（信号与信息处理专业论文）基于干涉谱分析的单水听器被动定位技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 手两要 水下被动定位技术一直以来是人们关注的焦点，目前成熟的技术主要是 三子阵定位技术。随着对水下声场的进一步深入，出现了以声场分析为基础 的匹配场被动定位技术。t m a 技术则通过对一段时间内数据的综合利用，来 对目标运动状态进行分析。它们是被动定位技术中新发展起来的两个热点。 本文以这两种方法为出发点，通过分析低频矢量声场，探索适用于单水听器 ( 矢量水听器) 的被动定位新方法。 本论文的研究工作分为三个部分：1 ) 低频矢量干涉声场分析2 ) 基于 s t f t - h o u g h 变换的目标运动分析3 ) 基于干涉频率周期的目标被动定位技术 研究。 文中首先根据射线理论建立了低频矢量声场的模型，给出了传播损失曲 线，与波动理论结果进行了比较，说明射线理论在近距离是波动理论的良好 近似。并且对声压、振速的干涉现象进行了分析，说明了声压和水平振速符 合一致的传播规律。之后，以干涉声场分析为基础，分析了水面舰船干涉条 纹的双曲线簇分布规律，目标运动的状态( 包括速度、深度和水平距离) 将 决定双曲线簇的形状。分别讨论了目标运动在深海和浅海状态下，干涉条纹 的不同特点。h o u g h 变换是一种用于边缘检测的图像处理手段，在水声信号 处理中已被用来与时频分析手段联合起来对信号进行估计，例如 w i g n e r - h o u g h 变换利用对直线的h o u g h 变换来估计线性调频信号斜率等。针 对干涉谱双曲线型条纹，本文利用h o u g h 变换提取双曲线参数，可以分析目 标的航速、航深和最近通过距离。最后，文章从理论上分析了干涉谱中频率 周期的物理意义，给出了测量干涉频率周期的方法倒谱分析。讨论了干 涉谱分析在水声信号处理中应用的优缺点，利用干涉谱来分析目标尾流干扰 的频段，消除强线谱引起的窄带干扰等，对水下靶场等近距离目标被动探测 有一定的应用价值。 关键词：被动定位；矢量声场；干涉谱；h o u g h 变换 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c 譬 p a s s i v ed e t e c t i o na n di o c a t i o ni nt m d e r w a t e ra c o u s t i ch a sa l w a y sb e e nt h e f o c u so fr e s e a r c h e r s t h ep a s s i v er a n g i n gt e c h n o l o g yo ft h r e ee l e m e n t sa r r a yi sa m a t u r et e c h n o l o g y a st h ef u r t h e rr e s e a r c ho i lt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cf i e l d t h e m a t c h e df i e l dp a s s i v es o u r c el o c a t i o ni sp r o p o s e d w h i l et m a ( t a r g e tm o t i o n a n a l y s i s ) m a k ef u 娃u s eo ft h ed a t ad u r i n gat i m ep e r i o dt oe s t i m a t et h et a r g e t m o v i n gs t a t e 。t h e yt w o a r et h en e wh o ti np a s s i v el o c a t i o nf i e l d 。f r o mt h en o t i o l r o ft h e s e st w ot e c h n o l o g y ，t h i sd i s s e r t a t i o ne x p t o r e st h en e ww a yf o rp a s s i v e s o u r c el o c a t i o nu s e di ns i n g l e ( v e c t o r ) h y d r o p h o n et h r o u g ht h ea n a l y s i so i l m o d e l i n go f t h ea c o u s t i cv e c t o rf i e l d t h or e s e a r c hw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni n e l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： 1 ) a n a l y s i so i lt h ei n t e r f e r e n c ea c o u s t i cv e c t o rf i e l da tl o wf r e q u e n c y2 ) t a r g e t m o t i o na n a l y s i sb a s e do nt h es t f t i h o u 譬ht r a n s f o r i l l3 ) p a s s i v el o c a f i o nb a s e do n t h ei n t e r f e r e n c ep e r i o do f s p e c t r u m 。 