水下聲源定位理論與技術

目 錄
第1章 緒論 1
1．1 研究意義 1
1．2 研究歷史和現(xiàn)狀 3
1．2．1 海洋聲學主要工作 3
1．2．2 聲源被動定位方法 10
1．3 本書的結構 13
第2章 基本知識介紹 16
2．1 概述 16
2．2 聲場傳播模型 16
2．2．1 理想流體介質中的波動方程 16
2．2．2 射線模型 18
2．2．3 簡正波模型 20
2．2．4 拋物方程模型 21
2．3 全球水聲環(huán)境主要參數(shù)分布 23
2．3．1 數(shù)據(jù)集 23
2．3．2 海底地形 23
2．3．3 聲速剖面分布 24
2．3．4 深海聲道軸深度 28
2．3．5 表面波導厚度 29
2．3．6 臨界深度分布 30
2．4 典型聲傳播模式分析 31
2．4．1 大陸坡及大陸架斜坡傳播模式 31
2．4．2 海底反射模式 42
2．4．3 表面波導模式和泄漏模式 44
2．4．4 可靠聲路徑 47
2．4．5 海底反射與表面波導泄漏能量對比 50
2．5 水聲信號定位方法 52
2．5．1 方位估計（DOA）算法 52
2．5．2 匹配場信號處理 55
2．5．3 基于稀疏表示的DOA方法 58
本章小結 64
第3章 淺海窄帶聲源定位方法 65
3．1 概述 65
3．2 水平線陣列聲場定位原理 66
3．2．1 線性匹配場定位原理及其評價指標 66
3．2．2 時反聚焦定位原理及其評價指標 68
3．3 匹配場定位性能分析 69
3．3．1 仿真條件 69
3．3．2 水平線陣列深度對匹配場定位性能的影響 70
3．3．3 海底水平線陣列的匹配場定位性能 75
3．4 時反聚焦定位性能分析 76
3．4．1 仿真條件 76
3．4．2 水平線陣列深度對時反聚焦性能的影響 76
3．4．3 海洋環(huán)境對水平線陣列時反聚焦性能的影響 78
3．5 匹配場定位的虛擬時反實現(xiàn)方法 80
3．5．1 虛擬時反實現(xiàn)方法 80
3．5．2 傳統(tǒng)匹配場處理和虛擬時反實現(xiàn)方法比較 82
3．5．3 仿真數(shù)據(jù)分析 85
3．5．4 實驗數(shù)據(jù)分析 88
本章小結 92
第4章 淺海寬帶聲源定位方法 94
4．1 概述 94
4．2 基于自相關函數(shù)的定位方法 95
4．2．1 多途信道模型及環(huán)境敏感性分析 95
4．2．2 本征聲線特征參數(shù)的提取及其定位方法 98
4．2．3 自相關函數(shù)匹配的穩(wěn)健目標定位方法 100
4．2．4 仿真分析 105
4．2．5 實驗數(shù)據(jù)分析 109
4．3 基于多途到達結構的近距離聲源定位方法 112
4．3．1 淺海多途到達結構特征 112
4．3．2 多途到達結構匹配的定位方法 113
4．3．3 仿真驗證 115
4．4 基于簡正波模態(tài)消頻散變換的定位方法 116
4．4．1 淺海簡正波模態(tài)頻散特性 116
4．4．2 定位方法 117
4．4．3 海底參數(shù)與聲源位置參數(shù)的同時求解 119
4．4．4 實驗數(shù)據(jù)分析 123
4．5 基于集合卡爾曼濾波的聲源跟蹤方法 127
4．5．1 集合卡爾曼濾波簡介 127
4．5．2 運動聲源跟蹤定位方法 127
4．5．3 仿真分析 131
4．5．4 實驗數(shù)據(jù)分析 140
本章小結 144
第5章 基于深海近海面陣列的聲源定位方法 146
5．1 概述 146
5．2 基于海底反射信號多途到達結構的定位方法 146
5．2．1 深海多途到達結構特征 147
5．2．2 聯(lián)合定位方法（SE方法）的應用 148
5．2．3 實驗數(shù)據(jù)處理 149
5．3 基于幾何關系近似的聲源定位方法 157
