障板條件下矢量水聽(tīng)?wèi)?yīng)用研究.pdf

1、矢量水聽(tīng)器的出現(xiàn),突破了聲納設(shè)備獲取水下聲信號(hào)長(zhǎng)期依靠標(biāo)量聲壓水聽(tīng)器的限制,為我國(guó)聲納技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。矢量水聽(tīng)器可以空間共點(diǎn)同步拾取聲場(chǎng)一點(diǎn)處的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速矢量,利用獲取的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速可在全空間對(duì)聲源進(jìn)行無(wú)模糊定向,且獲得等價(jià)于四元聲壓陣聲納系統(tǒng)的檢測(cè)性能,這種水聲傳感器的緊湊型配置方式為解決水下小尺度平臺(tái)濕端布置空間受限的問(wèn)題提供了很好的解決方案。矢量水聽(tīng)器還具有不依賴于聲波頻率的空間指向性,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在水聲系統(tǒng)低頻化發(fā)展

2、的趨勢(shì)下顯得尤為突出,能夠使得基于矢量水聽(tīng)器的聲納系統(tǒng)具有更好的低頻適應(yīng)性。當(dāng)利用多個(gè)矢量水聽(tīng)器組成聲納基陣時(shí),能夠?qū)⑹噶克?tīng)器的抗噪能力和陣列系統(tǒng)的空間分辨能力有機(jī)結(jié)合起來(lái),進(jìn)一步提高聲納系統(tǒng)的性能,獲得比相同數(shù)目的聲壓陣更好的性能;或者在相同的性能指標(biāo)要求下,能夠顯著的減小陣元數(shù)目。矢量水聽(tīng)器的諸多優(yōu)勢(shì)使得這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于低噪聲測(cè)量系統(tǒng)、海上浮標(biāo)聲納、拖曳陣聲納等水聲設(shè)備中。但是上述應(yīng)用都是假設(shè)矢量水聽(tīng)器處于自由場(chǎng)條件下,當(dāng)矢

3、量水聽(tīng)器安裝于水面船舶和水下航行器等載體時(shí),由于載體障板聲學(xué)散射的影響,會(huì)導(dǎo)致矢量水聽(tīng)器性能發(fā)揮受到極大影響。如何在水面和水下載體聲障板條件下應(yīng)用,并且使得矢量水聽(tīng)器可以取得海上聲納浮標(biāo)設(shè)備那樣的良好效果,成為急需解決的一個(gè)難題。本文以船舶上三型典型聲納設(shè)備聲障板——矩形、圓柱形和球形障板為模型,研究上述三種障板聲散射近場(chǎng)矢量特性以及相應(yīng)障板條件下矢量信號(hào)處理方法。
　　針對(duì)矩形障板,以工程實(shí)際中使用的彈性矩形空氣腔障板為研究對(duì)象

4、,探討了彈性矩形空氣腔障板水下聲散射,將彈性矩形空氣腔障板建模為無(wú)限大剛硬平幕中,鑲嵌一塊可以振動(dòng)的板,板的兩側(cè)流體分別為水和空氣,板的邊緣滿足簡(jiǎn)支邊界條件。給出彈性矩形空氣腔障板水下聲散射聲場(chǎng)的解析解,并且驗(yàn)證了該模型的合理性以及推導(dǎo)公式的正確性,在此基礎(chǔ)上研究了彈性矩形空氣腔障板水下聲散射近場(chǎng)矢量特性。由于矩形空氣腔障板聲散射的聲壓場(chǎng)和質(zhì)點(diǎn)振速場(chǎng)的表達(dá)式比較復(fù)雜,不利于后續(xù)的信號(hào)處理,將散射聲場(chǎng)表示為反射系數(shù)刻畫的簡(jiǎn)潔的模型,這樣,

5、就建立起反射系數(shù)所表征的矩形空氣腔障板條件下矢量線陣的測(cè)量模型。基于該測(cè)量模型研究了矩形障板條件下矢量線陣陣列信號(hào)處理方法,在直接陣元域?qū)崿F(xiàn)了聲壓和振速的相干信號(hào)處理。與相同陣型的聲壓陣相互比較的結(jié)果表明,矩形障板條件下矢量線陣仍然能夠充分發(fā)揮矢量水聽(tīng)器的優(yōu)點(diǎn)。
　　針對(duì)圓柱形障板,考慮工程實(shí)際,采用密閉的圓柱形空氣腔殼體作為圓柱形基陣的反聲障板。首先研究有限長(zhǎng)圓柱殼體水下聲散射,在前人研究的基礎(chǔ)上,采用彈性力學(xué)中的薄殼理論(Do

6、nnell方程)表述圓柱殼體運(yùn)動(dòng),并在一定的近似假設(shè)下給出有限長(zhǎng)圓柱空氣腔殼體表面水下聲散射聲場(chǎng)的解析解,在此基礎(chǔ)上研究了有限長(zhǎng)圓柱空氣腔殼體水下聲散射近場(chǎng)矢量特性。在此基礎(chǔ)上將傳統(tǒng)的障板條件下標(biāo)量圓弧陣的相位模態(tài)域信號(hào)處理方法引入圓柱形障板條件下的矢量圓陣,對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)平面波激起的圓柱形障板附近聲場(chǎng),將復(fù)雜的近場(chǎng)干涉圖案分解為規(guī)則的相位模態(tài)域圖案,提出了矢量圓陣聲壓振速相位模態(tài)域陣列信號(hào)處理方法,在相位模態(tài)域?qū)崿F(xiàn)了聲壓和振速的相干處理,將矢

7、量水聽(tīng)器的抗噪能力與圓陣陣列系統(tǒng)的分辨能力有機(jī)結(jié)合起來(lái),同時(shí)將子空間類DOA(direction of arrival)估計(jì)算法和相位模態(tài)域陣列信號(hào)處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái),從而將矢量水聽(tīng)器的適用范圍擴(kuò)展至圓柱形障板條件。
　　本文還研究了球形障板條件下矢量水聽(tīng)器的應(yīng)用。首先采用薄殼理論和分離變量法研究球形空氣腔殼體水下聲散射,重點(diǎn)研究空氣腔球殼水下聲散射近場(chǎng)矢量特性,在此基礎(chǔ)上從球形障板條件下聲矢量圓陣陣元域信號(hào)的表達(dá)式出發(fā),利用聲

8、場(chǎng)分解理論,將陣元域信號(hào)表示為若干階正交的相位模態(tài),然后給出聲壓、徑向振速和切向振速的預(yù)處理矩陣,利用預(yù)處理矩陣將聲矢量圓陣陣元域信號(hào)變換到相位模態(tài)域,在相位模態(tài)域給出了協(xié)方差矩陣的生成方法,然后進(jìn)行方位估計(jì),實(shí)現(xiàn)了球形障板條件下聲壓和振速的相干處理,將矢量水聽(tīng)器的適用范圍擴(kuò)展至球形障板條件。
　　本文設(shè)計(jì)了矩形空氣腔障板三元矢量線陣和圓柱形空氣腔障板八元矢量圓陣水聲試驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展了外場(chǎng)試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果符合得較好,驗(yàn)證