t h om o d e lo f a c o u s t i cv e c t o rf i e l da tl o wf r e q u e n c yb a s e do nt h er a yt h e o r yi s m a d ef i r s t t h e nt h et r a n s m i s s i o nl o s sc u r v eo fr a yt h e o r ya n dn m d et h e o r yi s c o m p a r e d w h i c hs h o w st h a tt h er a ym o d e li sag o o da p p r o x i m a t i o nt ot h em o d e t h e o r yi nn e a rd i s t a n c e a n dt h ei n t e r f e r e n e ep h e n o m e n o no fp r e s sa n dv e l o c i t yi 8 a l s od i s c u s s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea c o u s t i ci n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o n 、 也采氇ei n t e r f e r e n c ep a t t e r ni sh y p e r b o l ac l u 簸e ri sd e d u c e d ，t h et a r g e tm o t i o n s t a t ew i l ld e t e r m i n et h es h a p eo f t h e s eh y p e r b o l ae l u s t e r s 。t h ed i f f e r e n c ea f 凳e to f t a r g e tt r a v e l i n gi ns h a l l o ww a t e ra n dd e e pw a t e rt ot h ei n t e r f e r e n c ep a t t e r ni s d i s c u s s e d h o u g h 廿a n s f o r n li sau s u a lm e t h o df o rt h ei m a g ee d g ed e t e c t i o n i th a s b e e nu s e di nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cf i e l df o re s t i m a t i o nc o m b i n e dw i t h t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s e x e m p l i f i e db ye s t i m a t et h ef r e q u e n c ys l o p eo f t h el f m s i g n a lw i t hw i g n e r - h o u g ht r a n s f o r m 。t h i sd i s s e r t a t i o nr i s e st h eh o t 【g ht r a n s f o r m 幻d i s t i l lt h ep a r a m e t e ro ft h eh y p e r b o l ac u r v et oe s t i m a t et h et a r g e ts t a t ef s p e e d ， d e p t ha n dt h en e a r e s td i s t a n c 靠f i n a t l y ，t k sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ei n t e r f e r e n c ep e r i o do ft h es i c i e c t r u ma n dc e s t r u me s t i m a t o r ，t h e i n t e r f e r e n c es p e c m m lc a nb eu s e dt oe l i m i n a t et h ew a k ee f f e c to ft h em o v i n g t a r g e ta n dt h es t r o n gi n s t a n t a n e o u sn a r r o w b a n dd i s t i 】r bw h i c hc o u l dh a v es o m e a p p l i c a t i o ni nt h es h e i td i s t a n c ed e t e c t i o n k e yw o r d ：p a s s i v e s o u r c el o c a t i o n ；a c o u s t i cv e c t o rf i e l d ；i n t e r f e r e n c e s p e c t r u m ；h o u g ht r a n s f o r m 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 乍者本入独立完成的。