水聲信號多普勒參數(shù)估計(jì)及其應(yīng)用研究

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1、分類號：TN911.7學(xué)校代碼：10699密級：學(xué)號：2010100294西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文（學(xué)位研究生）題目：水聲信號多普勒參數(shù)估計(jì)及其應(yīng)用研究作者：徐靈基學(xué)科專業(yè)：水聲工程指導(dǎo)教師：楊益新教授西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院二零一六年五月NorthwesternPolytechnicalUniversityStudyonDopplerparameterestimationofunderwateracousticsignalanditsapplicationAdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthed

2、egreeofdoctorofphilosophy(UnderwaterAcousticEngineering)byXuLingjiSupervisor:Prof.YangYixinMay2016摘要摘要線譜是水下航行器輻射噪聲譜的重要組成部分，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于寬帶連續(xù)譜，是被水聲設(shè)備探測和識別的關(guān)鍵。而由水下線譜輻射噪聲源與接收水聽器之間相對運(yùn)動形成的多普勒特征，隱含著水下運(yùn)動聲源的參數(shù)信息。本文對水聲信號的多普勒特征分析及其參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行了深入研究。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了基于多普勒特征的水下航行器低頻線譜噪聲源定位識別和水下運(yùn)動目標(biāo)被動測速測距技術(shù)。本論文具體研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)包括：

3、1．研究了單水聽器識別水下航行器低頻線譜噪聲源位置的方法。針對現(xiàn)有單水聽器通過特性法識別水下航行器低頻線譜噪聲源位置精度不高的問題，提出了基于多普勒頻移特征分析的水下低頻線譜噪聲源定位識別方法。首先，結(jié)合Chirp-Z變換，給出了基于多項(xiàng)式調(diào)頻變換的瞬時頻率估計(jì)的窄帶細(xì)化算法，快速精確地提取出水聽器接收信號的多普勒頻移特征；其次，通過交點(diǎn)法或最小二乘法進(jìn)行正橫時刻估計(jì)；最后，參考已知聲源獲得低頻線譜噪聲源在水下運(yùn)動航行器表面的輻射位置。仿真分析和海上試驗(yàn)驗(yàn)證了多普勒頻移特征分析定位識別方法的有效性。2．針對單水聽器多普勒頻移特征分析法識別水下航行器低頻線譜噪聲源位置需要先驗(yàn)參數(shù)的問題

4、，提出了基于多普勒頻移變化率特征分析的水下低頻線譜噪聲源定位識別方法。推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)接收信號的多普勒頻移變化率在正橫時刻處具有極小值。通過基于多項(xiàng)式調(diào)頻變換的迭代算法估計(jì)多普勒信號的等效高階多項(xiàng)式相位信號的系數(shù)，繼而獲得多普勒頻移變化率后估計(jì)出正橫時刻，再參考已知聲源可知低頻線譜噪聲源在水下航行器表面的位置。此外，還提出了一種新的時頻分析方法?L相位分布，并給出了其基于S-Method的快速實(shí)現(xiàn)算法，可直接獲得多普勒頻移變化率特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對水下低頻線譜噪聲源的定位識別。仿真分析和海上試驗(yàn)驗(yàn)證了多普勒頻移變化率特征分析定位識別方法的有效性。3．研究了圓環(huán)陣識別水下航行器低頻線譜噪聲源位置的

5、方法。針對單水聽器定位方法不能識別頻率相同或相近線譜噪聲源位置的問題，提出了陣列處理與時頻分析相結(jié)合的波束域時頻分析定位識別方法。首先，利用小孔徑圓環(huán)陣的超指向性波束形成，將各低頻線譜噪聲源勻速通過正橫位置附近時產(chǎn)生的多普勒信號在時域上分離。其次，分別使用窄帶細(xì)化的偽Wigner?Ville分布和Chirplet變換兩種時頻分析方法對波束輸出的近似線性調(diào)頻信號進(jìn)行處理，得到各噪聲源信號的時頻圖像。最后，轉(zhuǎn)換時間坐標(biāo)到空間并參考已知聲源，即可識別低頻線譜噪聲源在水下航行器表面的輻射位置。該方法聯(lián)合利用了空時頻三維信息，可以有效地解決聚焦波束形成法識別水下低頻線譜噪聲源時孔I西北工業(yè)大學(xué)

6、博士學(xué)位論文徑受限的問題。數(shù)值仿真驗(yàn)證了波束域時頻分析定位識別方法的有效性。4．研究了單水聽器對水下運(yùn)動目標(biāo)測速測距的方法。針對經(jīng)典的窄帶被動測速測距方法的兩個基本步驟，提出了一種改進(jìn)的水下運(yùn)動目標(biāo)測速測距方法。首先，在分析多普勒信號Wigner?Ville分布形成自交叉項(xiàng)原因的基礎(chǔ)上，引入了一種時頻變換—匹配Wigner變換。該變換通過泰勒級數(shù)擴(kuò)展的傅立葉旋轉(zhuǎn)因子來匹配雙線性信號核，可以對多普勒信號分析得到能量聚集度滿意的時頻分布，且能夠抑制自交叉項(xiàng)干擾?；谄ヅ鋀igner變換，可以有效地實(shí)現(xiàn)多普勒頻移的估計(jì)。其次，推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)多普勒信號的Wigner?Ville分布在正橫時刻處具有

7、峰值。因此，可通過峰值提取精確獲得正橫時刻值，從而將二維非線性最小二乘求解問題降為一維。海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。關(guān)鍵詞：水下航行器，運(yùn)動目標(biāo)，線譜噪聲源，噪聲源定位，參數(shù)估計(jì)IIABSTRACTABSTRACTTheacousticsourcesignalemittedbyanunderwatervehicleconsistsofseveraltonessuperimposedonabroadbandradiatednoisecomponent