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水声声图测量技术研究

作　者: 梅继丹
导　师: 惠俊英
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 声图测量聚焦波束形成高分辨近场波束零陷源深度测量
分类号: TB566
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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MVDR聚焦波束形成算法和STMV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Bartlett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。因为水平阵在垂直方向是无指向性的，所以关于水平阵的声源深度测量问题文献中一直未有涉及。论文提出对于过阵航行的特殊航行过程，利用某一深度的声图测量的定位结果，根据目标与阵的几何关系是可以解得声源深度的。文中研究了几何法和圆交汇法两种用于水平阵的声源深度测量方法。前一种方法适用于阵水平情况，而后一种方法用于阵有一定角度倾斜的情况。在对声源被动定位的基础上，对声图测量在辐射噪声源分离中的应用进行了初步探讨。研究了各噪声源信号的分离提取的方法，并分别从时域和频域的角度分析了方法的分离性能。论文基于水平阵、垂直阵以及面阵对声图测量算法进行了仿真研究，并通过4个航次的水平阵海试，验证了声图测量中的各种算法。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-28
  1.1 立题背景和意义  13-14
  1.2 水声被动定位技术发展概况  14-19
  1.3 被动声成像技术发展概况  19-22
  1.4 与声图测量有关的若干技术发展简介  22-26
     1.4.1 自适应波束形成技术  22-23
     1.4.2 自适应干扰抵消技术  23-25
     1.4.3 波束零陷形成技术  25-26
  1.5 论文的研究内容  26-28
第2章声图测量法的基本原理及影响因素分析  28-70
  2.1 引言  28
  2.2 聚焦波束形成算法  28-30
  2.3 水平阵声图测量原理  30-42
     2.3.1 理想条件下的数学模型  31-34
     2.3.2 多途对水平阵声图测量的影响  34-42
  2.4 垂直矢量阵声图测量原理  42-50
     2.4.1 测量几何模型  43-44
     2.4.2 多途对垂直阵声图测量的影响  44-46
     2.4.3 垂直矢量阵声图被动定位  46-49
     2.4.4 仿真研究  49-50
  2.5 矩形阵三维声图测量原理  50-53
  2.6 影响声图测量的各项因素  53-63
     2.6.1 阵长、频率及目标距离对声图测量的影响  53-54
     2.6.2 阵稀疏对声图测量的影响  54-60
     2.6.3 网格大小对声图测量的影响  60-61
     2.6.4 积分时间对声图测量的影响  61-63
  2.7 水平阵声图测量实验结果分析  63-68
  2.8 本章小结  68-70
第3章高分辨声图测量方法研究  70-82
  3.1 MVDR聚焦波束形成算法研究  70-73
  3.2 STMV聚焦波束形成算法研究  73-76
  3.3 仿真及实验数据分析  76-81
     3.3.1 仿真分析  76-79
     3.3.2 实验数据处理  79-81
  3.4 本章小结  81-82
第4章近场波束零陷问题研究  82-99
  4.1 引言  82
  4.2 基于自适应干扰抵消的近场波束零陷方法  82-88
     4.2.1 亮点信号提取方法  83
     4.2.2 基于亮点信号提取的自适应干扰抵消法  83-84
     4.2.3 仿真及实验分析  84-88
  4.3 基于Bartlett权的近场波束零陷形成方法  88-98
     4.3.1 Bartlett波束形成原理  88-89
     4.3.2 远场Bartlett波束零陷权推导  89-93
     4.3.3 近场Bartlett波束零陷权形式  93-94
     4.3.4 仿真及实验分析  94-98
  4.4 本章小结  98-99
第5章水平阵声图的声源深度测量方法研究  99-113
  5.1 引言  99
  5.2 扫描深度对声图测量的影响  99-100
  5.3 几何测深法  100-105
     5.3.1 扫描深度大于目标声源实际深度  100-102
     5.3.2 扫描深度小于目标声源实际深度  102-103
     5.3.3 仿真及实验分析  103-105
  5.4 圆交汇测深法  105-111
  5.5 本章小结  111-113
第6章声图测量在声源信号分离提取中的应用  113-121
  6.1 噪声源信号分离提取  113
  6.2 基于噪声源信号分离提取的信号相关特性分析  113-116
  6.3 基于噪声源信号分离提取的声源谱特性分析  116-118
  6.4 实验分析  118-120
  6.5 本章小结  120-121
结论  121-124
参考文献  124-134
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  134-136
致谢  136-137

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