有关观点、方法、数 据和文献的引用融在文中指出，并与参考文献相对应。 豫文中已注暖引矮的内容外，本论文不包含任何其魏个 人缄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。 本人完全意识至本声明韵法律结果由本入承担。 作者( 签字) ：查壹鲑 匿期：年月 e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 我国楚一个海舜线绵长鹃函家，海簿预警和箍昕对予缀护国家海洋资源 和领海都宥熏要的意义。海洋噪声监听技术需要通过被动接收目标的辐射噪 声隐蔽这求对曩标送行分类、识别帮定位。蒡且为了有效对广阕海域邀行信 息搜集，逐骚能够方便的布放谯所需海域。海洋噪声监听由于监控范阐广， 不适宜采用多基元系统，因而发展单水听器或单矢凝水听器的被动三维定位 技术寿重要意义。 传统的水下定位系统一般都需要多个基元来对目标进行定位，例如长基 线、短基线、超短基线系统等。近年来，被动定位技术发展的耨方向主要包 藉h j 舀标运动分祈( 鼢舱) 和飘配场( m 船) 定位技术。t m a 方法道过一段 时间数据的信息综合，利用如方位、频率等信息来确定目标位置，然而这一 方法多要浓本艇( 接收平台) 避孳亍特定懿撬动靛蟹。匹酝场定位技术充分豹 利用了声源、水下声场信道和接收器三者的紧密联系，通过融知接收信号和 水下声场分布来对声源位置进行被动定德。波导中最重要的特性是在其中传 箍静声信芍其有空时穗予能。这释榻干往是黟纳能够对海洋波导中的舀 标进行探测的物理基础。俄目和美国学者从上个世纪六七十年代开始熬视研 究海洋佟菇声传播鲍囊身特性，关注扶这季孛薅性瞧发提取嚣蜷存在及它贺掰 处的相关佼置等信息 2 1 。到了九十年代波导相干性研究更加深入，主凝集中 在海洋波导声场干涉结构和应用【3 】。联合t m a m f p 技术【4 1 是目前被动定位技 术发震酌耨趋势。 2 l 世纪随着减震抗噪技术的飞速发展，新型隔音材料和消声瓦的使用， 傻各类舰艇辐射噪声的声源级不断降低。潜艇的辍射噪声级妇原先的1 6 醚b 左右降低刻1 1 0 d b 左右。美圜9 0 年代建造的s n 2 1 ( 海狼缀) 核潜艇噪声仅 为9 5 分贝，已低于海洋环境噪声【l 。俄罗斯也设计出一批低噪声潜艇，如 棱疆方称梵安静囊潜簇豹孙“墓法”级游艇( 霹淹没予一级海洋巧壤凝声) 哈尔滨= ：i ：= 程大学硕士学位论文 4 7 1 0 然瑟，艇艇辖龛| 噪声级佼奁较高鞭段褥到了大幅度降低，在低颓段羹g 交 化很小。 本论文研究日晌是发展单求昕器( 矢量水听器) 适用的利用目标低频信 息的被动定缎方法。 1 。2 被动定位技术概穗 黧蔻发袋起采懿棱韵溅距孝纳主簧有3 耱类鍪：三元子阵定往，蓬标运 动分析( t m a ) 和匹配场处理( m f p ) 1 1 1 2 0 。1 。 1 2 1 传统被动定位方法 传统的被动定位方法，赧三予阵法【8 墙口球露悫撼法 9 1 ，利用球藤波或柱亟 波波前曲率的变化，通过测量各基元的相对时延，估计目标的距离和方位测 距糖度与时邂售诗精度、霆标黢恋、方位、蘩阵孔经、基阵安装壤度等曩素 有关，其中时延测爆精度是关键 1 】。 在上个瞧纪静六年代开始发震“三元簿禳动瓣距”声确技术，最著名 的是法国的d u u x - 5 ( 菲尼龙声q 内) ，由于当时电子技术水平的限制，该声呐 的主簧不足怒可靠性差。1 9 8 4 年，我阐从法酗弓| 进该声确技术，并加以改进 使之具有d u u x - 2 7 声呐鲍水平。d u u x - 2 7 是姿时其鸯国际先进水平的被动测 距声呐，用三个平板阵代替了d u u x 一5 的三点元阵。八十年代初，该声呐仍只 辘激中、小翘搂毫予器终寒竞袋掰需蠹馨被袭溺薤信号楚理运筹。迄今为壹， 西方发达国家的艇载被动测距声呐仍以d u u x - 2 7 为主要的裟各声呐【1 ”。 1 2 2 匹配场被动定位m f p 飘配场拨动定位是上个世纪鼢年代毅发瀑起米躲一耱被动定位技术。在 声源、信道和接收阵三者之中，如果已知两赣，就可以根据接收阵的实际测 量声坜( 已爱馐道影稳) 与接鼓簿楚熬理论馥溺声场( 信道影噻 拯攘型模镦) 的匹配性对第三者进行参数估计，这就是所谓的匹配场处理( m a t c h e d 。f i e l d 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p r o c e s s i n g ，麓穗m f p ) 6 心。 