舰船尾流多波束声纳成像技术研究

摘要

舰船尾流声学特性研究不仅在舰船消隐、尾流自导鱼雷等军事领域需求迫切，而且在港口河道岸基冲刷、施工安全等民用领域的作用也日益突出。舰船尾流特性研究日益受到各科学与技术研究领域的重视。
　　结合当前国内外相关技术的研究热点和发展趋势，本文围绕舰船尾流声反向散射强度和空间分布特性的多波束声纳探测关键技术，分别针对尾流声散射特性及其多波束回波模型、多波束尾流成像信号预处理、基于分布源参数估计的尾流探测方法、舰船尾流多波束成像和特征提取、舰船尾流成像试验研究等方面开展研究。主要研究内容如下：
　　首先，舰船尾流声散射特性是利用多波束声纳测量尾流空间分布的理论基础，为建立尾流的多波束声纳回波模型，从舰船尾流的声散射特性出发，量化分析了气泡分布与声散射强度的关系。简单的回波模型不能模拟尾流形状和空间分布，难以满足多波束声纳回波建模的要求，论文综合考虑单个气泡的转移函数、信道的转移函数和尾流气泡密度分布函数，对系统的转移函数进行了建模。在已知发射信号波形的基础上，建立多波束声纳尾流声散射回波信号模型，并对模型进行了仿真，仿真结果表明模型具有仿真尾流形状和空间分布特征的能力。
　　第二，为获得高质量的尾流图像，围绕多波束尾流成像信号预处理展开两方面研究工作。一方面，为了给尾流成像提供尾流位置信息，提出采用改进多子阵幅相联合尾流检测法对回波TOA-DOA进行估计，并将得到的多子阵幅度均值用于后续成像数据计算中；另一方面，为提高外侧波束的尾流成像质量，论文提出采用可变带宽滤波算法，有针对性的提高各波束回波的信噪比。最后，利用湖上试验数据对以上方法进行了验证。
　　第三，针对点源假设的方位估计算法对具有分布源特性的舰船尾流进行处理时算法性能严重下降的问题，提出采用基于空间平滑的广义MUSIC相干分布源参数估计方法对多波束声纳回波进行估计。通过仿真和试验数据处理验证了该方法对尾流的中心回波到达角度和角度扩散参数估计具有有效性。
　　第四，研究舰船尾流多波束成像与特征提取方法。为了反映尾流的空间分布特性，以体积散射强度作为成像数据，并用改进多子阵幅相联合检测法的幅度信息计算散射强度，通过多子阵幅度均值处理达到降低图像噪声，改善成像质量的目的，从而获得能够直观反映舰船尾流空间分布的多波束声纳图像。在此基础上，讨论了提取尾流空间分布尺度特征的尾流图像边缘检测方法，并用湖上试验数据进行了验证。
　　最后，针对舰船尾流空间分布和时变性测量的技术难点，进行舰船尾流测量实施方案研究。在舰船匀速直线行驶条件下，将多波束声纳测量扇面垂直于舰船航向，利用单次测量获得垂直于舰船航迹的典型尾流截面图像。随着多波束声纳的持续测量，尾流截面的变化反映了尾流的空时分布，并进一步将尾流截面空时分布等效为尾流的空间三维分布。针对以上测量实施方案，采用水下沉底定点上视测量和船载悬挂水平侧视测量两种不同的多波束声纳布放形式，进行了两次湖上试验，采集了大量典型的试验数据对尾流成像方法进行了验证，并根据试验数据处理结果，分析和对比了两种布放形式的优缺点，证明了在多波束声纳的探测距离范围内，为了获得较高的测量精度，截取垂直航迹方向的截面是较为有效、可靠的方法之一。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 舰船尾流声学测量概况与发展趋势

1.3 舰船尾流多波束声纳成像技术分析

1.4 论文的主要内容与结构

第2章 尾流声散射特性及其多波束回波模型研究

2.1 引言

2.2 舰船尾流声散射特性

2.3舰船尾流多波束声纳回波建模

2.4 本章小结

第3章 多波束尾流成像信号预处理

3.1 引言

3.2 改进多子阵幅相联合检测法

3.3 可变带宽滤波算法

3.4 本章小结

第4章 基于分布源参数估计的尾流探测方法

4.1 引言

4.2 分布源信号模型

4.3 分布源参数估计方法

4.4 试验数据处理

4.5 本章小结

第5章 舰船尾流多波束成像与特征提取

5.1 引言

5.2 多波束声纳尾流成像

5.3 数学形态学图像处理

5.4 试验数据处理

5.5 本章小结

第6章 舰船尾流多波束成像试验研究

6.1 引言

6.2 水下定点上视试验

6.3 船载水平侧视试验

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录 英文缩略语说明表