时间反转镜被动定位技术研究

论文摘要

本文以目标被动定位为背景,研究了基于时间反转镜的目标被动定位技术。其目的在于:研究基于时间反转镜技术的目标被动定位算法。论文的主要研究工作集中在以下几个方面:第一,基于射线传播模型,根据声场的互易性原理,讨论了时间反转镜定位的基本原理,推导了时间反转镜定位的基本公式,建立了单元、二元、多元声压传感器和矢量传感器时间反转镜被动定位模型。研究表明,实现时间反转镜被动定位的关键是信道建模与实际海洋传播信道的匹配程度,也就是主动时间反转聚焦过程在信号处理中实现的程度。第二,用仿真数据验证了算法和程序的正确性,评估了时间反转镜被动定位算法的性能。利用射线传播模型计算了信道的传递函数;根据各被动定位公式,进行了目标二维（距传感器水平距离和水下深度）被动定位处理。仿真数据处理结果表明:时间反转镜被动定位算法能实现被动定位,且定位的精度达到了搜索步长（论文处理的最小步长是水平5米,深度2米）;单水听器时间反转镜被动定位技术检测能力达-8dB,且随着阵元数增加,检测能力也随之提高。仿真结果还表明:时间反转镜处理增益不小于平面波假设下的处理增益。第三,处理了垂直阵海上试验数据,揭示了时间反转镜潜在的应用价值。海试数据处理表明:单元声压、矢量传感器时间反转镜处理即可实现被动定位;多元声压传感器阵时间反转镜的检测能力明显提高。但海试数据时间反转镜处理的定位精度远不如仿真数据处理结果,这就提出了时间反转镜被动定位新的研究内容,即信道建模的正确性和算法的宽容性研究。第四,进行了时间反转镜技术初步应用研究。物理时间反转镜可实现自动聚焦,自适应地克服多途效应对声纳性能的不利影响。湖试表明,采用物理时间反转镜和被动时间反转镜方法,均可提高在混响限制条件下的检测能力,提高目标信混比。改善信道多途效应对传统被动测距性能影响,同样也有时间反转镜被动定位技术的用武之地,文中进行了理论分析及仿真研究。第五,矢量水听器时间反转镜被动定位技术研究。海洋传播的声信息既有标量信号,也有矢量信号。声压是标量,振速信号是矢量。单矢量水听器时间反转镜定位处理,可获得二元声压阵时间反转镜定位效果,但其运算量也是单声压水听器的两倍。矢量水听器与时间反转镜联合处理后,单矢量水听器即可实现空间三维定位。二元矢量阵时间反转镜检测能力明显高于单矢量水听器。作为一项新兴的被动定位技术,时间反转镜被动定位技术的研究,国内尚处于起步阶段,作者希望本文能够有助于促进此项技术的深入研究,使这一新技术早日应用到声纳装备上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本论文研究的主要目的和意义
• 1.2 时间反转镜定位技术
• 1.2.1 声纳定位技术
• 1.2.2 时间反转镜技术
• 1.2.3 时间反转镜定位主要研究方向
• 1.3 匹配场定位与被动时间反转镜定位
• 1.4 声传播的计算
• 1.4.1 传播理论
• 1.4.2 声场互易原理
• 1.4.3 射线传播模型及声场计算问题
• 1.5 矢量水听器时间反转镜定位
• 1.5.1 矢量声场及矢量信号处理
• 1.5.2 矢量水听器
• 1.5.3 矢量信号处理基础
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第2章 时间反转镜被动定位理论研究
• 2.1 单声压水听器时间反转镜定位
• 2.1.1 定位原理
• 2.1.2 信道建模及数学表达式
• 2.2 二元声压阵时间反转镜定位
• 2.2.1 定位原理
• 2.2.2 信道建模及阵增益讨论
• 2.3 多元声压阵时间反转镜定位
• 2.3.1 基于空间匹配滤波的多元阵时间反转镜定位
• 2.3.2 子阵组合法多元声压阵时间反转镜定位
• 2.4 矢量水听器时间反转镜定位技术
• 2.4.1 单矢量水听器时间反转镜定位
• 2.4.2 二元矢量水听器阵时间反转镜定位
• 2.5 本章小结
• 第3章 时间反转镜被动定位仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 单水听器时间反转镜定位仿真
• 3.2.1 信道仿真
• 3.2.2 时间反转镜定位仿真
• 3.3 二元声压阵时间反转镜定位仿真
• 3.4 多元声压阵时间反转镜定位仿真
• 3.4.1 基于空间匹配滤波的多元阵时间反转镜定位仿真
• 3.4.2 子阵组合法多元声压阵时间反转镜定位仿真
• 3.5 矢量阵时间反转镜定位仿真
• 3.5.1 单矢量水听器时间反转镜定位仿真
• 3.5.2 二元矢量阵时间反转镜定位仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 时间反转镜应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 时间反转镜提高信混比技术研究
• 4.2.1 混响特征
• 4.2.2 提高信混比方法
• 4.2.3 物理时间反转镜湖上试验
• 4.2.4 物理时间反转镜湖试结果
• 4.2.5 湖试数据处理
• 4.3 时间反转镜应用于被动测距性能改进
• 4.3.1 被动测距数学模型
• 4.3.2 多途干扰对被动测距性能影响
• 4.3.3 时间反转镜技术应用于被动测距
• 4.4 本章小结
• 第5章 海试数据分析处理
• 5.1 引言
• 5.2 试验有关情况介绍
• 5.3 试验数据处理
• 5.3.1 产生模拟信道
• 5.3.2 单水听器时间反转镜定位
• 5.3.3 二元声压阵时间反转镜定位
• 5.3.4 多元声压阵时间反转镜定位
• 5.4 改进的多元声压阵时间反转镜定位方法
• 5.4.1 算法改进的必要性
• 5.4.2 改进后算法
• 5.4.3 海试数据处理
• 5.5 矢量水听器时间反转镜定位
• 5.5.1 矢量水听器海上试验情况说明
• 5.5.2 单矢量水听器时间反转镜定位
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历