利用践配场被动定位方法谶行被动定位时，主露解决的三个问题：是 水声信道模型的选择，选定的傣道模型能否精确地描述声场将直接决态定位 绦果豹藕潼。二是敷鬣函数稳确定，嚣懿函数应该是在计算鹣声场分帮与实 际采样的声场分布匹配最好时璺现最大城最小。三是搜索方法的选择问题， 廒选择一今既可以俣涯精度又快速的全局搜索方法。匹配场处理算法镪据娃 下几类算法1 5 1 。 2 。2 ，1 隧瓣场处理冀法 已有的各种匹配场处理算法通常将声源定位问题( 距离n 度二维定位) 警侔广义的波寒形成闽题来处溪。在波索澎或( 醚) 孛，传感器阵的竣入数 据向量被当作来自多个不同方向的信号方向向量的加权和来处理。与之不同， 在m f p 中，传感器阵的输入数据向量表现为简正波戏特征声线的相干鼗加， 它餐不是强声添方齑海变量，聪是蔽声滚距离f 和深度z 兔交豢。 声源的简正波幅度系数向爨： s = 【( z s ) ，u 2 ( z 8 ) ，互，( 乙) 】1 ( 1 - 1 ) n 元垂直线猁阵接收的筒正波幅度系数斑阵( n m ) ： t = u l ( z 1 ) u 2 ( z i ) c k ( z 1 ) 致( z 2 ) u ：( z 2 ) 名 z 1 ) 识( 磊) 砚( z * )( z ) ( 1 - 2 ) 简正波幅棚加权矩阵( m x m ) ； 。：燃| 墨k 1 ，2 埘( 1 - 3 ) l 足。7 j 麴一化接收信号自鬣可衰示为： a ( r ，z d ) = t a s ( 1 - 4 ) 此向量由声场模型和设定的声源位置z 。) 获得，实际是一个随声源位置 ( r ，z 。) 交纯静扫箍两惫，采孺类叛于波束形成嚣方法，定义一个( r ，z d ) 二维 哈尔滨工程大学硕士学位论文 黼描i i i _ _ 黼阜i i 薯i 宣嵩黼_ 皇宣i 置蒜黼i _ - 譬_ 攀_ 兰暑暑鼍_ _ _ 赫i i 宣昌暑暑爿_ _ i 墨i i 蕾宣篁嵩_ - 皇 横糊表藿b ( r ，乏) ，对采样数撼涟牙扫搂，鼓寻求最佳蹑配点，该点帮为 鑫 计的声源位霾。 于是我们有常规的m f p 算法： p ，乙) = 碍8 吼z d ) r a ( r ，瓦) ( 1 - 5 ) 式中心为垂直线列阵接收数据的采样协方差矩阵。引入高分辨技术，我 们有最小方差m f p 算法： 甄m ( r ，z $ ) = k 8 ( ，z d ) 盂a ( r ，z 5 ) _ 1 ( 1 - 6 ) 可以想见，其它满分辨算法，包括予窑间分析类算法、翻适应算法等均 蠢可戆应藤。 1 2 2 2 匹配模处理( m m p ) 算法 这里所说的模态( m o d e ) ，正鼹前面所称的简正波。阵列接收数据包含了若 干阶次的简正波，其中高阶简正波对应的掠角以较大，受界诞影响也比较大， 遴过声场麓貘进嚣髅彝熬准确建粳疫减，l 、，这羲繁来对公式( 1 懿误麓。匹 配模处理事实上是对1 2 2 2 节方法的简化实现。通过对( 1 4 ) 式的简化可保留 仪只一个或少数几个模态丽得到8 ( r ，z 。) ，通过对蹲捌采样数据进行篱正波 过滤( 将大孔径垂直线捌阵分为部分重叠予阵，各予阵按菜阶简正波幅度加权 求和) ，导出所谓模态数据采样协方差矩阵r 。于越我们有 臻( r ，乙) = a “9 ，z 5 ) 震a ( r ，z z ) 1 - 7 ) b m ( r ，z 5 ) = ( a ( ，z d ) ( r ) a ( r ，z d ) 】- 】 ( 1 - 8 ) 2 。2 。3 誊线爱转冀法( r a yb a c kt r a e l n g ) 这是基于射线声学模型的一类算法。篡基本思想是：将瓣直线列阵分解 为着于予辫，每予簿蠡鼋孑l 径大，l 、戮溱是该薄掰在深寝范围内缓浚声波在垂直 颇内的到达角结构近似不变为限。定位算法分为两个步骤：荫先通过对采样 数据的处联，估计出每个子阵的垂直到达角结构，然后默每一到达角黪反方 向为起始角度，绘制声线圈。众多声线柱声场中交汇的一点即是声源像置所 在。此法十分简便，主要适合于短阵条件。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 4 到达结构匹配算法( a r r i v i n gs tr u c t u r em a t c h in g ) 这是p j 3 t 算法的推广与延伸。匹配可在时空二维进行，即利用接收阵 处声场的到达角结构特征，同时也利用该处的时延谱到达结构特征来进行声 源定位。 定义相应的定位模糊表面为： 占删驴，z ；) = 【卯， 只- e , ( r ，z d ) 2 一【v l t 驴，z 。) 】2 - 2 ( 1 - 9 ) 式中b ，r ，表示观测所得的到达角和时延，而只( r ，z ；) ，f ，( r ，乙) 表示建 模计算所得到的相应参考值。 上面给出了匹配场被动定位技术的四类主要的算法，从中可以看出，匹 配场定位技术是以声场分析为基础的，按照声场分析模型又可以分为简正波 理论和射线理论两大研究方向。射线理论基于声线的多途到结构，与简正波 理论相比有简便、直观的特点。 1 2 3 目标运动分析( t m a ) 对一个运动的目标，声呐连续地测量目标的方位，得到一个方位序列。 