小尺寸矢量阵低频校准方法研究

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1、分类号：__________密级：__________UDC：__________编号：__________工学博士学位论文小尺寸矢量阵低频校准方法研究博士研究生：郭俊媛指导教师：杨士莪教授学科、专业：水声工程哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文小尺寸矢量阵低频校准方法研究博士研究生：郭俊媛指导教师：杨士莪教授学位级别：工学博士学科、专业：水声工程所在单位：水声工程学院论文提交日期：2018年3月论文答辩日期：2018年5月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:

2、U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngResearchontheLowFrequencyCalibrationofFinite-sizeVectorSensorArrayCandidate:GuoJunyuanSupervisor:Prof.YangShi’eAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:UnderwaterAcousticEngineeringDateofSubmission:3,2018Dateof

3、OralExamination:5,2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文

4、授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交

5、有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要潜艇安静化发展势头迅速，迫使声呐基阵在工作频段、作用距离、抗干扰能力等方面寻求突破。传统声呐基阵通常按照半波长布阵原则设计，其阵列孔径与角度分辨力之间相互制约，用于低频工作的声呐阵列动辄数百米上千米，使用不便，制作与维护成本也大幅提高。矢量传感器能够在空间单点处获得与频率无关的指向性增益，方便向低频段扩展以提升作用距离。然而目前在绝大多数的声矢量阵设计中，只是将传统的声压阵作了简单扩展，所得波束性能仍然受制于阵列孔径，未能充分发挥矢量传感器在低

6、频段的性能优势。为了解决声呐基阵低频远距离探测性能与阵列孔径之间的矛盾，本文提出了一种小尺寸矢量阵的设计方法，并针对其实现过程中的关键技术进行了重点研究。文章从多极子理论出发，利用差分原理设计小尺寸矢量阵，因而能利用很小的空间尺寸，获得与频率无关的高阶波束，在充分发挥矢量传感器性能的同时解决阵列孔径对基阵性能的限制。小尺寸基阵性能优异但实现困难。当基阵安装在工作平台或载体上时，基阵周边的这些结构体将作为声散射体对接收信号产生畸变，导致算法失效；同时，小尺寸基阵对阵列误差敏感，基阵性能受基元不一致性影响严重，且在有限空间

7、低频校准又有其特殊困难。针对这些关键问题，本文提出了小尺寸矢量阵系统的低频校准方法，保证了小尺寸基阵性能的充分发挥。所研究成果突破了其工程实现难点，并为本类型基阵在水声领域的实际应用提供了成功案例。具体研究内容分为如下几个部分：(1)小尺寸基阵布阵理论与性能分析的研究根据多极子布阵理论，建立了基于多极子概念的小尺寸矢量阵波束形成算法，推导了各多极子组合方式的加权系数表达式。矢量传感器的应用，可以从而理论上减小高阶运算误差；或者以相同个数的矢量基元构建更高阶的多极子形式。通过对波束图、阵列增益和阵列稳健性的建模与仿真分析

8、，探讨了基阵参数的选取原则，给出了合适的参数选取范围。所设计基阵的基元之间排列紧密，因此能够在获得与传统阵列相同指向性增益的同时节省90%以上的阵列尺寸，突破了阵列孔径与基阵性能之间的限制。为了评估典型环境下的基阵性能，采用简正波模型对阵列信号进行模拟，并由此分析了浅海波导引起的声信号畸变特征。结果表明，由于基阵尺寸很小，各基元受