水下复杂目标宽带信号回波模拟及时频分析——毕业论文

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1、水下复杂目标宽带信号回波模拟及时频分析第一章绪论1.1立题背景和意义1.1.1立题背景复杂多变的海洋环境使得潜艇成为隐密性极强的装备，一战的德国潜艇“狼群战术”给协约国带来了极大的损失，迫使各国认识到潜艇的巨大作用与危害性。二战以来，潜艇的设计在主动和被动噪声方面进行了突破性改进，现代潜艇采取的隐身措施，如潜艇表面敷设消声瓦甚至使得中高频段潜艇目标强度下降了5～15dB。因此对潜艇的探测、识别就成为水面舰船，特别是反潜型编队护航舰船的主要任务。为实现先敌发现、先敌攻击、精确打击，夺取水下制信息权乃至制海权乃是前提。目前，用于水下潜艇探测的途径

2、有主动、被动声纳探测，以及电磁异常探测、可见光和微波辐射遥感探测、热尾迹遥感探测、合成孔径雷达遥感探测和水下光探测等非声探测手段。我们知道，电磁波和光波等在水媒质中传播都要受到严重衰减。目前，航空磁探的最大作用范围只有几百米，水下电磁探测如水雷电场引信和磁引信的作用距离为百米量级，光吸收衰减较小的蓝绿激光在海水中的传播距离也只有百米量级。航空和卫星遥感设备也是利用电磁波来进行海面遥感探测的，这对于水面、通气管或浅水航行的潜艇来说，是一种比较有效的途径，但对于水下航行的潜艇来说则有相当的难度。通常，隐身潜艇更是具有航速低、下潜深的特点，其自身或

3、者诱发的非声特征尤其微弱，无论从灵敏度、分辨率或传感距离上，非声远程探测都是极其困难的。水下目标检测与识别是声呐系统的主要任务之一，但就目前而言，由于其还不够成熟，因而水下目标检测与识别技术也是声呐技术领域最迫切需要解决的难题之一。在传统声呐中，目标识别是依靠声呐员通过听测来进行的。随着新时期军事现代化，水下目标识别就需要实现自动识别或机助识别。目标回声是目标对入射声波激励的一个响应过程，因此回声中携带有目标的特征信息。这些信息是主动声呐进行探测和识别的基础。现代声呐（包括鱼雷自导系统）的一个重要发展方向是目标的分类与识别，它要求对目标的回声

4、特性有更深入细致的了解，以便使声呐处理机能够通过对回声的分析处理提取特征量并进行分类识别，因此回波散射理论也在该时期迅速发展，基本上建立了当前目标散射理论的构架。当前人类文明正处于高速发展时期，对海洋的开发越发深入，更加需要目标散射特性研究上的理论支持，为新技术的发展指明方向。又由于宽频带信号的目标回波携有的目标信息量大，混响背景相关性弱，有利于目标检测、参量估计和目标特征提取，因此采用宽频带信号进行目标回波的研究必然成为一种趋势。1.1.2立题意义本文在亮点模型的基础上，对水下复杂目标回声信号进行模拟仿真，并对所模拟仿真的目标回声信号的相关

5、特性进行研究，从而总结出一定的规律和结论，尝试着从回波信号途径进行水下目标的初步识别。1.2水下目标回波特性研究现状及常用方法研究水下目标回波就要基于目标的声散射特性。国内外通过研究，提出了一系列声散射严格理论、近似解法，从工程应用角度建立了若干散射特性的预报模型。研究目标声散射特性有解析解方法和数值方法，其中解析解法包括积分方程法和分离变量法。积分方程法通过被积曲面上的表面声压和法向振速求得目标的辐射声场或者散射声场。但积分方程法虽然解算思路清晰，实际计算复杂，限制其广泛应用。分离变量法根据边界条件以及函数的完备正交性求得散射声场的系数，最

6、终得到散射声场的级数解。其缺点是只能根据几何形状来描述正交坐标系，且限于计算具规则的几何形状物体散射声场。但在实际应用时，多数物体形状不规则，因此面对这种问题，现如今各个国家都在大力发展数值计算方法。其中应用比较多的是Kirchhoff积分方程法、T矩阵方法、时域有限差分法、板块元、有限元/边界元方法、多极边界元法等。研究目标回波时，散射的亮点模型可作为数学模型来描述物体回波特性。当将目标看作具有输入输出的系统是时，通过构造该系统的频响函数一般形式，实现对回波形式的分析。因此研究此类问题常用频域分析方法，但常规的傅里叶变换，无法满足研究的需要

7、。一些时频联合分析方法，如短时傅里叶变换、魏格纳-威尔分布分布观测等可以表现出回波信号的频率随时间变化的特性，可应用于信号检测中。1.3论文研究的主要内容第一章绪论阐述了课题研究背景及意义。介绍了基于声散射理论的回波相关特性研究方向，指出了本文的主要工作。第二章宽带信号及其特性分析介绍宽带信号特性，并根据模糊度函数分析几种常用主动声呐信号在测频、测距、抗噪声、抗混响方面的优劣，为研究主动声呐照射目标产生的回波发射合适波形。第三章目标回波几何亮点模型根据声学理论基础、声散射理论的严格解和近似理论，建立刚性小球、刚性圆柱等简单形状目标的几何模型，

8、对目标强度及声场声压等声学特性进行计算，选取典型的目标回波亮点模型作为目标回波的载体。第四章水下复杂目标回波信号模拟对基于亮点模型的目标反射信号进行仿真，并通过改变