分类号 TP566 学号 09070042 密级 公 开 工学硕士学位论文 基于水平阵的浅海时反匹配基于水平阵的浅海时反匹配 多目标定位研究多目标定位研究 硕士生姓名 赵希勇 学 科 专 业 水声工程 研 究 方 向 水声信号处理 指 导 教 师 倪 明 教授 国防科学技术大学研究生院国防科学技术大学研究生院 二一一二一一年年十十一月一月 基 于 水 平 阵 的 浅 海 时 反 匹 配 多 目 标 定 位 研 究 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 Studies on the Technology of Passive Time-Reversing and Matched-Field Location of Multiple Sources in Shallow Ocean Based on Horizontal Array Candidate：Zhao Xiyong Advisor：Ni Ming A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Underwater Acoustic Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China November，2011 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i ABSTRACT . ii 第一章 绪论 1 1.1 研究背景和意义 . 1 1.2 目标定位方法综述 . 2 1.3 时反匹配目标定位发展情况 . 3 1.3.1 匹配定位技术综述 3 1.3.2 时间反转技术综述 5 1.4 本文主要内容 . 7 第二章 海洋声场计算与时反匹配定位技术 . 9 2.1 海洋环境 . 9 2.1.1 声速剖面 9 2.1.2 海面海底 10 2.1.3 海洋环境噪声 . 10 2.2 波动方程及求解 . 11 2.2.1 波动方程 11 2.2.2 波动方程的简正波解 11 2.3 海洋声场的数值计算 . 14 2.3.1 Kraken 方法 14 2.3.2 WKBZ 方法 16 2.3.3 BDRM 方法 18 2.3.4 计算实例 19 2.4 时反匹配定位技术 . 21 2.4.1 时反定位原理分析 21 2.4.2 匹配定位的原理分析 23 2.4.3 时反定位和匹配定位的关系 24 2.5 时反匹配定位性能分析 . 24 2.6 基于水平阵的水下目标定位方法 . 25 2.7 小结 . 26 第三章 水下目标的测向及目标源数的确定 . 27 3.1 目标方位角估计方法 . 27 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 3.1.1 基于平面波假设的方位角估计方法 27 3.1.2 子空间相交方法 30 3.2 目标数目估计方法 . 33 3.2.1 原理分析 34 3.2.2 仿真分析 36 3.3 小结 . 37 第四章 水下多目标时反匹配定位的实现 . 38 4.1 高分辨时反匹配方法 . 38 4.1.1 MVDR 时反匹配定位 38 4.1.2 降阶的最大似然估计 38 4.1.3 区域聚焦 39 4.1.4 总结 40 4.2 最大似然估计方法 . 40 4.2.1 最大似然估计器 . 40 4.2.2 交互最大处理 41 4.2.3 投影线性时反匹配定位 . 42 4.3 仿真实验 . 43 4.3.1 实验设置 43 4.3.2 参数设置对模糊度表面的影响 . 44 4.3.3 强目标干扰下弱目标的检测定位仿真 46 4.4 空域滤波方法 . 47 4.3.1 基本原理 48 4.3.2 滤波矩阵的求解 51 4.3.3 仿真实验 54 4.4 小结 . 59 第五章总结与展望 . 60 5.1 论文工作总结 . 60 5.2 论文工作展望 . 60 致 谢 62 参考文献 . 63 作者在学期间取得的学术成果目录 67 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 4.1 仿真实验参数设置 . 43 表 4.2 方位角估计误差对目标定位的影响 . 46 表 4.3 Bartlett、MVDR、BartP 定位多目标对比 . 47 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 2.1 水平不变的声场环境示意图 . 12 图 2.2 BDRM 方法原理图 18 图 2.3 浅海声声速剖面图 . 20 图 2.4 BDRM 和 Kraken 方法的简正波对比图 . 20 图 2.5 BDRM 和 MOATL 计算的波形图 21 图 2.6 主动时反聚焦原理示意图 . 22 图 2.7 被动时反定位原理图 . 22 图 2.8 匹配定位原理图 . 23 图 2.9 有效阵孔径与有效阵元间距示意图 . 26 图 2.10 水平阵设置示意图 . 26 图 3.1 目标相对阵元方位角示意图 . 27 图 3.2 单目标方位角估计图 . 29 图 3.3 双目标的方位角估计图 . 30 图 3.4 较少水平波数的多目标方位角估计图 . 33 图 3.5 较多水平波数的多目标方位角估计图 . 33 图 3.6 AIC 和 MDL 目标数目估计图 36 图 3.7 浅海中的单频信号源数目估计 . 37 图 4.1 仿真实验海洋环境参数 . 43 图 4.2 信噪比对模糊度表面背景起伏的影响 . 44 图 4.3 阵列深度对模糊度表面背景起伏的影响 . 44 图 4.4 阵元间距对模糊度表面背景起伏的影响 . 45 图 4.5 方位角估计误差对模糊度表面背景起伏的影响 . 45 图 4.6 空域矩阵滤波示意图 . 