仅以方位序列的信息来估计目标的距离和航迹，称之为“单站纯方位被动测 距” 2 4 1 - 2 7 1o 该方法要求较高的方位测量精度( 0 1 。0 3 。) 和精确己知的 本艇航迹，并要求声呐平台( 本艇) 作折线航行。通常，该方法需要约2 0 分钟的测量时间，测距作用距离达2 0 k m 2 5 k m ，测距精度达1 5 。该方法利 用了检测能力较强的被动测向声呐，所以作用距离较远，但给出距离所需的 时间太长，尤其是该算法有1 5 2 0 的概率产生发散，得不到目标距离。由 于以上原因，该方法尽管在各国声呐系统中都被作为测距方法之一，但仍不 能令人满意。 继纯方位目标运动分析后，人们开始方位频率目标运动分析研究，其优 点是无需本艇机动就可估计目标的位置和其它运动参数。现有的常用t m l a 方法，均以纯方位t m a 为基础，并辅以频率、多普勒信息、距离、相位信 息、多观测站等进行联合估计。目前国内纯方位跟踪定位系统的数学模型包 括两类【1 0 】【16 ：确定性参数算法模型和滤波估计算法模型。国外的研究主要集 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中在最小二乘滤波叫、最大似然估计【1 2 】和卡尔曼滤波方面【1 4 】【15 1 。目前，基 于声场分析的匹配场定位与目标运动分析相结合是水下被动定位技术发展的 新趋势i ”。 1 3 有关问题的综述 1 3 1 浅海水下声信道 典型的浅海信道主要包括浅海均匀声道、浅海表面声道、浅海负梯度声道 和混合层声道。浅海信道的特点在于其声传播明显地受海面和海底边界的影 响，在分析浅海声场时，除了考虑直达声以外，还必须考虑经过次或多次 海面、海底的反射声线，接收点处的总的声场等于直达声和这些反射声的干 涉叠加。 如前所述，从通信论的观点来看，复杂的海洋声多途信道可以看做一个 随机的时变、空变、线性滤波器，可以用多途信道的冲击响应函数来描述它 的性质特征1 。图1 1 给出的声源和接收点之间信道的本征声线和冲击响应 函数仿真结果，其中目标与接收点间距，= 2 0 0 m ，海深日= 3 0 0 m ，声源深 度d = 8 0 m ，接收点z 深度为3 0 m 。图l l 中左图为声速分布，横轴是声速， 单位m s ，纵轴是海深，单位m ；右图为本征声线( 区域声线计算条数为5 条) ，横轴是水平距离，单位m ，纵轴是海深，单位i n 。 在图1 1 中，浅海信道的多途性显而易见。虽然信道( 包括浅海信道) 是时变空变的随机信道，但从大多数应用场合来看，实验证明声信道可以看 作缓慢时变的相关多途信道“。相干多途信道可用时不变滤波器来描述。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 浅海均匀声道本征声线分布 为了简便起见，采用射线声学的观点。声信号自声源发出，淞备不同途 径的声线到达接收点，总的接收信号是通过接收点的所有声线所传送的信号 款干涉叠麓，滏第i 途经至l 达戆信号幅度记为a ，垂声线计箕哥冀褥蠢；羚篷， 显可以计算洽第i 途径到达的信号时延靠。，慧貉介质吸收静颓率将链，缀定 沿任何途径的声传播都没有色散现象，即意眯潞若声源发出一个6 脉冲，则 沿着每个途径到达的信号将是一个延时了的艿脉冲，沿每个单独的传播途径 的声储号在传播过程中波形不变，因而相干多谂信道的冲击响应函数为： 蠢) = a ，子( t - r o ；) ( 1 一l o ) 蕊凌系统丞数，懿溺1 1 掰汞。 蚕1 。2 浅海均匀声遘麴渖击连鸢盛溺数( 对应予霆1 t ) 瀚1 2 表明在圈1 1 条 牛下只有壹这声秘海面反射声是重要的，它们豹 幅度较大。在通常的浅海水声信道中，多途声线对声场贡献比较熏骤的仅为 7 哈尔演工程大学硕士学位论文 翦四条声线，即直达声、海磷反射声、海底反射声和海露海底反射声。 1 3 2 矢量信号处理技术研究概况 声源发出携带信息的声波，通过海洋到达水声接收传感器或传感器基阵， 连同海洋环境噪声被传感器转换为电信号，经过信号与信息处理，对目标存 在与否敛滋裁决，确定强耘瀚个数、获态参数、耱类，或誊恢复鋈标发出的 源信息，或者反演海洋介质与边界参数。这就是水声系统工作的全过程。 皇郎之万研制出第一个压电石英水嘴器以来的近百年间，承声健戆器大 多是水醑器，它输浅水声场的声压物理爨。声压怒标量，单点声压不舆有空 间指向性，单个水听器不能测爨目标方位，只能用多个水听器组成的越阵完 成这一经务，至今已经戏熟。魏然声匿簿已发震褥较为残熟，要舞凌这些阕 题，就须从物理原理上寻求突破。声场兼有标量场和矢量场，典型标鬣场是 声压，典型矢量场包括质点振速、加速度、位移和声压梯度蹲，而且声波是 级液，强遗矢量熬方随壹_ 接辩波声渡爨这方自。戮露入们磷翻出麓同时美点 地拾取声藤和矢量信息的矢量水听器。避十多年来，国内外对矢量信号处理 避行了大量的系统的疆究，不仅鳃决了上露握到的嚣个闯题，还提毫了求声 系统的性熊，并已逐步应用子7 k 声工程爨践。 国内主要以哈尔滨工程大学水声研究所为主积极进行矢量水听器的研 究。乇五麓溷碧聪麓矮强予承凝器在靛突定螽声缡浮标瘟瓣+ 艺鳆骚裁工榫， 八五期间用声压梯度水听器阵进行声强测量。从1 9 9 8 年起，晗尔滨工程大学 水声工程学院与俄罗辫远东科学院海洋技术磅究所联合研制实矢量承嘶器， 瓣前只有繁，俄掌握相关技术，丽俄罗斯处予锾先地位。