1、水聲技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,但同時(shí)也面臨著新的挑戰(zhàn)。隨著安靜型技術(shù)的進(jìn)步,潛艇的輻射噪聲不斷地降低,如何遠(yuǎn)距離探測(cè)安靜型潛艇成為難點(diǎn)。拖曳線列陣聲吶在反潛戰(zhàn)中扮演著重要角色,也是最主要的魚雷報(bào)警聲吶,是聲吶的重要發(fā)展方向之一,但此類聲吶迄今仍無(wú)技術(shù)使它們具有被動(dòng)測(cè)距、測(cè)速功能。海洋波導(dǎo)的重要特點(diǎn)是低頻聲場(chǎng)存在穩(wěn)定可觀察的干涉結(jié)構(gòu),本文欲基于聲場(chǎng)的物理本質(zhì)探索新的目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別和被動(dòng)測(cè)距技術(shù)。
　　 聲場(chǎng)的干涉結(jié)構(gòu)是目標(biāo)距離、深度及

2、頻率的函數(shù),應(yīng)通過某種時(shí)空變換對(duì)其簡(jiǎn)化,增強(qiáng)有用信息以便應(yīng)用。文中以淺海低頻聲場(chǎng)的干涉結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,重點(diǎn)關(guān)注了線譜甚低頻聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)和連續(xù)譜低頻聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)。對(duì)于前者,給出了淺海分層介質(zhì)中波導(dǎo)簡(jiǎn)正波的矢量場(chǎng),探討了復(fù)聲強(qiáng)的表述及其特征,定量分析了垂直(交互)復(fù)聲強(qiáng)和水平交互復(fù)聲強(qiáng)的無(wú)功分量和有功分量,并對(duì)復(fù)聲強(qiáng)和交互復(fù)聲強(qiáng)的相位角分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。對(duì)于后者,基于波導(dǎo)不變量理論框架描述了連續(xù)譜低頻聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)(相干函數(shù)圖或LOFAR圖

3、)上的干涉條紋;首次基于相干聲場(chǎng)的時(shí)空濾波理論用功率響應(yīng)函數(shù)、雙頻函數(shù)、擴(kuò)展分布函數(shù)等推廣了連續(xù)譜干涉結(jié)構(gòu)的表征手段;通過仿真研究和海試數(shù)據(jù)分析對(duì)上述理論進(jìn)行了驗(yàn)證并結(jié)合波導(dǎo)不變量作了特征分析;并對(duì)其他形式的連續(xù)譜干涉結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)介。
　　 對(duì)線譜甚低頻聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)的研究表明:當(dāng)聲場(chǎng)中只存在兩階簡(jiǎn)正波時(shí),合理布放垂直雙傳感器的深度,可以使聲壓互譜(或分點(diǎn)測(cè)量的聲壓水平振速互譜)有功分量的正負(fù)號(hào)在較遠(yuǎn)距離處與水平距離無(wú)關(guān),若定義聲壓

4、互譜有功分量正負(fù)號(hào)變號(hào)的深度為臨界深度,則通過與臨界深度比較,可以對(duì)目標(biāo)深度進(jìn)行分類,即可以判斷目標(biāo)為淺聲源(水面艦艇)或航深較大運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(潛艇);聲壓互譜無(wú)功分量正負(fù)號(hào)分布隨水平距離呈周期性變化,利用建?；虻刃疃冉颇Ｐ皖A(yù)報(bào)水平相干距離,并基于干涉結(jié)構(gòu)測(cè)量目標(biāo)渡越一個(gè)水平相干距離尺度的時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)。運(yùn)用Pekeris波導(dǎo)有效深度的概念建立了聲壓互譜有功分量正負(fù)號(hào)分布特性的近似理論分析,加深了對(duì)淺海低頻聲場(chǎng)特性

5、的理解,并推導(dǎo)了雙水聽器合理的布放深度公式,以指導(dǎo)算法的實(shí)際使用。理論分析表明:當(dāng)兩個(gè)水聽器的布放深度之和近似等于有效深度時(shí),聲壓互譜有功分量正負(fù)號(hào)分布才與水平距離無(wú)關(guān),值得注意的是,臨界深度可調(diào),通過設(shè)置一期望的臨界深度,則雙水聽器的布放深度唯一確定。進(jìn)一步的穩(wěn)健性分析表明:深度分類算法和距變率估計(jì)算法對(duì)不同淺海環(huán)境是可以適用的。
　　 對(duì)連續(xù)譜低頻聲場(chǎng)干涉結(jié)構(gòu)的研究表明:淺海低頻聲場(chǎng)中LOFAR圖上的干涉條紋為一族類雙曲線,

6、通過干涉條紋方程將波導(dǎo)不變量、最近通過距離與線速度比及最近通過時(shí)刻等運(yùn)動(dòng)參數(shù)聯(lián)系起來(lái);時(shí)空濾波理論的四個(gè)系統(tǒng)函數(shù)中僅有一個(gè)是獨(dú)立的,每個(gè)系統(tǒng)函數(shù)均能描述聲場(chǎng)連續(xù)譜干涉結(jié)構(gòu)的特性,但各個(gè)系統(tǒng)函數(shù)均能特別突出干涉結(jié)構(gòu)某方面的特征,各有特色。結(jié)合LOFAR圖和方位時(shí)間歷程圖提出了基于Hough變換的參數(shù)估計(jì)方法,分有無(wú)最近通過距離進(jìn)行了仿真研究和海試數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證了算法的正確性和可行性,并表明其有較高的參數(shù)估計(jì)精度。在參數(shù)估計(jì)的基礎(chǔ)上,提出了

7、四種有最近通過距離時(shí)的基于水平雙陣(元)的被動(dòng)測(cè)距算法,并進(jìn)行了定位精度分析,針對(duì)算法二穩(wěn)健性差的缺點(diǎn),提出了相應(yīng)的改進(jìn)算法。提出了兩種無(wú)最近通過距離的雙陣(元)被動(dòng)測(cè)距算法,并進(jìn)行了仿真研究、定位精度及穩(wěn)健性分析,隨后又提出了相應(yīng)的改進(jìn)算法,以提高低信噪比時(shí)的測(cè)距精度。
　　 本文所提出的參數(shù)估計(jì)和被動(dòng)測(cè)距算法在海洋綜合監(jiān)測(cè)、海岸預(yù)警系統(tǒng)、航空浮標(biāo)、潛標(biāo)、海洋研究、聲學(xué)測(cè)量、魚雷報(bào)警等諸方面有重要應(yīng)用前景,若要用于工程實(shí)際,還