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水下监测系统中目标探测若干关键技术研究

郭伟  
【摘要】:水下监测系统是布放在浅海海底的水文环境参数监测平台,用于实时监测当地海域的海流、温度、声速和海洋环境噪声等参数。水下监测系统由基座和浮体两部分组成,其中基座上面安装了声纳线阵和声学多普勒海流剖面仪(ADCP),内部设计有浮体运动控制系统和电子信息子系统;浮体顶部安装了电子罗盘和温度、深度、声速测量仪(SVTP),四周安装了圆柱形声纳基阵。正常工作时,基座内部的控制系统控制浮体出舱,以进行水文参数的剖面测量。为了确保浮体安全,在浮体出舱前,利用装在基座顶部的主动声纳线阵检测周围是否存在危险目标(渔船、商船和舰艇等),以决定浮体是否出舱;在浮体出舱后,则利用浮体上的圆柱形被动声纳基阵实时监测浮体周围的远程目标,以决定是否应立即收回浮体。由此可见,危险目标的检测是水下监测系统不可或缺的功能之一。论文以此为应用背景,重点研究水下监测系统中的主、被动声纳检测技术——波束形成、目标方位估计、谱线检测等算法及其实现技术,并利用计算机仿真技术验证文中研究的各种算法。本文的具体研究内容如下: 1.针对均匀线形声纳基阵发射窄带扫描信号的延时问题,研究和比较了多种延时滤波算法及其效果。研究结果表明:基于Lagrange插值的延时滤波器具有算法简单、应用方便、延时准确、精度较高且无任何附加时延的优点。 2.针对目标信号入射方位估计问题,研究了基于载波相位角、相位二倍角和相位三倍角三种DOA(Direction of Arrival)估计算法,并分析了这些算法的估计性能。仿真结果表明:基于载波相位三倍角的DOA估计算法的估计精度最高,且可估计的目标方位范围最大,故而适用于大方位目标探测。 3.针对相干信号的入射方位估计问题,研究了基于载波相位的相干信号DOA估计算法。研究结果表明:该估计算法的分辨率和估计精度均比经典的空间平滑MUSIC(Multiple Signal Classification)算法高。 4.针对目标辐射噪声的宽带特性,研究了基于均匀圆形声纳基阵的信号入射方位估计算法,并采用级联的插值-滤波-延时-抽取方法实现了该算法。此外,针对级联的插值-滤波-延时-抽取方法中存在的固定时延问题,研究了一种无附加时延的延时滤波算法。研究结果表明:圆形声纳基阵的DOA估计算法简单方便,可以有效地估计信号的入射方位,具有较高的DOA估计精度,而且无附加时延的级联插值-滤波-延时-抽取算法可以实现信号的准确延时,并且在圆形声纳基阵的DOA仿真估计中得到了很好的应用。 5.针对回波信号的谱线检测问题,研究了一种频率波束域MUSIC算法,称为Frequency Beam MUSIC,建立了Frequency Beam MUSIC算法的信号模型,研究了Frequency Beam MUSIC算法的频率估计误差特性。仿真结果表明:Frequency Beam MUSIC算法可以有效地估计淹没在高斯白噪声中的正弦波信号频率。与MUSIC算法相比,Frequency Beam MUSIC算法和MUSIC算法的估计精度相当,但Frequency Beam MUSIC算法的频率分辨率更高,信噪比分辨门限更低,计算量更小,且更易于硬件实现。 目标检测包括信号延时、方位估计和频率估计等问题,采用上述研究的算法减少了信号延时的计算量,简化了方位估计的复杂度,提高了频率估计的分辨率。这些理论算法和仿真结果为水下监测系统中的目标探测奠定了坚实的基础。


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