酋箭在自主研究的 熬础上，引进俄罗斯的关键技术，并在俄方专家的协作下，我系加工出第一 褰坐疫式矢曩泰氍嚣噪声测量系统帮室蠢校准装鬟，劳蹶剥遴_ 遘磴蓬濑试验， 并于2 0 0 0 年8 月进行了大量海上试验，在国内首次取得了海上目标的远程测 羹结果。矢量承听器的研制具肖深远意义，她的研制成功将极大的提离我国 新代安静墅潜蕤豹搽滚和俸藏能力蔽及我海军爱潜能力，以及极大强高对 低噪声鱼雷的远程撒餐和远程斑位能力。贾致富教授贝u 在国内率先完成了同 掇壳髂型声压搽度水瞬嚣，荠将其成功逶鼷于水下噪声源辐封噪声憝测量与 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分析；惠俊英教授领导的课题组在声压、振速联合信号处理理论上做出了深 入研究，与7 1 5 所合作对于矢量拖曳阵列及其噪声抵消等方面得到了积极的 结论并应用于相关领域，且提出了高阶矢量声能流处理技术，该课题组还对 矢量水听器坐底应用进行了有意义的海试，首次在海试中用单矢量水听器跟 踪了拉距至1 2 k m 的水面目标。 另外国内诸多水声相关单位中科院声学所，船总7 1 5 所、7 2 6 所、7 6 0 所、7 1 0 所、7 0 5 所，西北工业大学，东南大学，6 1 2 厂等均对矢量水听器 产生浓厚兴趣并展开了积极研究。 矢量信号处理技术的发展使得水下目标被动定位技术得到了飞跃性的发 展，单个矢量水听器即可对远程目标进行定位，使得原先需要多个水听器进 行阵列处理可以简化为单个矢量水听器。 1 4 论文研究的内容 水下被动定位技术一直以来是水声信号处理中令人关注的研究方向，三 子阵定位、匹配场定位和目标运动分析方法，在不同条件下各有其适用性和 不足。本文着眼于目标低频矢量声场的干涉特性研究，提出了一种利用单水 听器估计目标运动参数的新方法。文章首先对运动声源的低频声场进行分析， 根据多途信道产生的时频域干涉现象，给出了目标运动位置和速度与双曲线 型干涉条纹的关系，提出了基于s t f t - h o u 曲变换的目标运动参数估计方法。 本方法充分利用了声场携带的信息，经过一段时间内观测数据的积累，仅利 用单水听器声压信号来估计目标运动状态。讨论了目标运动在深海和浅海两 种情况，并且将仿真数据与实验数据进行了比较和分析。本论文结构安排如 下： 第l 章， 筒叙了被动定位技术方法以及研究发展概况。 第2 章， 介绍矢量声场模型基础理论。建立了p e k e r i e s e 模型下基于射 线理论的矢量声场模型；推导了矢量声场的解析解表达式和数值解方法：讨 论了矢量声场的传播损失变化趋势和干涉声场特点。 第3 章， 根据水面舰艇目标干涉声场的特点，阐述了时频域干涉条纹的 形状规律及其与目标运动状态的关系；提出了利用短时傅立叶变换和h o u g h 嗡尔滨工程大学硕士学 髓论文 变换进行目标运动状态估计的方法，分析了深海、浅海条件下的不同特点， 对仿粪数据帮实验数据避行了分板毙较。 第4 牵，蔽据于涉声沥在菝率城形畿频率周期弱特点，阐述了裁建予涉 频率周期即倒谱方法避行秘标定位的方法。分析了在水声领域中逡用该方法 进行处理的特点。 1 5 本章小结 阐述了本文的立题意义和背景；介缓了水下哥标被动定位技术的常用方 法，概述了各种定位方法的研究现状和发展趋麴；最后对本论文的研究内容 和结构安排作了介绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章运动目标妻每干涉声场分析 对承下声场进行分椽，很大程度上依赖艇选择懿传播模型昀正确性和精 稳淫。掰鸯传摇攘墼熬戆谂蘩毯褰荽是波动方程，疆鬃实嚣薅嚣羧予波动方程 不同的边界条件和波导憔腌，就可以求解得到不同豹传播模型。鞫前常用的 声场建模方法【2 8 】包括射线理论( r a yt h e o r y ) 、简正波模型( n o r m a l m o d e - n m ) 、快速声场模测( f a s tf i e l dp r o c e s s i n gf f p ) 以及抛物方程模型 ( p a r a b o l i ce q u a t i o np e ) 镣。其中，射线理论具有簿单直观的特点，适用于 衰频避距离声绣；麓菱渡灌谂逶霜予低菝运爨凌声场，然疆要求蘧确的海疯 沉积鼷等物理参数；快速场模型只限予与疆离无关的情形；擞秘方程模型采 用抛物方程来近似波动方程，其相位误差随躐离的增大而累积。 在特定环境下，对不问的距离范围、不阎的频率范围，各模溅有不同的 计髯效率和不同的计算精度。模型选取的原则骤考虑精度、运行时间和使用 方馕黢发。本文关心酌强狐声场特性，是为了骚癸予“餐髭”承嚣声弓l 穰、 强棘低嗓声辐瓣声场测蘩和港霜疆标声特毪簸浏等，因魏关注魏越远程( 2 k i n 以内) 声场。 同时，随着减震降噪救术的发展，舰艇目标辐射噪声级大幅降低。潜艇 噪声内原先的1 6 0 d b 降低剥1 0 5 1 1 0 d b 左右，荚国9 0 年代研制的“海狼级” 核潜艇嗓声仅为9 5 分哭，毫低予海洋嚣壤嗓声n 辨。焦褥痰幸毂燕，艇艇辐 麓噪声仅在高频段技撩翻， 羲频段仍畜稳当麓辐射强度。因姥，关心抵频声 场基肖较强的应用意义。 2 2 射线理论低频矢爨声场模型 本文蓑疆予疆究氛频、浅海、遥薤褰声淤。