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声相关测速技术研究

作　者: 薛敬宏
导　师: 乔晓林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 声相关计程仪波形不变性原理 Kirchhoff近似约束最小冗余线阵直接搜索法
分类号: TH824
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

声相关计程仪利用“波形不变性原理”进行测速,是一种适合装备在潜艇及自主水下运载器的导航设备,相比于声多普勒计程仪而言,由于采用垂直向下发射宽波束,不但可以得到更强的回波信号,而且在相同换能器尺寸的前提下,可以采用更低的工作频率以减少海水吸收和传播损失,从而使相关计程仪要比多普勒计程仪作用距离远得多。声相关计程仪的研究对维护我国的海洋权益,科学开发海岛、利用海洋资源具有重要意义。论文根据声相关计程仪的工作原理进行仿真系统的总体方案设计,将系统仿真分为海底回波仿真、波形设计、海底探测、换能器基阵设计、构造代价函数及寻优算法等若干模块,模块化的设计理念有利于系统的维护及今后向硬件平台的移植。论文根据单脉冲发射体制对相位编码的要求,采用截短的Gold序列平衡码作为子码,构成所需位数的长码,所产生编码的自相关函数具有双相关峰特性,这与双脉冲发射的测速体制相对应,解决了双脉冲发射体制测速中脉冲宽度和脉冲发射间隔时间之间的矛盾。论文将Kirchhoff海底散射模型和混响网络模型相结合,实现了海底回波信号的仿真。利用时-空相关函数,推导出一维到三维船速,采用平面阵进行接收时,两基元接收回波相关性最大的条件,该结论对声相关计程仪回波信号的仿真及平面阵测速研究具有一定的理论指导意义。换能器基阵结构设计在声相关测速技术中具有重要地位,由于测速原理是根据接收换能器基元之间形成的不同位置矢量而不是不同的基元位置来提高测速的空间分辨力,因此换能器基阵结构设计实际上是在保证阵列孔径利用率一定的前提下,能够采用尽量少的换能器基元实现声相关测速的需求。论文根据声相关计程仪的测速特点,研究了一维、二维基阵的设计方法,在借鉴传统的约束最小冗余线阵概念的基础上,重新定义了冗余因子、建立理想位置矢量图模型、提出位置矢量覆盖率等概念,进而实现了适合应用于声相关测速需求的二维基阵的快速设计。针对海底混响回波信号具有“拖尾”的特性,论文研究了冲激响应具有二阶导数特性的匹配滤波器,补偿了传播损失对信号幅度衰减的影响,提高了检测概率,同时采用脉冲压缩技术,提高了距离分辨力,冲激响应具有二阶导数特性的匹配滤波器设计与脉冲压缩技术相结合,解决了测量深度、幅度衰减和距离分辨力之间的矛盾。论文在利用理论和数据协方差矩阵构成似然函数作为寻优代价函数的基础上,提出了一种有界的单纯形算法与模式算法相结合的混合算法,理论上证明了该算法的收敛性,并将自适应模拟退火算法引入到声相关计程仪测速中,从而提高了声相关计程仪的测速精度。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-25
  1.1 课题的背景和意义  15-19
  1.2 研究的历史和现状  19-23
    1.2.1 国外的研究现状  19-21
    1.2.2 国内的研究现状  21-22
    1.2.3 ACL研究动态  22-23
  1.3 本文的研究内容  23-25
第2章声相关测速系统仿真研究  25-33
  2.1 声相关工作原理—波形不变性  25-27
  2.2 系统总体方案设计  27-28
  2.3 硬件框图描述  28-29
  2.4 软件模块功能  29-32
    2.4.1 波形设计模块  30-31
    2.4.2 回波仿真模块  31
    2.4.3 换能器基阵模块  31
    2.4.4 底探测模块  31
    2.4.5 速度寻优算法模块  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章海底回波建模  33-57
  3.1 波形设计  33-41
    3.1.1 单脉冲与双脉冲发射体制比较  33-34
    3.1.2 波形设计实现途径  34-35
    3.1.3 m序列产生  35-36
    3.1.4 Gold序列  36-37
    3.1.5 平衡码的产生  37
    3.1.6 截短Gold序列平衡码  37
    3.1.7 平衡码的优选  37-38
    3.1.8 长码及其自相关特性  38-40
    3.1.9 仿真结果  40-41
  3.2 海底混响模型  41-42
  3.3 海底散射模型  42-49
    3.3.1 APL-UW散射模型  43-47
    3.3.2 Lambert公式  47-48
    3.3.3 模型/数据比较  48-49
  3.4 时-空相关函数  49-52
    3.4.1 海底回波信号  49-52
    3.4.2 时-空相关函数  52
  3.5 满足最大相关的条件  52-54
    3.5.1 二维（或一维）船速  52-53
    3.5.2 三维船速  53-54
  3.6 仿真结果  54-56
  3.7 结论  56
  3.8 本章小结  56-57
第4章水声换能器基阵设计  57-70
  4.1 换能器基阵  57
  4.2 基阵设计方法  57-59
  4.3 基阵设计原则  59-60
    4.3.1 最小冗余  59
    4.3.2 矢量图模型  59-60
    4.3.3 满足声相关测速要求  60
  4.4 仿真设计  60-63
  4.5 RDI公司ACCP基阵结构  63-69
    4.5.1 工作频率  64
    4.5.2 波束宽度  64-65
    4.5.3 发射换能器基阵  65-69
  4.6 本章小结  69-70
第5章时-空相关测速方法  70-99
  5.1 海底探测技术  70-77
    5.1.1 海底探测系统  70-72
    5.1.2 匹配滤波  72-74
    5.1.3 脉冲压缩  74-77
  5.2 时-空相关测速方法  77-78
  5.3 最大似然估计  78-82
    5.3.1 代价函数  79-81
    5.3.2 理论协方差矩阵  81-82
  5.4 混合算法  82-92
    5.4.1 传统的单纯形算法（CSM）  82-85
    5.4.2 改进的算法  85-90
    5.4.3 仿真结果  90-92
  5.5 模拟退火算法  92-98
    5.5.1 传统的模拟退火算法（CSA）  93-94
    5.5.2 快速模拟退火算法（FSA）  94-95
    5.5.3 自适应模拟退火算法（ASA）  95-96
    5.5.4 算法的收敛性  96-97
    5.5.5 仿真结果  97-98
  5.6 本章小结  98-99
结论  99-101
参考文献  101-109
攻读学位期间发表的学术论文  109-111
致谢  111-112
个人简历  112

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