基于混响场空间特性的抗混响方法研究

摘要

海底界面混响是限制浅海环境下主动声纳系统探测性能的一个重要因素。与噪声干扰不同，混响伴随着主动声纳发射信号而产生，具有非平稳的统计特性，并且多数情况下与目标回波混为一体，难以区分。因而如何找到有效的方法来抑制混响，提升接收信号的信混比成为许多学者的关注的课题。本文从海底混响的数值模拟方法入手，研究海底混响场的空间特性，利用混响信号的空间相关特性，提出了提高信混比的信号处理方法，实现混响背景下检测目标回波信号的目的。
　　海底混响的数值模拟是理论分析混响特性的基础。混响信号的单元散射模型可用于模拟研究混响信号的空间特性。经典的单元散射模型一般取海底散射系数的空间相关半径为尺度，均匀划分散射单元，散射单元的复散射系数的相位在0-2π均匀分布，散射单元的复散射系数的幅值服从高斯分布。本文对经典的单元散射模型做了如下改进：考虑海底性质的随机非均匀性，采用随机非均匀划分散射单元；考虑海底随机起伏高度相对声波波长的有限，取散射单元的复散射系数的相位在有限范围内均匀分布；考虑海底散射系数幅值的空间连续性和随机性，借用海浪高度谱的概念，生成随机的空间连续分布的散射单元复散射系数幅值。
　　通过对不同空间位置的海底混响信号进行相关分析可以得到混响信号的空间相关系数和空间相关半径。不同环境参数下模拟的海底混响信号相关分析表明：海底起伏较大时，海底混响的空间相关系数较小，因此对应的空间相关半径也较小。随着海底起伏的减小，混响的空间相关系数逐渐增大，空间相关半径也逐渐增大。在实验水池中进行了细砂、粗砂和石头三种界面的混响实验，结果也证明了这一结论。
　　‘瞬时频率’是信号在某一时刻的相位函数对时间变量的导数，描述了该时刻信号的时间变化特性。类比这一概念，定义：波场在某一位置的相位函数对空间变量的导数，为波场的‘本地波矢量’，用以描述该位置声场的空间传播特性。通过对声场的本地波矢量分析可以得到：行波场的本地波矢量指向行波的传播方向，其模值为一常数，而混响场的本地波矢量则没有固定的传播方向，模值并不恒定。利用本地波矢量的这一特性可以实现对声场中有无行波场的判决。如果对本地波矢量时间序列进行统计分析，得到本地波矢量方差序列，可以在时域对目标回波的有无进行判决，构成本地波矢量方差检测器。仿真分析表明：本地波矢量方差检测器的检测性能优于传统的最大似然检测器——正交接收机。对水池实验数据处理结果表明：通过计算本地波矢量可以有效判断声场中有无行波场的存在；使用本地波矢量方差检测器，可以在强混响条件下，实现对目标回波信号的检测。
　　对目标回波信号和界面混响信号的理论分析和数值模拟以及水池实验表明：目标回波信号的空间相关半径大于混响信号的空间相关半径，尤其在目标回波波向量的垂直方向上。‘微扰重复脉冲迭加法’利用目标回波信号和混响信号这个空间特性的差别实现提高目标回波信混比：发射器向目标多次重复发射探测脉冲，同时将接收水听器空间位置微扰动；扰动幅度小于目标回波信号的相关半径，大于混响信号的相关半径，使得每次位置扰动后接收的回波信号之间的相关系数为较大正数，而混响信号相关系数较小且符号不定；将多次扰动的接收信号进行迭加，相关部分（信号中的目标回波成分）增强而不相关部分（信号中的混响成分）抵消，即，实现了目标回波信号增强而混响减弱的目的。水池实验数据处理，验证了‘微扰重复脉冲迭加法’能够提高目标回波信混比。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 混响研究概况

1.3 界面混响的点散射体模型

1.4 国内研究概况

1.5 本文的主要研究内容

第2章 海底混响信号空间相关性分析

2.1 海底混响信号建模

2.2 改进海底混响信号模型

2.3 海底混响信号的空间相关性

2.4 本章小结

第3章 声场的本地波矢量

3.1 本地波矢量的数值计算

3.2 本地波矢量的性质

3.3 基于本地波矢量时间序列的目标回波检测器

3.4 本章小结

第4章 抗混响方法研究

4.1 微扰重复脉冲迭加法抗海底混响方法

4.2 本地波矢量的实验结果

4.3 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