非对称分布式目标的声成像方法研究毕业论文(编辑修改稿)

非对称分布式目标的声成像方法研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

, 该 分布式 目标回波为各亮点子回波相干 加权之和。 和 单亮点目标模型相比 , 多亮点 分布式 目标 模型深层 的 反映了目标 的体积散布和前后隐蔽 特性 , 使 分布式 目标回波的 延伸 脉宽和幅度起伏 的特性得到了反馈。 经过理论分析和实验 证明 ,在高频 的 情况下 , 任一分布式目标回波都是由若干个子回波加权相加 而成的 , 每个子回波都被看做 是从某 一 个散射点发出的 , 这个散射点就是亮点。 它可能为 真实的亮点 , 也可能 为 某个等效的亮点。 这样 以来 , 任 一个 分布式目标回波都为这些亮点回波加在一起的结果。 依照形成机理可把亮点分解成几何固定亮点和镜反射亮点。 前者在目标上有 着 相对 固定 的 位置 , 它的 目标强度是入射声波的照射角和俯仰角的函数 ,它主要是由 分布式 目标的几何形状决定。 而后者在目标表面上可移动 , 且目标强度是目标轴和鱼雷之间夹角的函数 , 它是根据波传播的声程确定的等效亮点。 目标的回波模型开始于点目标或有限数目的多亮点目标模型。 认为目标的回波是点目标或目标上有限数目的散射点对入射信号作用的结果。 随研究的深入， 单一 点目标 亦或是 多亮点 分布式 目标模型在 相当多 的场合下 很难 准确 的描述 有关目标的特性， 考察者 们 只能 试采用更 复杂的信号模型。 如果目标尺度很大或观察距离很近，目标的径向尺寸大于阵列的分辨率，这时的目标可以被看作连续散射型目标。 连续散射型 分布式 目标 的 回波 则是 通过 某些 基于面元法的思想来描述 判断 的，将 分布式 目标表面 上 的面积微元对回波的贡献在整个表面进行面积分， 随之 便 可以 轻松 的获 得回波响应。 当然， 如果表面形状 复杂 的话 ，对表面积分就很繁琐，甚至 得不到 想要的结果 ，在这种情况下，可以 指着 将表面按 特定 的方式网格化，再运用数值计算法 便 可 轻而易举 的得出模拟的 结果，人们在实际中发现，这些数值方法得出的结果具有足够的精确度，可以满足工程应用的要求。 用面元法分析连续散射型目标回波的最大障碍在于难于得到复杂形状目标回波的解析解，如果采用数值计算，则计算量通常很大。 分布源目标模型及分布式目标估计是一项新的技术，用分布源目标模型描述体目标特性具有 合理性，有利于精确估计目标方位。 在点目标或多亮点目 标模型中，假 定 在 能 观测 到 的空间内只有 几个 空间离散点源，在空间上 属于 稀疏分布。 而对 分布源 而言 ，入射分量在观测空间内 基本 上可谓是连续分布， 不可 从空间上分离 一切 的能量分量。 而且 不 能 同分布源的能量扩展在观测空间中 经常 有 着 重叠，使得分布源信号在空间中不 能够 满足稀疏分布的特 点。 而 对分布源信号 来说 ，模型的建立 要 有 很多 的参 数信息， 因为 不具备点目标模型中 那些很 方便 的假设条件， 所以 可能分布源信号问题 会 变得相当 的 复杂。 兰州理工大学毕业设计 6 第 3 章 目标 声成像 回波模型原理 线列阵的概述 线列阵应该是每个阵元按规定 好的 间距 在一条直线上 排列好 才 组成的。 虽然它的 结构简单，但 是 它的 用途非常 多 ，在舰艇声纳、近海警戒、海底探测并且 在 舰艇澡声测量里面 都有非常多 的 应用。 这些年以来，伴着造船技术有着 长足的 进步，安静型潜艇辐射澡声改变 的已经非常 低 了 ，要想探测到低频澡声线谱， 越来越长 的 线列阵被创造 ， 随之 而来的 阵元数也日益增多，线列阵声纳 技术 的 发展也得到了长足的进步。 世人皆知两个耳朵或者眼睛能 够比 做是 一个阵列， 然而线列阵就是 模仿人体构造的 最大声压 法而设计出来的。 非常 充分 的 利用 了澡声和信号特性 不一的 统计特性，把水听器在 一 个时刻收到的形态各异 的 信号，通过相关方位 时间 的 补偿 处理 ，然后 通过能量积累， 从而得到输出能亮最大的方向才是 分布式 目标到达的 最终 方向。 