海底衰减对浅海高频声源定位的影响

论文摘要

声信号在水下传播时,由于介质的随机波动性以及海表面的影响,现有的声学模型很难准确模拟高频声信号的传播,所以当声信号的频率较高时传统匹配场处理技术很难准确定位声源。差频匹配场处理最初由Worthmann等人提出,使用差频信号与低频拷贝场进行匹配,能降低高频相位因子的影响,并用实验数据证明了差频匹配场可以成功定位高频声源。但从信号构成的角度可以发现差频信号与低频信号之间存在本质的区别。在之前的研究中,Worthmann认为当信号带宽足够的时候,将差频信号进行多次的平均可以使差频信号更好的接近低频信号。但是在现有的研究中并没有系统的讨论差频信号与低频信号之间的差别(或失配),也没有系统的讨论在何种条件下两者之间的差别会更小。本文重点研究海底衰减对这两种信号(差频信号和低频信号)失配的影响。选择讨论海底衰减对其影响的原因是,当信号频率不同的时候,海底损失会影响信号的模态或声线分解,进而影响差频匹配场的定位性能。论文首先研究了差频信号和低频信号的多径结构。为此,在固定信号带宽内分别计算了差频信号和低频信号的信道脉冲响应。在之前的研究中,Worthmann等人一直使用的是KAM11实验的数据,所以我们首先使用了 KAM11实验的环境分析差频信号和低频信号的信道脉冲响应,之后又使用Florida的实验环境对两者进行对比(选择Florida实验环境的原因是,Florida实验有低频和高频的实际测量数据,用Florida实验环境来进行仿真,并与实际测量结果进行对比,会更加具有实际意义)。在这两种环境中,分别计算了不同海底衰减系数下的信道脉冲响应。当信号频率增加时高阶的反射路径到达波衰减亦更加严重,而且衰减随着海底衰减系数的增大而增大。由此可以推断出,差频信号的多径到达结构(或信道脉冲响应)可能会与低频信号有所不同。论文结果表明,随着海底损失的增大,差频信号和低频信号之间的失配会减小,但是两者依旧会存在一定的差别。之后,在不同的海底衰减系数下研究了差频匹配场处理的声源定位性能。为分析产生不同定位结果的原因,研究了差频信号和低频信号的模态结构。发现低频信号的模态多于差频信号,原因是当信号频率较高的时候高阶模的衰减更严重,这说明差频信号与低频信号之间存在模态失配。同样的,失配会随着海底衰减的增大而减小。在用差频匹配场进行高频声源定位时,Worthmann等人只使用了前三阶模计算低频拷贝场,这正是因为差频信号和低频信号的低阶模失配更小。但是值得注意的是如果只使用前三阶模计算拷贝场,那么得到的模糊表面主瓣分辨率较差。论文使用了更多阶的模计算拷贝场,比如使用前十阶模,可以发现主瓣会更尖锐,但是导致更高的旁瓣级,因为高阶模之间的失配更加严重,这可能导致某些情况下定位不准确。当海底衰减增大时,失配对声源定位的影响较小。考虑到失配的问题,最后提出了双差频匹配场的方法(将两个差频场进行匹配),即测量场和拷贝场都由差频场组成,这种方法在理论上不存在失配。通过对比证明了双差频匹配场的定位性能优于差频匹配场的定位性能。特别是主瓣宽度和最高旁瓣级均小于差频匹配场。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究现状
•   1.3 研究内容
•     1.3.1 研究出发点
•     1.3.2 具体内容
•     1.3.3 论文创新点
•     1.3.4 章节安排
• 2 声传播与海底损失
•   2.1 声学模型
•     2.1.1 简正波模型
•     2.1.2 射线模型
•   2.2 传统匹配场
•   2.3 海底对声传播的影响
•     2.3.1 海底参数
•     2.3.2 海底损失
•   2.4 本章小结
• 3 差频匹配场
•   3.1 差频匹配场原理
•     3.1.1 双频信号
•     3.1.2 宽带信号
•   3.2 声源波形对差频匹配场的影响
•   3.3 差频信号成分分析
•   3.4 KAM11实验环境下的CIR
•   3.5 本章小结
• 4 差频匹配场定位性能及成因分析
•   4.1 性能指标
•   4.2 环境参数
•   4.3 仿真结果
•   4.4 结果分析
•   4.5 其他环境条件
•   4.6 本章小结
• 5 复杂海底对差频匹配场的影响
•   5.1 分层液体半空间
•   5.2 复杂海底中的海底损失
•   5.3 复杂海底中的差频信号
•   5.4 本章小结
• 6 双差频匹配场
•   6.1 双差频匹配场处理
•     6.1.1 双频信号
•     6.1.2 宽带信号
•   6.2 KAM11环境下的双差频匹配场仿真
•   6.3 分层海底环境下的双差频匹配场仿真
•   6.4 本章小结
• 7 小结与展望
•   7.1 内容总结
•   7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜竞宁

导师: 杨子江

关键词: 高频声源定位,差频匹配场,双差频匹配场,模态分解,海底衰减

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,电信技术

单位: 浙江大学

分类号: P733.2;TN912.3

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000171

总页数: 82

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