中近程目标定位方法研究

论文摘要

水声定位技术已经成为水声领域的研究重点。本文主要仿真研究了两种水声定位方法,即低频目标回波亮点测量方法和利用单矢量水听器的基于波导不变量被动测距的水声定位方法。这两种方法不仅可应用于水声定位领域,而且也可为探索声纳信号处理新技术提供基础,同样本文研究的这两种新方法也适合于声学测量领域。本文研究的低频目标回波亮点测量法中的关键技术是聚焦波束形成。与远场平面波波束形成只能测向不同的是,聚焦波束形成可以用来对目标进行定位。在目标深度已知的前提下,聚焦波束形成的输出是关于目标方位和距离的函数。本文首先阐述了极坐标系下常规聚焦波束形成的基本原理,主要包括理想条件下的单亮点、双亮点模型以及多途条件下的亮点模型,并分析了影响聚焦峰尺度(聚焦峰分辨力)的三大因素,即工作频率、基阵孔径和目标距离。本文接下来研究了单突出亮点模型下的近程低频目标回波亮点测量方法。从远场平面波MVDR波束形成思想出发,推导了MVDR聚焦波束形成并对其性能进行了仿真分析。仿真结果表明,相比常规聚焦波束形成,MVDR聚焦波束形成可获得更尖锐的聚焦峰和更低的旁瓣级。本文提出了三种适合于目标回波亮点的测量方法,即MVDR聚焦波束形成、拷贝相关MVDR聚焦波束形成以及STMV聚焦波束形成。在相同的仿真条件下,验证了这三种方法都能取得优于常规聚焦波束形成的分辨能力,其中拷贝相关MVDR聚焦波束形成和STMV聚焦波束形成分辨目标回波亮点的能力比MVDR聚焦波束形成要好。本文最后研究了引导声源被动测距法。引导声源被动测距法是一种稳健的、不依赖于声场精细结构的被动测距方法,其关键技术在于波导不变量的提取。本文推导了两种种矢量场干涉条纹方程,利用这些方程并结合互谱声强测向原理和Hough变换可提取声场中的波导不变量。本文提出了一种基于波导不变量的引导声源被动测距法,该方法只需通过单矢量水听器接收引导声源和目标辐射的宽带谱信号,再辅助波导不变量的思想便可以估计出待测目标的距离,仿真实验验证了该方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 立题背景和意义
• 1.2 目标回波亮点测量技术的发展
• 1.3 被动测距技术的发展
• 1.4 论文主要内容
• 第2章 聚焦波束形成原理
• 2.1 引言
• 2.2 水平直线阵聚焦波束形成原理
• 2.2.1 理想信道条件下的单亮点模型
• 2.2.2 理想信道条件下的双亮点模型
• 2.2.3 多途条件下的亮点模型
• 2.3 聚焦峰尺度分析
• 2.4 仿真研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 高精度低频目标回波亮点测量原理
• 3.1 MVDR聚焦波束形成原理
• 3.1.1 MVDR波束形成
• 3.1.2 MVDR聚焦波束形成
• 3.1.3 宽带MVDR聚焦波束形成
• 3.1.4 拷贝相关MVDR聚焦波束形成
• 3.2 STMV聚焦波束形成原理
• 3.2.1 STMV波束形成
• 3.2.2 STMV聚焦波束形成
• 3.3 算法仿真与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 引导声源被动测距
• 4.1 引言
• 4.2 波导不变量提取原理
• 4.2.1 干涉条纹方程推导
• 4.2.2 互谱声强测向原理
• 4.2.3 Hough变换
• 4.2.4 波导不变量的仿真研究
• 4.3 引导声源被动测距技术
• 4.3.1 引导声源被动测距原理
• 4.3.2 仿真研究
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