线列阵的历史及发展 拖曳线列阵声纳的历史可以追溯到第一次世界大战， 1917 年，美国人 Hayes 博士展示 了 一种拉拽 舷侧线列阵 的声纳结构，在英 国海军 Jout 军舰 舷侧 的前面 装 了两个 14 元线列阵，与此同时在其尾部扯出 了 两个 14 元线列阵，这套系统能 探测 到 的大概 距离差不多是 公里，能够应对那 时 候的潜艇攻击。 历经了 90 多年的演变，拉扯 线列阵声纳 的 孔径从 4 倍波长 发生 到超过 100 倍波长，动态范围从 60dB 增加到 120dB。 据说 上 个 的 世纪 50 年代 在 美国东海 附近 的 海域发现 了海底石油，开采海底石油成了海洋开发中的一个 重要的内容 ， 然而地质勘探是唯一 的 方法，彼时英国的东方石油公司以及 生 物探 测公司、日本 的 Plsey 公司和加拿大 的 Sera 公司，前前后后 的 使用拉扯线列阵用去接收地震回波。 现实 中，找到了这种拉扯式线列阵声纳那 具备着 远程监听检测潜艇低频辐射澡声的功能，于是日本军队最开始 将它移 植于声纳使用的频率范围与地址勘探不同，并且两者要求的信号的处理方式不同 ，而拉拽阵自身的定深、噪声 ，使 拉扯 式声纳 的研制碰到了 瓶颈。 1995年 5 月， 发明出了一种致力 于警戒的型号为 AN/SQR14 的远程拉扯式线列阵声呐，并且 使 这个声纳装在用于 警戒 的船上。 就在这时，全新 的 战术拉扯 式声纳由 EXO 公司开发出 ，型号为 AN18。 该产品附加在 变深声纳 拖鱼后，被 32 个隔振水听器组成的 90m 长的线列阵。 接着 ， EXO 公司使用了 新 的 技术，制造 出 了没有拖鱼的长拖。 兰州理工大学毕业设计 7 线列阵的原理 声纳信号处理技术的好坏决定了声纳工作状态。 在拖曳 double 线列阵声纳出现使， single线列阵遇到 了 很多 关于 信号处理 方面 的 问题，自 从拖线 double 列阵声纳问世 ，类似 的 问题依旧 还 是声纳 重中之重 的 研究 ，而且伴着战术区域从深海到浅海的转移，安静型潜艇横空出世，拖曳式线列阵探测弱目标信号 有了 更加严格 的性能 要求。 声纳的作用距离、测向测距精度、多目标分辨能力、目标识别以及跟踪能力等 ，都是实现战术指标所必须的，这些指标是达到战术指标的技术保证，如果单纯 的以 提高测距精度 为 目的 ，推出 了 延时估计精度的概念。 为了保证可靠性 的 绝对 要求， 湿端换能器的寿命指标 被 推出。 上文提到的那么多 的 关键技术都直接关系到 了 声纳系统 性能 的 探测 ，于是 就显得非常的重要。 如果按工作方式分 ，可以将它分成 两 类 ,被动式和主动联合式，通常情况下安装 在潜艇上的只是 被动式声纳 ，被动式拖曳线列阵声纳一般情况下可以 由一下这些 组成： （ 1） 线列阵 :接收目标的辐射噪声和目标回波信号，由若干个水听器按照一定的间距布放，并采取隔振措施 ,配备用于水下姿态监视的传感器模块； （ 2） 拖曳收放系统拖曳布放和回收线列阵 ,包括拖缆和绞车； （ 3） 深度航向监视系统监视线列阵在水下的深度和航向信息，以便得到水听器阵列的姿态； （ 4） 信号处理系统 :处理线列阵接收的各种信息，以实现目标的探测和相关参数估计； （ 5） 显示 控制系统显示信号处理系统的输出结果，与其它系统进行信息交换 ,并将控制命令下发给有关系统； （ 6） 数据记录系统 :存储线列阵接收的数据。 主被动联合式拖曳线列阵声纳除包括以上部分外 ,还有发射换能器基阵 !相应的拖曳收放系统以及发射机，接收声信号的声学模块包括水听器，前置放大器等元器件 如用数字方式传输号 ,必须有 A/D 转换器、多路数据混合系统和编码电路等。 除了用于接收声信号的声学模块之外 ,还必须有若干配套部件：隔振模块和仪表模块 隔振模块是一个机械滤波器 ,它把拖缆的可能抖动过滤掉 ,尽量降低抖动引起的噪声；仪表 模块内通常包括深度传感器、温度传感器和航向传感器 ,这些传感器的信号传输到工作平台上之后 ,可以显示声学模块的姿态；拖缆有两方面的作用 ,一是作为机械的拖拉缆 ,二是用于信号和电流的传输。 兰州理工大学毕业设计 8 亮点模型的简介 目标是分布在 相对 体积内的 很多 反射点的 一个 大集体 ， 通过分布式 目标 光照模型的研究得到 ，这些点 的反射是不 匀称 的， 反而 存在 很多 反射能力 很 强的点 ， 我们叫做亮点，亮点的分布 和 分布式 目标表面 的 曲率，面积 和 入射波的方向有 着 千丝万缕的联系。 