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基于FDTD的水下分布式目标建模和DOA估计

潘玉成  
【摘要】:水下分布式目标的研究是水声工程中的一个十分重要的课题,它对于水下分布式目标识别、海洋资源开发等领域都具有重要意义。对于分布源,基于理想点源假设的目标模型和参数估计算法都已经不再受到信任。本文提出了一种基于时域有限差分法(FDTD)的水下分布式目标建模方法,简化了水下分布式目标的声散射场计算,并且适用于复杂分布式目标的声散射场计算,为水下目标特征参数提取、识别等提供了重要的理论基础。 本论文的主要工作以及创新点归纳如下: (1)介绍了经典的理想点源目标模型以及一种分布式目标的简化模型——多亮点目标模型,并在梯形波脉冲入射情况下,详细分析了亮点目标回波的声轴分布和时域叠加波形。 (2)介绍了经典的CBF方法和Toeplitz解相干方法,分析了多亮点目标的空间功率谱,在此基础上详细分析了亮点目标回波功率谱的空间相似度,提出了一种基于相似性理论的目标尺度特征提取方法。 (3)推导了三维空间的FDTD一致性表达式,然后针对水下目标的声场问题推导了适用于水下目标声场数值计算的FDTD递推方程组以及矩阵形式的表达式,进而提出了一种基于FDTD的水下分布式目标建模方法,并分别对水下二维目标和三维目标声散射场进行了仿真,得到了水下分布式目标模型。 (4)研究了几种分布式目标的DOA估计方法,包括DSPE算法、TLS_ESPRIT算法和一种三维低复杂度估计算法,并对基于FDTD建模的二维目标模型和三维目标模型进行了仿真分析,估计得到了水下分布式目标的特征参数和均方根误差曲线,进而提出了一种基于水下分布式目标空间尺度特征的识别方法。


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