基于PGC解调的水下声信号探测技术研究

论文摘要

水下发声目标产生的水下声场传播到水-气界面时,会激励水面产生微幅的水表面波动。这一水表面的微幅波动携带了大量的水下声源的振动信息,通过检测这一微幅波来间接的探测水下声源的发声信息是一种可行的方案。本文的研究工作围绕水表面声波的光学干涉探测方法展开,从理论分析其应具有的波动形式,再通过仿真和实验验证了激光干涉探测法检测水下发声目标的可行性。本文着重研究了光学外差干涉的PGC（Phase Generated Carrier）解调方案,并结合本研究课题进行了算法改进和创新。建立水下声源引起水表面声波的原理模型,理论分析光外差干涉探测水表面波信号形式,并对其频谱特征进行研究。水下声场引起水表面产生同频的水表面声波,水表面声波振幅与水下声源频率、声源距水面距离呈反比。使用迈克尔逊激光干涉光路获得干涉信号,结合三角函数和贝塞尔函数将干涉信号展开后分析其频谱成分及分布。通过理论与仿真可知其频谱分为低频段和声源频率段,结合其关于中心频率对称的特点提出了提取中心频率方法求解水下声场频率信息。为了解决由正交信号消隐引起的解调失真现象,对基于PGC解调的水下声源探测方案进行了改进。在参考光路中引入高频水表面波动作为载波,后续通过基于光外差干涉的PGC解调方案进行解调。对经典的PGC反正切算法进行改进,增加载波初相位的估计和载波调制深度的计算。解调结果能够完整的反应水表面波动信息,可以从混合信号当中提取出水下声源的频率和强度变化信息。这也就意味着此方案能够探测水下声源的变化,实现跟踪探测。设计并搭建了一套水下声源探测系统,包含了探测光路、数据采集、可视化软件界面、解调算法在内的完整模块。光学暗室下利用分立光学元器件搭建了一套干涉系统,并且使用Labview设计了可视化探测界面。在实验过程当中能够实现水下声源探测,并能够进行解调及分析实验结果。实验进行了多频段、强干扰、发声强度随时间变化等情况下的探测,验证了本文方法的抗干扰能力和跟踪探测能力。实验探测了50Hz-10kHz频率范围内的水下声源并取得了良好的实验效果,证实了本方案探测范围广的特点;在水面增加低频大振幅的机械波动以模拟自然水面的大幅扰动,实验证明了系统具有很强的抗干扰能力;强度受到调制的声信号解调实验结果显示,本方案具有能够实现时变信号的跟踪探测的能力。通过理论仿真和实验研究,一系列结果表明本文提出的基于PGC解调的水下声源探测技术,能够有效且准确的实现水下发声目标振动信息的检测。这一研究工作进一步丰富了激光探测水下声源领域的技术基础,也对其它激光干涉测振领域有着可借鉴的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 声光探测水下目标的国内外现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 水表面声波模型建立及激光干涉探测理论研究
•   2.1 引言
•   2.2 水下声源引起水表面波的理论模型
•   2.3 水表面波的干涉信号形式及其频谱特征
•     2.3.1 干涉信号形式
•     2.3.2 频谱特征
•     2.3.3 干涉信号频谱带宽的贝塞尔函数解释
•   2.4 激光干涉探测水表面声波的光路设计
•     2.4.1 干涉探测水表面声波的难点
•     2.4.2 干涉光路设计
•   2.5 本章小结
• 第3章 水表面声波频率检测及功率遴选算法研究
•   3.1 引言
•   3.2 水表面声波频率的检测
•     3.2.1 提取中心频率法探测水下发声频率
•     3.2.2 水面扰动导致系统回光波动
•     3.2.3 频谱混叠现象
•   3.3 正交信号消隐现象研究
•     3.3.1 正交信号消隐现象
•     3.3.2 功率遴选算法避免消隐失真
•   3.4 本章小结
• 第4章 水表面声波振幅的检测方法研究
•   4.1 引言
•   4.2 相位生成载波解调技术
•     4.2.1 DCM解调算法
•     4.2.2 反正切函数解调算法
•   4.3 特征比R
•     4.3.1 特征比估计振幅
•     4.3.2 特征比R估计调制深度
•   4.4 改进的PGC解调算法
•     4.4.1 基于PGC解调的改进算法
•     4.4.2 改进的PGC反正切解调算法仿真
•   4.6 本章小结
• 第5章 水表面声波实验分析以及时变声波的检测
•   5.1 引言
•   5.2 实验系统组成
•     5.2.1 干涉光路实物及器件参数
•     5.2.2 上位机Labview测量软件
•   5.3 提取中心频率法的频率探测实验
•   5.4 载波初相位引起正交信号消隐的实验研究
•   5.5 基于改进PGC解调的探测实验
•     5.5.1 大幅度水表面波扰动下的频率探测实验
•     5.5.2 水表面声波振幅探测实验
•   5.6 时变信号探测实验
•   5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 毛红杰

导师: 张晓琳

关键词: 激光干涉,水表面波,水下探测,水下声信号,相位生成载波

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: P714

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.003564

总页数: 75

文件大小: 3639K

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