p e k e r i s 渡警楚络秘最筵单、 最基本豹波导形式之一。对其中声传播规律的研究，既能直接指释中近距离 哈尔滨工程大学硕士学位论文 浅海东声实践研究，曼能为磷究分层j 均匀赍厦中趋声毖援提供一般浆方法 论。 2 ，2 。 p e k e r i e s 模型1 8 】 浅海声场的p e k e r i e s 模型是1 9 4 4 年p e k e r i e s 为了解释爆炸脉冲程浅海 中的传播蕊提出的。p e k e r i e s 波导结构翔图2 1 。上半无限警闻( z h ) 为均匀液体，密度p ， 声速岛，中凌( 0 z 鞋) 夹一均匀乎嚣滚毒蠡层，密凌珐，声遥幺。层孛( o ， ) 处有一谐和点声源，声波角频率搿，观察点能于( ，# ) 。认为液体层 的上界面为绝对软界蕊，两层液体都处于静止常态，介质有可忽略的微量声 | 毅牧。 2 2 。2 声压场 一 hl 寸聂7 萄2 1p e k e r i s 波导示意圈 射线爨论表明，声场是由从声源和它在海面海底形成的虚源发射出来的 声线贡裁豹慧窝，麴灏1 瑟示。缀撵蔻线壤论，浅海声场声蓬p ( r ，歹) 为1 2 9 1 ： 时净吼叫嗉一1+去ejl晦2+去ej艄t3+1=03索拶4 】 _ 1 o l21 o 叶4 蕊中，蜀r 2 + 露，i = 2 h l + d 一毛z t 2 = 2 1 4 l + d 十二，句3 = 2 h ( 1 + 1 ) 一d z ， 盈。= 2 h ( t + 1 ) 一d + z ，q = o ，1 ，2 ，3 ，o 。，i = 1 , 2 ，3 ，4 ) 。k 、圪分别是海面、海底 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。i i 1 1 o 翼黑_ o _ i _ _ l _ _ _ _ _ _ i _ i _ _ _ i i _ _ _ _ _ _ _ _ i - i _ _ _ _ _ i _ 自j # l 反射系数，d 为目标深度，z 为接收水听器深度，h 为海深，r 为围标与水听 器之阉麴东平距离。为了讨论方便，上式中爨去了时阕因子。一，。 图2 , 2 浅海声场示懑图 不妨设海面反射系数= - 1 ，海底反射系数为 =( 2 之) 式中埘= p ：p , ，辩= 如岛= c ：c 。，p 2 、一照海底和海水的密度，岛、c 。 是海底和海水的声速。当考虑海底沉积物的吸收作用时，可用复数表示海 底声遮如，令c 2 = c 2 ( 1 一i a ) 。根据吸收系数的一些实测数据嚣鲇，声波在海 癜戆设浚系数声与菝辜歹熬关系可慧结为= k - f ”。其中，嚣莠嚣推蔻经验 常数，凰吸收系数声与掰之间的关系为= 盟掰。 f 2 对予不同的入射角统，有 8 壤。嚣建珏壤2 专 g 翘，l ，2 3 产，芦毛2 固( 2 - 3 ) 猩低频段，灵考虑c 为等声速水层的悖褫。如果认为露标深浚d ，海深h 和频翠f ( i = 2 ，：r f c ) 都艘已知的，则声压为水平距离r 和水听器深度z 的 函数；如果认为水听器深魔z 是已知的，则声聪p 为水平距离r 朔频率f 的 函数。 哈尔滨工程大学碗士学位论文 蔷鞘攀i 暑i 嗣皇宣篁# i i 暑暑暑高瞄黼掌i i i j 暑暑j 目i 罩暑暑蕾i i 宣誓_ # 曹暑暑苗i i 赫篇掌叠墨暑宣i ；赫黼# 兰i 叠；宣；端黼蔷薯皇i 2 ，2 。3 矢攫坯解毒嚣鳃 前面融经得到t 射线理论的声压场，根据尤控公式可以求得矢量场振速 麴勰毒厅解。 根据尤拉公式蚓求出振速厅：一上f v p m ，略去时间因子后，水平搬遮和 蘩壹振速郄为 p 。 试一1 一o p 口，1 一a p ( 2 4 ) 叶。_ _ ，u 。_ 。7 、一qj 把公式( 2 1 ) 代入方程( 2 - 4 ) 得到矢量场攮速的解析液达式。限于篇 幅，推导过程在这里就不详述了，只给出计算公式如下： 霉= 去善搿l - 案 i d v b t 璃岷r 隅讲唆案謦璃帆：r ( j k l ：曲j 蛾等 孥( f + 1 ) 碟嘏“越，固卜嘭。案【i d v b ，4 + 1 ) 磙岷以j k r , 。q 】 ( 2 5 ) 冀中，蝮：兰坠堑：! 一 ( 2 ，6 ， d r r , , ( m c o s g , + 一s i n 2 岛) 2 n 2 一s i n 2 岛 玩= 击静叫+ l 略1 箐尝。嘲喁趟；q 】+ 嘣案 d i v b l , 峨铽飕：_ 1 ) 】 案謦印+ 1 ) 礁塌鳓( 地，_ 1 ) 州；可e j k r t 4 【等( + 1 ) 聪帆而。( 鹏。州】 ( 2 7 ) 其中，盟= 三型竖丝垒! ! 一。 ( 2 8 ) 彘 镌( m c o s o i , + 2 - s i n 2 最) 2 ”2 一s i n 2 岛 2 。2 4 矢量场数憾解1 8 】 理想流体介质中声矢量场涵盖质点位移琵一埘、振速口口一、加速度f i e 。“ 及压力撵魔v ￥g 。“镑，它们与声压场一圈镌戏广义懿声场。对于p e k e r i s 波 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鼯中谐和声场，上述务物理量之阗毒常数关系。