要求本舰机动，提高了实用性。但传统方法检测在先，定位在后， 要求信噪比足够高，以便在短时间内获得可靠的频率和或方位估计值，在低 信噪比或海洋传播较复杂的情况下，精度较差。为了低信噪比条件下的测量 稳定性，获得更可靠的t m a 解，相继出现了许多改进的t m a 方法。如：时 空积分t m a ( s t i ) 2 1 - 2 2 】。该方法突破了传统t m a 先检测后定位的局限性， 直接以原始的水听器观测数据进行运动分析，利用时空累积得到二维方位一 频率谱，并自动搜索谱峰得到目标运动参数。因在能量积累过程中允许方位 和频率随时间变化，因而积分时间不受限制，可充分利用观测数据的长度， 而积分时间的增加，极大地增强了低信噪比时弱信号的检测能力，且方法同 样不需要装载平台机动，只要求本艇与目标之间保持相对运动，因此在拖线 阵阵被动测距中得到了一定的应用。此外还出现了利用多观测平台数据融合 的t m a 方法，以及考虑到在声波在信道中传播的多途特性的，联合删 匹配场 2 3 】的定位方法，即在时空综合被动定位方法中考虑传输信道的影响， 综合利用信道传播特性、方位和频率的时变性及信号幅度确定目标位置，提 高了t m a 方法的作用距离。经过上述分析发现t m a 方法定位的关键是利用 目标运动的动态信息，主要关注远场机动目标，不适用于近场。 另一种常用的远程定位方法是匹配场处理( m a t c h e d f i e l dp r o c e s s i n g ，简 称m f p ) 1 2 4 - 2 5 】，是上世纪八十年代新发展起来的一种被动定位技术。其基本 思想是【2 6 】在声源、信道和接收阵三者之中，如果两者已知，则可以根据接收 阵的实际测量声场( 已有信道影响) 与接收阵的处理预测声场( 信道影响由 模型模拟) 的匹配性对第三者进行参数估计。由于充分利用了声源、信道和 环境等一切可利用的信息资源，因此有望给声纳性能带来根本性的改变，采 用匹配场处理的声纳也是目前应用的作用距离最远的声纳之一。匹配场被动 定位关键是信道模型的建立，信道模型能否精确描述实际声场结构直接决定 4 第1 章绪论 了定位结果的精度。首先要采集声场数据，选择一个有关输入参数( 如声速) 已知的传播模型，利用这一模型对选定的不同侯选距离和深度计算声源所产 生的相应声场，之后使测量声场与拷贝声场有效地互相关，呈现最大相关的 侯选距离和深度就是该声源的真实距离和深度。早期的匹配场处理技术研究 主要集中在声场建模和匹配处理算法两方面。最常用的两种传播模型是射线 模型【2 7 】和简正波模型【2 8 1 。射线模型的特点是简洁、直观，适用于深海和近海 的声传播，浅海由于多途严重和海底散射较强，则不再适用。简正波( 本征 模) 模型便于考虑各种海底边界的影响，尤其适合于研究浅海、低频的声传 播问题。考虑到环境参数有可能随距离变化，出现了各种改进的简正波( 本 征模) 模型，如绝热本征模和耦合模等。常用的m f p 处理器有线性处理器 ( b a r t l e t t ) 、最小方差估计器( m v ) 和匹配模处理器( m m p ) 等。随着人们 对传播理论认识和研究的深入以及阵处理技术，特别是信息处理技术的飞速 发展，匹配场处理技术的研究取得了一些突破性的进展，理论和实验研究成 果不断见诸文献【2 9 。3 。目前宽带、稳健、自适应的匹配场处理技术成为研究 热点。以试验研究带动理论研究成为主要的研究方法。早期匹配场应用存在 计算量大、需要的垂直阵尺度大等问题。随着新一代电子技术的发展，计算 量问题已得到了缓解，需要的垂直阵尺度大的问题也随着以垂直短阵代替长 线阵，宽带m f p 研究的深入而得到了解决，如今匹配场被动定位已进入实用 阶段。m f p 目前主要关注的是声源远程和超远程被动定位及海洋环境参数反 演两个方面。近场同样不是其关注范围。 时间反转镜被动定位技术是近年的一门新兴被动定位技术，也是目前国 内外水声领域的热门研究方向之一。时间反转镜( t r ：t i m er e v e r s a l ) 起源于 光学中相位共轭法1 3 引，后引申应用到了超声和水声领域。主要是为了解决水 声中的多途问题。白八十年代末以来，在水声时间反转镜方面进行深入研究 的代表人物有美国华盛顿大学海洋与渔业科学院应用物理实验室的d a r r e l lr j a c k s o n 和d a v i dr d o w l i n g ，以及美国加利福尼亚大学海洋学院海洋物理实 验室( m a r i n ep h y s i c a ll a b o r a t o r y , s c r i p p si n s t i t u t i o no fo c e a n o g r a p h y ) 的w a k u p e r m a n 。