从入射的距离区分 可以把它 为远长场和近场，在远场的情况下 分布式目标能 够 看成亮点；但是如 果 从能量 的角度 来 看 的话 ，亮点对回波 有很大 的奉献 ， 而另外 那些漫反射对回波的影响 可以 不予考虑。 在高频 的前提 下，构成回波的各 成分 都 能够 等效成 一个 散射中心 也就是 亮 点的回波，整个 分布 的目标 相当于 一组空间分布 的量 点。 分布的 目标回波 在 空间 内 的 分布情况 ：近场目标回波很大一方面 是由强反射 量 点构成，在空间域， 分布的 目标回波 则 是由空间上 来自四面八方 的子反射回波 相加 而成， 于是 从方位的角度来处理目标回波，可得到目标亮点的空间方位信息。 目标回波的时间 方位应呈现出一定的分布规律，而不是一个恒定的方位值。 体目标回波的短时方位基本上随时间 呈线性变化，即目标的空间方位发生了方位扩展。 在已有的研究结果中，按照分布源各个分量之间的空间、时间相关性，可以将其划分为相干分布源 (CD)、非相干分布源 (ID)和部分相干分布源 (PD)。 对 ID 信号源，信号空间占据整个观测空间，噪声子空间变为零子空间。 这也就是传统的子空间方法不适用于分布式目标定位的原因。 等提出了信号子空间有效维数的概念，它实质上也就是相关矩阵的大特征值个数。 噪声子空间是由小特征值对应的特征矢量构成的，而这些小的特征值是源于信号子空间，因而信号子空间与噪声子空间不完全正交。 后来， Y. Meng 等提出了 DISPARE 算法，提高了非相关式分布源的参数估计性能。 综上所述，目标的回波模型可以分为如图所示的几类 ： 分布式目标模型法的回波模型基于菲涅耳半波带近似法的回波模型基于赫姆霍兹积分近似波模型基于表面网格划分的回模型连续散射型目标的回波型三维空间多亮点回波模型垂直尺度多亮点回波模型水平尺度多亮点回波模多亮点回波模型点目标回波模型 图 目标回波模型的分类 兰州理工大学毕业设计 9 单亮点模型 当目标的尺度较小或探测距离很大时，目标可以看为一个点目标或单亮点目标。 从声学角度看，发出的声波可看成球面波，假设传播介质是无限均匀介质， 目标 的距离为 R，则 目标 表面的入射声波为 )2(2 kRwtjr eRAp   （ 31） 这里 是角频率， k 是波数， A 是发射信号的幅度。 入射声波随距离衰减。 因为是一个点目标，入射波在表面激起二次辐射，接收到的二次辐射声压为 )2()()()( 2 cRtsR Athtste   （ 32）  是随方位而变的反射强度。 按照目标反射的声学机理，可以建立点目标反射的回波模型。 设发射信号为 )(ts ，目标脉冲响应为冲激，即 )()( tth  ，则回波为 )( kRwtji eRAp  （ 33） 式中，  是反射强度， R 是鱼雷与 目标 的距离， c 是声波的传播速度。 回波随距离平方衰减。 点目标模型是一种简单的模型，在远距离、远场时，采用点目标是合理的。 但在有些应用场合并不成立，当目标的辐射面大于阵列的分辨率时，就不能认为是点目标，而是多亮点目标。 超宽带窄脉冲 的分辨率高，用它作为鱼雷发射信号时，从目标回波中可容易分辨出多亮点。 多亮点回波模型 单点模型不能确定 分布 的目标 的 许多的细小的部分， 非常 有可能 出现 欺骗和 误判 的 情况。 像前面那样 说的一样 ， 构成分布的 目标的反射回波 的 是强反射子回波， 每个 子回波的时间位置和实际可观测到 的 量点数目的确定受攻击目标舷角影响， 大多数情况下 分布的 目标存在 5个亮点。 对于 建立 模拟回波，确定多 亮 点回波模型的 重中之重是要 确定潜艇的 亮 点数和 亮 点分布。 分布的 目标 的纵向尺寸 比 于横向尺寸 要 大得多，水平上的多亮 点 能够被 分辨 出来 ，水平的多 量 点模 型 是 属于鱼雷反对抗 模型 中 的一种。 水平方向上的多 量 点模型结构如图 所示。 建立水平尺度 分布式 目标多 量 点的回波模型 的 同时， 应该 把分布 的 目标 与 鱼雷的位置和姿态 加以 确认， 每个 亮点的位置坐标 ）（ ii zx, 或极坐标 ）（ iir, 或许 会选择 几何结构 的 尺度目标进一步 解析得到， 再 由位置坐标或极坐标 求出量 点的时延和方位角参数。 设目标相对鱼雷的兰州理工大学毕业设计 10 位置为 ),(39。 0RO ，其中 0 是目标方位角， R 是到观测点的距离，敌舷角为  ，目标长度。