49 图 4.7 矩阵优化程序流程图 . 54 图 4.8 通带阻带划分示意图 . 55 图 4.9 500Hz 的滤波矩阵功率输出图 . 56 图 4.10 宽带空域矩阵滤波效果图 . 56 图 4.11 水平阵 10m 深多目标定位 58 图 4.12 水平阵 50m 深多目标定位 58 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 多目标的检测定位是水声信号处理的重要内容。海洋中声波传播规律复杂， 难以利用基于平面波的定位方法对浅海中远距离的声源进行定位；被动时反和匹 配场方法考虑了声波在海洋中的传播规律，可用于估计水下远场声源的距离和深 度。当海洋中存在多个声源时，弱声源常常会被强声源产生的干扰所掩盖，常规 时反匹配方法难以对弱声源进行定位。本文采用基于水平阵列的投影线性时反匹 配方法和空域滤波方法实现了对在强目标干扰下的弱目标的定位。本文的主要工 作有： 1.计算声场并对时反匹配定位技术进行原理分析。根据 BDRM 理论编写声场 计算程序，利用该程序计算脉冲信号产生的信号波形，并与文献中的计算结果进 行了对比。对被动时间反转定位方法和匹配场定位方法的原理进行了分析，比较 了两者的异同。提出了利用水平阵列进行水下目标定位的方法。 2.估计水下目标的方位角和数目。 通过仿真实验对比了基于平面波的常规目标 方位角估计方法和子空间相交方法，证明浅海多途条件下常规方法性能受到削弱， 而子空间相交方法的性能好于常规方法。分析了 AIC、MDL 等信源数目估计方法 的原理，在仿真实验中两种方法均成功确定了浅海中不同方位角的信号源的数目。 3.估计目标的深度和距离。介绍了高分辨的时反匹配方法，通过仿真实验研究 了阵列参数对定位影响。利用投影线性时反匹配定位方法对单个强目标掩盖下的 弱目标进行定位，通过仿真实验将该方法与常规时反匹配方法和基于 MVDR 的时 反匹配方法定位弱目标的性能进行了对比。利用基于水平阵的空域滤波方法定位 弱目标，采用内点方法和牛顿方法求解滤波矩阵，在仿真实验中实现了对弱目标 定位。 主题词：时间反转 匹配 水平阵 浅海 多目标 定位 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT Detection and location for multiple sources are important division of underwater acoustic signal processing. The traditional methods based on plane wave are unable to be used to locate far underwater targets due to the complicated the manner in which sound propagate in the ocean, while time-reversing and matched-field processing can be used to estimate both the distance and depth of the targets, because the manner of the propagation of the sound wave in the ocean has been taken into consideration. It is hard for conventional methods to locate the weak sources when weak sources covered up by the interference caused by strong sources, so projection time-reversing matched-field processing and matrix filter method are used to deal with this situation. The main contents of the dissertation are as follows. Firstly, the sound field is calculated, and the principle of the time-reversing matched-field processing is analyzed. The wave motion equation of sound propagation and the program for sound field calculation such as Kraken, WKBZ and BDRM are introduced. The rationale of matched-field processing and time-reversing processing and the relationship between them are elaborated. The method of locating underwater target using a horizontal array is proposed. Secondly, the bearing angle and the number of the targets are estimated. Conventional methods of bearing angle estimating based on plane wave assumption and the method of subspace intersection (SI) are described. As the performance of conventional m