d o w l i n g 教授最早提出主动式时间反转镜【3 引，对其应用于水声领 域作了定义和基本的理论分析，并提出了被动式时间反转镜1 3 4 。针对海洋波 导中多目标的探测、定位问题，k u p e r m a n 研究了水声迭代时间反转镜技术【3 5 j 。 哈尔滨t 程大学博+ 学位论文 研究表明对于单个目标，迭代时间反转处理可增强反转镜的空间聚焦性能， 但地中海进行的试验【3 5 】研究表明这种聚焦能力受到波导及接收传感器性能 的影响。当海洋中有多个反射体存在时，利用迭代算法，时反镜将在时间反 转算子的最大特征值对应的目标处聚焦。当波导边界平坦时，时间反转算子 的特征值是目标反射率的函数，所以这种聚焦能力会取决于目标的反射率。 同时，这种选择聚焦还取决于目标与时反阵间复杂的传播条件。国内关于被 动时反镜被动定位技术也进行了大量研究，文献 3 6 将矢量信号处理与时反 镜技术相结合提出了被动式矢量时间反转镜技术，定位结果得到了海试数据 的支持，文献 3 7 】给出了采用单矢量传感器进行时间反转镜被动定位的研究 结果。目前虽然时反镜被动定位技术得到了若干研究结果及试验数据的支持， 但距离实际应用仍有较大的距离，还没有成型的声纳设备。较成功的应用都 局限于通信领域【3 引。因此还没有其对近场目标被动定位性能的具体分析，但 无论其本身的近程被动定位性能如何，时间反转镜技术在抗多途方面的性能 都是值得认可的，因此论文中在声图测量抗多途干扰方面采用了虚拟时间反 转镜算法。 近场声全息技术p w ( n e a r - f i e l da c o u s t i ca c i y s t u c h o l o g r a p h y , n a h ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一项新技术。与聚焦波束形成一样是针对近场测量 的。通常全息面到达声源面的距离是波长的几分之一，是在紧靠被测声源物 体表面的测量面上记录数据，然后通过空间声场变换技术重构三维空间声压 场、振速场、声强矢量场，并能预报远场指向性的一门技术。因其能够记录 振动体的细节信息，并能产生高分辨的振动图像，n a h 技术被广泛应用于噪 声源的识别与应用领域h 0 4 2 1 。关于近场声全息理论与研究现状文献【4 3 】进行了 较为详尽的分析，分析结论认为n a h 技术已经成为一种研究声源特性的非 常有效的方法，有望应用于空气中或水下大型或复杂结构的振动和噪声的辐 射特性研究，但目前尚存在一些问题有待解决，如高效获取声全息面数据的 技术等问题。声全息与声图测量有着类似的应用前景，但实现方式确有着本 质的不同，声全息技术更多的从声场和物体振动本身出发，需要靠近被测物 体的精确采集数据，通过各种重构算法获得物体振动情况等信息。相较于声 图测量方法其算法复杂、运算量大，对数据采集设备要求更高，测量过程繁 琐，使得其在水声领域的实际应用受到了诸多限制。从测量范围上来说，根 6 一 第1 苹绪论 据通常的经验，远场和近场的临界距离为，= 2 r 2 ( 三为声源或基阵尺寸中 的大者，名为波长) ，如果声图测量被认为是近场测量的话那声全息技术则应 被认为一种极近场测量( 靠近被测物体表面，小于波长) 方式。但若在各种 苛刻的测量条件都满足的条件下，它的测量结果将会更为精确，振动情况的 细节测量也更完善。 声图测量法是一种适用于近场的噪声源被动定位方法。其核心算法是聚 焦波束形成算法【4 4 御】。原理和常规波束形成类似，都是利用具有一定几何形 状排列的阵列接收目标信号，然后经过延时、加权、求和等处理使其形成一 定的空间指向性，相当于一个空间上的滤波器。不同的是常规的波束形成是 基于平面波假设的 4 8 4 9 】，只适用于远场，可用来测向但不能测距，因此无法 确切定位。而聚焦波束形成是基于球面波假设的，它所关注的是近场，要根 据目标所在的空间位置，利用球面波补偿，形成空间指向性，因此它是二维 或三维的，可根据聚焦峰的位置给出目标声源的位置坐标。具有定位算法简 单、稳定性和测量精度高等特点，是近年来水声领域关于近场被动定位的热 门研究方向。 1 3 被动声成像技术发展概况 被动声成像技术最早源于空气声学的麦克风阵列近场波束形成。早期被 大量应用于对轨道列车声源的定位与识别、汽车声源定位、发动机声源的