浅海远距离匹配场声源定位研究

【摘要】：匹配场声源定位是水声学研究中的经典问题,在过去的几十年中,出现了多种匹配场处理算法。由于海洋环境的复杂性,直到现在仍然没有一种有效的能够实时解决真实环境中远距离声源的定位方法。原因之一是声压是一个时变的量,其幅度和相位是起伏的,单次或有限多次的测量无法完整反映声场的真实特性,因此基于声压场难以给出准确的声源定位;原因之二是海洋声信道是三维的,而几乎所有的已有的算法只能解决信道模型与距离无关的问题;第三个原因是三维声压场的计算极其复杂,还没有快速准确计算声场的有效方法。为了解决浅海远距离声源的定位问题,提高定位精度和匹配场处理速度,本文藉助特征声线传播时间,提出了一种匹配场声源定位的新方法。应用特征声线传播时间,从而可以忽略声压的幅度信息,声场的噪声容限得到了提高,并且代价函数对模型失配的敏感性得到降低;通过到达信号包络的延迟,声压相位模糊的干扰便可消除;声线传播时间是声速的伪线性函数,其起伏要比声压小得多;三维环境中特征声线的计算速度快、且精度高。基于以上对声线传播时间的分析,本文选取最短传播时间特征声线到达不同接收水听器的相对时间差,研究了远距离声源的定位问题。 众所周知,匹配场声源定位包括两个方面。一是声场建模,二是代价函数的构造。声场建模是整个问题的基础,本文从射线理论模型出发,详细分析了三维特征声线计算程序HARPO和RTPO。结果表明,哈尔滨工程大学唐俊峰博士开发的RTPO程序有更高的计算精度和更快的计算速度。基于最短传播时间特征声线到达相邻基元时延和声线传播时间,文中构造了匹配定位的第一类和第二类代价函数。应用两类代价函数,文中分别仿真了水深失配、接收水听器位置失配和声速失配对定位精度的影响。仿真结果表明,第一类代价函数对水深失配和接收水听器位置失配是较敏感的,而对声速失配不敏感,并且具有较高的深度估计精度;第二类代价函数对三种失配都不敏感,但是它的深度分辨率较低。为了克服第一类代价函数对失配的敏感性,文中提出了增加基元的定位方法。数值计算表明,该方法在一定程度上抑制了接收水听器位置失配的影响,使得声源的距离深度估计精度得以较大提高,