基于矢量声场的水下被动探测与定位技术研究

论文摘要

复杂海洋环境对声纳性能的限制性影响一直被认为是水声物理和水声工程领域最重要的挑战。随着声隐身技术和远射程对抗武器的发展，研究安静型目标辐射声场特征，探索适用于复杂海洋环境的新型远程被动探测技术势在必行。另一方面，中、近程强机动水下目标被动定位是发展安静型潜艇对抗武器和其它水下航行器的重要保障。本文对水下目标被动探测定位领域最富挑战性的两个课题，即中、远程目标被动探测定位的物理基础和中、近程强机动水下目标的高精度跟踪定位关键技术，展开理论、试验和应用研究。论文的主要研究内容包括：一、浅海矢量声场干涉结构研究推导了浅海矢量声场的简正波表达式，分析了矢量场的能量关系与特性，并对矢量声场干涉结构特性进行了仿真研究，随后介绍波导不变量的定义，探讨了矢量声场干涉结构的波导不变量表征，对波导不变量特性进行了理论推导和数值计算。最后进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性海上测量试验。实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性。二、浅海矢量声场干涉结构的时空处理及应用研究推导了波导条件下矢量线列阵常规波束形成器波束输出的数学表达式，分析时空采样相干处理对矢量场干涉结构影响机理，对波束域干涉结构特性进行了仿真研究，理论、仿真结果表明波束域输出干涉条纹强度、分布等细节受波束图调制而产生变化，但是条纹斜率的自然不变性保持。随后研究了干涉谱图的映射以及映射域的脊特征，提出了基于矢量声场干涉结构的目标检测预警器，对可行性做了仿真分析，并利用海上实测数据对目标检测预警器进行了原理性验证。研究结果表明，该检测预警器可有效的检测动、静目标，并指示目标运动状态。三、分布式矢量阵被动定位关键技术研究分析了运动干扰对分布式定位系统的影响，提出了一种适应运动干扰背景的单矢量水听器目标方位估计方法，即导向声强器，对导向声强器的性能进行了仿真研究，进行了海上试验验证和效果评估。研究了基于单矢量水听器的方位估计器的视在方位序列的统计特性，提出了一种基于视在方位序列分析的分布式系统多站被动定位跟踪协同算法，该算法既可减少初始航迹建立过程中产生的大量虚警，又可有效融合多站信息，结合导向声强器，还能提高分布式被动定位系统抗干扰能力，已投入实际应用。四、浅海信道有效声速估计方法及应用研究提出了基于本征声线视在搜索的浅海信道有效声速估计方法，获取了对三种浅海信道有效声速空间分布的物理图像，提出了有效声速梯度概念，对空变特征进行了分析，开展了浅海信道有效声速测量实验，并探讨了浅海信道有效声速及其估计方法在长基线水声定位阵元位置规划，精确定位模型建立等方面的应用，应用效果良好。本文前两方面研究工作成果对有效提高安静型目标检测、识别的稳健性及增加探测距离有重要意义，在远程被动测距、海洋环境监测以及水声通信等方面也有应用价值；后两方面研究工作成果较大的提升了水下机动目标高精度被动定位跟踪性能和能力，在水声测距、分布式主动定位系统与信道匹配等方面也有应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 声场干涉结构研究进展
• 1.3 声场干涉结构的应用研究进展
• 1.4 水下机动目标被动定位技术研究进展
• 1.5 浅海信道有效声速研究进展
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 浅海矢量声场干涉结构
• 2.1 引言
• 2.2 分层介质波导中的矢量声场
• 2.2.1 矢量声场的简正波展开
• 2.2.2 声场能量关系与谱密度特性
• 2.2.3 干涉结构特性仿真研究
• 2.2.4 环境噪声中的信号场
• 2.3 矢量声场干涉结构的波导不变量表征
• 2.3.1 波导不变量定义
• 2.3.2 理想波导中的波导不变量
• 2.3.3 实际水平不变环境中的波导不变量
• 2.3.4 条纹强度等值线方程
• 2.4 矢量声场干涉特性试验研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 浅海矢量声场干涉结构的时空处理及应用
• 3.1 引言
• 3.2 矢量阵列波束干涉结构
• 3.2.1 波束声能谱
• 3.2.2 仿真研究
• 3.3 目标检测预警器
• 3.3.1 干涉结构的映射
• 3.3.2 目标检测预警器
• 3.3.3 仿真研究
• 3.3.4 试验验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 分布式矢量阵被动定位关键技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 分布式矢量阵被动定位技术
• 4.3 点源干扰背景下目标方位估计
• 4.3.1 导向声强器
• 4.3.2 仿真研究
• 4.3.3 试验验证
• 4.4 视在方位序列分析及其在被动定位跟踪中的应用
• 4.4.1 视在方位序列分析
• 4.4.2 多站协同纯方位定位跟踪算法
• 4.4.3 应用实例
• 4.5 本章小结
• 第5章 浅海信道有效声速估计方法及应用
• 5.1 引言
• 5.2 基于本征声线视在搜索的有效声速估计
• 5.3 浅海信道有效声速的空变特征分析
• 5.4 浅海信道有效声速的测量实验
• 5.5 有效声速及估计方法的应用
• 5.5.1 在目标定位跟踪中的应用
• 5.5.2 在布阵规划中的应用
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位论文期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