水下物体的前向散射声场与散射信号提取方法研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：水下物体的前向散射声场与散射信号提取方法研究作者：何传林学科专业：水声工程指导教师：马远良2017年1月Title:ResearchesontheacousticfieldandsignalextractioninforwardscatteringofunderwaterobjectsByHeChuan-LinUndertheSupervisionofProfessorMaYuan-LiangADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpar

2、tialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofPhDXi’anP.R.ChinaJanuary2017摘要摘要前向声散射主要用于探测收发连线附近或穿越收发连线的水下运动目标，可以填补双基地声呐中的“探测盲区”，对于提升国家海防具有重大研究意义。本文结合国家自然科学基金项目等项目，并在课题组已开展的研究工作基础上，深入研究了水下物体的前向散射声场模型和计算方法、信道中前向散射波与直达波到达角度差异，以及前向散射信号的提取方法。相关的理论和方法得到了数值仿真和实验数据的验证，为研究工作的进一步开展奠定了理论和技术基础。本文

3、的主要研究工作和结论如下：1.推导了水下物体前向散射声场及目标强度的Kirchhoff积分解析式，基于该解析式建立了高频条件下前向散射目标强度的快速算法。应用Babinet原理对水下物体的前向声散射问题进行等效处理，推导出了物体前向散射声场和目标强度的Kirchhoff解析表达式。发现经典的前向散射目标强度估计公式只是Kirchhoff解析式在严格前向散射方向上的特例，同时阐明了前向散射与反向散射目标强度的Kirchhoff积分表达式之间的基本区别。基于该解析表达式建立了一种能够快速计算物体前向散射目标强度的数值方法（称之为Kirchhoff方法）。利用该方法计

4、算了长旋转椭球体和BeTSSi潜艇的前向散射目标强度及声场分布，并与DCM、BEM的结果作对比。数值计算及结果分析表明，当入射波长小于等于物体特征尺寸的1/10时（高频入射），Kirchhoff方法的计算结果具有较高的精度；而且该方法的最大优势在于计算速度快。在本文的数值计算中，Kirchhoff方法的计算速度约为BEM的360倍，约为DCM的12倍。2.研究发现了信道中物体的前向散射波与直达波在角度到达结构上的本质区别，并利用阵列不变量理论和模态耦合关系解释了其形成机理。建立了长旋转椭球体在信道中的前向散射声场模型，以该模型为基础，利用CBF分别得到了直达波和

5、前向散射波的角度到达结构。在数值仿真结果中，直达波的角度到达结构只包含一个条纹，然而前向散射波的角度到达结构则包含多个条纹。这两种声波的角度到达结构具有本质区别。此外，直达波对应条纹的形状只与收发间距有关，而前向散射波对应条纹的形状和数目则受到目标在收发连线上的位置、声源频率等因素的影响。利用垂直阵列不变量理论与模态耦合关系解释了角度到达条纹的形成机理，绘制了与角度到达条纹对应的理论曲线，并指出了导致这一差别的根本原因在于目标引起的模态耦合。因此，在接收信号的角度到达结构中，前向散射波的角度到达结构与直达波的是分离的。这一研究发现为在空域分离前向散射波和直达波提

6、供了一条潜在的技术途径。I西北工业大学博士学位论文3.建立了DBS-AF方法，利用该方法实现了直达波抑制并提取出了水下运动目标穿越收发连线时引起的接收声场畸变。DBS-AF方法的核心思想在于：首先在无目标条件下利用训练数据获得自适应滤波器的权值向量并将其“冻结”，并将此时滤波器的输出误差视为输出背景；当目标穿越收发连线时到达接收端的是直达波与前向散射波干涉后的信号，输入自适应滤波器之后与滤波器的恒定权值向量“失配”，从而导致输出误差增大；目标远离收发连线后接收信号恢复至目标入侵之前的情形，输出误差再次恢复到输出背景。在目标穿越收发连线的过程中，由前向散射波与直达

7、波干涉引起的接收声场畸变是一个与目标运动时间（观测时间）有关的函数。经过DBS-AF处理之后，得到了一条与观测时间有关的检测输出曲线。在输出曲线上，直达波对应了曲线的输出背景，而目标穿越收发连线引起的接收声场畸变则对应了曲线的起伏峰值。利用DBS-AF方法分析了湖上实验数据，其直达波抑制效果约为14~15dB。影响该方法的主要因素是权值训练时段内的信号起伏以及有目标时接收信号的信直比。4.建立了LODAR图方法，实现了前向散射信号与直达波信号在多普勒域的分离。由于目标运动而收发端的位置固定，目标的前向散射信号相对于直达波信号必然会产生多普勒频移。但是该频移量较小

8、，而且被直达波频谱的旁瓣