5．3．1 多途時延的幾何關系模型 157
5．3．2 定位方法介紹 159
5．3．3 實驗數(shù)據(jù)處理 161
本章小結 163
第6章 深海可靠聲路徑下基于單陣元的聲源定位方法 164
6．1 概述 164
6．2 可靠聲路徑的聲場特性分析 165
6．2．1 無影區(qū)特性 165
6．2．2 聲傳播特性分析 167
6．3 基于延時互相關函數(shù)的定位方法 171
6．3．1 基于射線理論的聲場互相關特性分析 171
6．3．2 運動聲源測速和定深方法 172
6．3．3 聲場互相關仿真和應用分析 175
6．3．4 實驗數(shù)據(jù)處理 182
6．3．5 方法應用限制和誤差分析 186
6．4 基于直達波-海面反射波時延的運動聲源定位方法研究 187
6．4．1 擴展卡爾曼濾波理論介紹 187
6．4．2 聲源速度位置估計方法及仿真分析 188
6．4．3 實驗數(shù)據(jù)處理 195
本章小結 198
第7章 深?？煽柯暵窂较禄陔p陣元的聲源定位方法 199
7．1 概述 199
7．2 基于多途時延差的雙陣元深海匹配定位方法 199
7．2．1 匹配定位方法原理 199
7．2．2 定位方法仿真結果和誤差分析 200
7．2．3 實驗數(shù)據(jù)驗證 203
7．3 雙水聽器互相關函數(shù)匹配定位方法 204
7．3．1 基于互相關函數(shù)匹配的被動定位方法 204
7．3．2 定位方法的模糊平面及性能分析 208
7．3．3 互相關函數(shù)的稀疏重構方法 219
7．3．4 實驗數(shù)據(jù)處理 220
本章小結 225
第8章 深海可靠聲路徑下基于垂直線陣列的聲源定位方法 226
8．1 引言 226
8．2 基于多途到達結構的定位方法研究 226
8．2．1 加權子空間擬合匹配定位方法（WSF-MF）的應用 226
8．2．2 WSF-MF方法的定位精度及穩(wěn)健性分析 227
8．3 聲場空頻域聯(lián)合的定位方法研究 235
8．3．1 聯(lián)合定位方法及算例 235
8．3．2 聯(lián)合定位方法性能分析 241
8．3．3 聯(lián)合定位方法應用于水面和水下聲源分類 244
8．3．4 實驗數(shù)據(jù)處理 249
本章小結 252
第9章 深?？煽柯暵窂较碌母缮鏃l紋特征及其應用 254
9．1 概述 254
9．2 勞埃德鏡的簡正波分析 255
9．2．1 等聲速波導環(huán)境 255
9．2．2 深海環(huán)境 260
9．3 干涉條紋分析 263
9．3．1 中等距離內的3種干涉條紋 263
9．3．2 干涉條紋軌跡的計算方法 267
9．4 深度估計中的應用 268
9．4．1 MIS方法 268
9．4．2 MFS方法 270
9．4．3 MIS方法和MFS方法的性能分析 273
9．5 海上實驗數(shù)據(jù)驗證 274
9．5．1 采用MIS方法估計氣槍聲源深度 276
9．5．2 采用MFS方法估計爆炸聲源深度 277
本章小結 277
第10章 陣列流形失配條件下的水平線陣列測向方法 279
10．1 概述 279
10．2 基于稀疏性的被動合成孔徑定位與子陣處理方法 279
10．2．1 運動直線陣列被動合成孔徑方法（PSA）原理介紹 279
10．2．2 子陣位移誤差對PSA方法的影響 282
10．2．3 子陣位移誤差時的直線陣列稀疏貝葉斯DOA 284
10．2．4 基于稀疏貝葉斯的直線陣列PSA 293
10．3 海底水平線陣列測向誤差分析及誤差修正方法研究 297
10．3．1 測向誤差的物理成因 297
10．3．2 測向誤差隨聲源距離和聲源方向變化規(guī)律研究 302
10．3．3 測向誤差修正方法 309
本章小結 311
參考文獻 313