基于宽带激光声源的水下目标估计

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1、万方数据摘要随着海洋经济的发展，水下探测领域的应用价值越来越高，比起使用电磁波的方法，在水下传输中利用水声作为媒介可以有更低的损耗，探测距离更远；但是传统利用声呐的水下探测手段具有一定的局限性，比如测绘效率比较低下，探测范围有限，无法在暗礁等危险区域进行测量；而激光致声作为一种新型的宽带声源，可以在空中机载平台发射强激光脉冲，在水面通过光学击穿等形式完成光声转换后，以声信号的形式继续在水下传输，通过目标反射后可以在空中检测回波信号；激光声信号不仅具有高强度，时域窄脉冲，频域宽频谱等优良特性，而且机载平台测绘效率高，可以对危险海域进行探测，是一种非常有潜在应用价值的

2、声源；本论文首先介绍了激光声源的发展历史及其优点，传统水声目标探测方法的优缺点，然后给出了激光声信号的一些理论；对于激光声这样一种快速衰减的瞬时信号，传统谱估计方法无法获得很高的频率分辨率，所以本文提出了一种使用Prony算法将信号分解成一系列衰减正弦波来实现对频域功率谱准确估计的方法，文中介绍了AR谱估计的相关理论推导，并且分析了不同求解算法的优劣和Prony算法改进的方法；由于声信号在水下信道的传播模型复杂，反射模型还受材料，尺寸，形状等诸多参数影响，使用有限元分析软件COMSOL来对声．固耦合模型进行了稳态仿真和瞬态仿真；在稳态仿真中计算目标对球面波信号的反

3、射特性，并且通过理论分析对仿真结果进行了相关的验证，提出了一种通过单个宽带声脉冲来估算声学平板材料厚度的方法，并且结合仿真结果验证了其有效性。在瞬态仿真中分析了高斯点声源与反射目标相互作用的过程，并且应用Prony算法对入射信号和反射信号频谱进行计算，继而对平板声学材料的厚度进行估算，验证了厚度估计方法对瞬时信号也同样适用，然后利用声散射模型，反卷积算法进行了对目标尺寸的简单估计，结合瞬态仿真数据进行了简单的验证。最后在消声水池中做了相关的验证试验，测量有机玻璃和橡胶两种平板声学材料的厚度，估算误差分别是3．08％和5．12％；最后对误差进行了相应的分析解释。在千

4、岛湖船载设备上对湖底岩石区域进行了简单的尺寸估算，采集数据并对其做了相关分析计算。关键词：激光致声，Prony算法，COMSOL仿真，厚度估计，尺寸估计III万方数据AbstractWiththedevelopmentofoceaneconomic，underwaterdetectionareaappearshigherandhigherapplicationvalue，comparedtothemicrowavemethod，acousticmethodhaslowerlossfortheunderwatertransmission，thusleadtoares

5、ultoflongerdetectionrange．However，thetraditionalmethodusedsonarforunderwateracousticdetectionhascertainlimitations，likelowmeasurementefficiency,limitedsurveyrange，unabletoworkindangerarealikereefcluster．Asanewtypeofwide-bandacousticsource，laser-inducedacousticsourcecanemithighpowerlas

6、erpulseintheaerialplatformremotely,byconvertingtheopticalenergyintoanacousticpressurewaveinthewatersurfacethroughopticalbreakdown，propagateasacousticsignalinthewater,andcanusetheairbonereceivemethodtodetectthesignalreflectedbythetarget．Laser．inducedacousticsourcenotonlyhasexcellentcha

7、racteristicslikehighpower,narrowpulseintimedomain，wide．bandspectrainfrequencydomain，butalsohashighmeasurementefficiency,Cantakethetaskinthehostileenvironment，thusthisisaacousticsourcewithlargepotentialapplicationvalue；Atthebeginningofthispaper,webrieflyintroducedthedevelopedhistoryand

8、advan