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水声阵列定位和受约束阵型选择研究

董真杰  
【摘要】:海洋占地球面积的70%以上,蕴含着丰富的资源。但海洋探测技术远远落后于无线电技术,导致海洋资源的探索、开发极为缓慢。在广阔的海洋水下空间中,声波是目前已知的水下传播距离最远的能量辐射形式,所以水声技术是海洋资源的探测和开发特别是海洋水下工程最重要的技术手段。水声技术中一个最重要且最基本的问题就是水声定位技术,确定目标的存在和位置是海洋开发中一个重要的课题。大多数声学定位系统利用时间差或相位差一次只能定位一个目标,无法在多目标定位场景中使用。为了解决这个问题,提出了将应用于空气信道的阵列信号处理技术经过适配后用于水下信道。利用特征结构的子空间方法,对多个空间信号到达方向(DOA)进行研究。本文取得的主要研究成果如下:(1)首先介绍了水声信道的特点及水声定位系统主要组成、阵列信号处理阵列流型及本文将用到的算法。根据水声信号特点,设计制作了可用于水下声学定位的硬件平台。由于阵元数多于采集通道数,为了灵活选择不同阵型,设计了不同阵元进入采集通道的选择电路。每路通道进行信号预处理,提高信噪比。同步采集多路水声信号,挑选出其中包含信号的数据段,将有用数据进行存储。(2)在水听器阵列共48路呈12*4排布的阵元中选取12路作为阵型,配合相应的算法,比较各阵型及适配的算法在精度和运算时间上的优劣,选取综合性能良好,本文适用的阵型及算法,并可根据使用的不同场合改用不同阵型及算法。本文选取一维线阵、L型阵、双L型阵、均匀面阵、“口”字型阵这几种阵型,每种阵型选用一至三种算法,比较每种情况下的性能及运行时间,为实际应用提供可供参考的理论依据。(3)分析了同一种算法在不同阵型下的不同表现,找出差异的原因,以及分析对以后设计高精度的水下定位系统需要注意的问题。


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