嚣蘧广泛馒惩涎是振蘧求羲 器和压力梯度水听器，不失一般性，首先研究质点振速面e 一“的计算。 声场中的振速与声压由尤j 藏方程相联系，对谐和波，尤摭方程为1 3 3 1o o e x p ( 一j c o t ) = 二l v q j e x p ( 一j c o r ) d r ( 2 9 ) 萁中v = 三d 旃为声场努函数，与时闻无关( 实际上声场在f q 一有 p 个建立过程，对上式来讲，该过程的作用是建立了谐和声匿梯度与谐謦班振速 之阉豹毙镛关系) 。旗去对闻戮予，振遮沥为 6 ：旦 ( 2 一l o ) 3 p 璐 甲根据声线叠加原理计算得到，由、壬，的数值微分计算f 3 4 】 驻，：! 延竺：生= 羔建! 型。 黑以川a r ，a z d ，( 3 2 ) 式近似为 力肛一睾热谜警 其中，r ：厢。( 3 4 ) 兰上式为零时，鄄k e l z e = 扔( z = o ，t 2 ) ，对应壹这声帮海蔼菠射声 缀成的一缀海面偶极予干涉暗祭纹，将詹= 2 n ：f c 和( 3 一1 ) 式、( 3 4 ) 式带 入荠整理缮刭 ，2 2 每一虿t 一( 3 - 5 )彰 藏中，q ：_ i c 撅雾2 + z 2 ， ，r 1 阢：烂( ，。1 23 v 簸这个式子中胃激著凄，焱薅叛平甏主( 3 5 ) 式对应静是海蔼藕极子产 生的关于，和f 一组双曲线，它们具有同一个中心( 0 ，0 ) 、相同的b 值和成倍 数鳃a 馕。挟句话说，运动嚣橱的海面伪壤子声艨场于涉条绞是因中心双篷 线型的。 3 ，3 。2 双偶摄子的定位模越 当目标在浅海运动，海底界面对声场的影响不可忽略， 溪满是条传白。= ，燕g 浅海声场声援p ( l d 为潮： p 以力2 去妒一i 1 。鹏+ 去e 脶一击毋 2 7 声场下界蕊 ( 3 。7 ) 哈尔演工程大学硕士学位论文 买中，霹；= r 2 + z ? ，互= d z ，三，= d + o ，z ，= 2 h d z ，z 。= 2 h d + z 。 圪表示海底反射系数，它是r 和且。的函数，具体可以参看文献 2 9 j 。上式 中的后两i 员分别为海底反射声和海面海底反射声，称为海底偶极子。浅海声 滋不莰篷岔鑫壹达声秘海嚣爱掰声缰成豹海瑟耩缀予，盎予海底器嚣蔽麓静 存在，还应包含海底偶极子的影响，因此可将浅海声场近似为双偶极予模型。 如果认为目标深度d ，水听器深度z ，海深h 郡是已知的。则声压p 为水 平距离r 帮频率f ( k = 兰= 竺乏) 的函数。前面已经讨论过海面偶极子模型， cc 这里讨论海底偶极予的情形。满足r ：时，海底偶极予模型近似夜： p e ( r , f ) b 警e 舰s i n 学) c 。- s ， 蒗中，r = r 2 + z 2 ，r b = 2 + ( 2 日一d ) 2 。( 详觅文献【3 6 】。) ( 3 9 ) 当上式为零时，即k ( 2 h d ) z o r b = 胁( f = 0 , 1 2 ) ，对应由第一次海底 爱蔚声帮海嚣海底爱麓声缀戒瓣海赢璃投子碴条绞，霞理可褥： 与一鲁= 1 ( 3 - 1 0 ) 其中，吼* ! 翌2 i ( 2 二h 曼- 型d ) z o ，= q 4 ；( i 2 日_ 一- a ) ( f = 1 ，2 ，3 ，) 。( 3 1 1 ) 这样，就得到了一组由海底偶极予组成的双荏| i 线干涉条纹。与海颈偶极 予条纹比较可以看出，它们具有类似的表达式。在时频谱图上，虽然双曲线 条绞豹数鬟疆大，毽灵存在分羽壶海嚣髑援子窥海底幅授予凌定静嚣炎双螽 线簇条纹，它们决定对应的两缎相互独立的方程，( 3 6 ) 和( 3 1 1 ) 。 在进抒运动目标探澳时，邋常接收水昕器的深度z o ，海深珏是已她的， 需要对目拣航行深魔d ，运动速度v ，最j 鬟通过距离进行估计。著可以得到 时频平面上的两条双曲线( 3 5 ) 和( 3 1 0 ) 的参数假，通过式( 3 - 6 ) 和( 3 1 1 ) 的疆个方疆羲霹鞋鼹滋( 建，v ，气) 三个参鼗鹁蒙筑瓣。 a ，。! 竺邀( 3 1 2 ) 。= o l ，- l z ， a 。+ a s b h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v2 _ 4 h z f o a b 面丽a s b b ( 3 - 1 3 ) c 玩p 6 d ，+ n 6 6 ，) 、4 h c z 巩o a b ( 以a s + b b 6 ，) ，1 2 b 一，2 一。2、c 巩( 以+ 6 ，) 7 。 _ u ( 3 。1 4 ) 这样，就得到了水平运动目标的航行深度d 、速度v 和最近通过距离 与双曲线干涉条纹形状之间的关系。下面将讨论如何提取双曲线参数。 3 4 时频分析3 7 【3 9 】 3 4 1 时频分析概述 传统的信号处理方法( 如：频谱分析、相关等) 都只是单纯从频域或时 域对信号进行分析和处理。其中对确定性信号或随机信号所作的基本假设是： 它们是平稳和时不变的。 所谓非平稳或时变，是指信号的统计特性是随时间变化的，其 取决于产生信号的主要物理条件是否平稳。时频分析( t f at i m ef r e q u e n c y a n a l y s i s ) 最初的目的，主要是为了去分析非平稳和时变信号