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原文传递基于组合水听器的浅海水面水下目标分类技术研究

论文题名：	基于组合水听器的浅海水面水下目标分类技术研究
关键词：	浅海环境;水面目标;水下目标;目标分类;模态特征;深度估计;被动测距
摘要：	区分目标位于水面还是水下对于保障自身安全和攻击敌方有威胁的目标均具有十分重要的指导意义。在浅海波导中，搭载在移动平台上的被动声呐性能不仅受到浅海环境复杂性的限制，还受到阵列孔径有限、目标先验信息缺失和环境失配等因素的影响，这给分类水面水下目标带来了挑战。针对移动平台上被动声呐的实际困难，本文根据声压场和振速场声场特征的联系性和差异性，重点对移动平台上被动声呐分类水面水下目标时，用到的一些关键技术进行研究。主要研究内容包括: 　　针对移动平台上被动声呐分类水面水下目标时，水平阵阵列孔径受限会影响分类特征量的提取效果，进而影响分类性能的问题，本文研究了两种基于模态特征的水面水下目标分类技术。本文首先对水面与水下目标激发简正波幅度的分布特征进行分析，分析结果表明当接收点位于远离水面的区域时，水面与水下目标激发简正波幅度分布特征的结构不同。在此基础上，本文利用归一化低阶模态功率来描述简正波幅度的分布特征，并将其作为分类特征量。为提取该分类特征量，本文提出了一种联合声压和振速的模态域波束形成算法(JointModalBeamforming，JMBF)，该算法利用噪声场中声压和振速互不相关这一特性，从提升处理增益的角度改善分类特征量的提取效果。根据该分类特征量的估计结果，本文借鉴检测器中的相关概念，设计了水面水下目标分类器——JMBF分类器，以此实现水面水下目标分类。此外，本文利用归一化低阶模态强度来描述简正波的幅度分布特征，并将其作为分类特征量。为提取该特征量，本文提出基于减秩总体最小二乘法(ReducedRankedTotalLeastSquare，RRTLS)的特征量估计算法，该算法从降低干扰简正波对特征量估计性能的影响入手，改善分类特征量的估计性能。根据该分类特征量的估计结果，本文构建了另一种水面水下目标分类器——RRTLS分类器，并利用该分类器实现水面水下目标分类。本文提出的两种目标分类技术分别从提升处理增益和抑制干扰简正波的角度提升了特征量的估计性能，进而提升了被动声呐在阵列孔径受限条件下的水面水下目标分类能力。最后，通过仿真实验验证了所提技术的有效性。　　目标深度是分类水面和水下目标的重要依据，基于这一原因，本文对单水听器接收工况下的运动目标深度估计问题进行研究。针对单水听器接收工况下估计运动目标深度时，较小的目标运动距离会导致波数谱分辨率不足，进而影响目标深度估计性能的问题，本文研究了一种基于高分辨波数谱估计的运动目标深度估计技术。本文首先研究单标量水听器接收工况下的运动目标深度估计技术，该技术利用自回归模型（AutoRegressive，AR)估计出的波数谱具有高分辨率的特点，在未知目标距离和水平波数个数的情况下提升了水平波数的估计效果，进而提升了目标运动距离较小条件下的深度估计能力。随后，本文将该技术扩展到单振速水听器，研究单振速水听器接收工况下的运动目标深度估计技术。在此基础上，本文进一步探讨单组合水听器接收工况下的运动目标深度估计，重点讨论四种声压和振速波数谱的联合处理方式及其对应的代价函数，并研究各处理方式的适用性。本文提出的目标深度估计技术在单标量水听器接收工况下通过提升波数谱分辨率，进而提升目标运动距离较小情况下的目标深度估计能力;在单组合水听器接收工况下，除从提升波数谱分辨率的角度改进算法外，还通过联合处理声压和振速波数谱信息进一步提升算法的深度估计能力。最后，通过仿真实验验证了所提技术的有效性。　　目标距离作为水面水下目标分类技术的重要辅助信息，获取该信息有助于提升水面水下目标分类技术的性能。据此，本文针对单组合水听器接收工况下，准Pekeris波导和强负梯度波导环境中的宽带声源被动测距问题，研究了一类基于warping变换的宽带声源被动测距技术。本文分别在准Pekeris波导环境下和强负梯度波导假设下，推导了声压和振速互相关函数的warping算子表达式，并分析了声压与振速互相关函数经warping变换后得到频谱的物理特性，分析结果表明该频谱的谱峰频率携带着目标距离信息。在此基础上，根据波导类型的不同和引导声源是否存在，本文提出了三种被动测距方法:基于引导声源宽带时频信息的被动测距方法、基于匹配谱特征的被动测距方法和强负梯度波导环境下的被动测距方法。基于引导声源宽带时频信息和基于匹配谱特征的被动测距方法可用于解决准Pekeris波导环境下的目标被动测距问题，其中，基于引导声源宽带时频信息的被动测距方法主要适用于波导中存在一个引导声源的情况，基于匹配谱特征的被动测距方法主要适用于先验环境信息相对准确的情况。强负梯度波导环境下的被动测距方法可用于解决强负梯度环境下的目标被动测距问题，要求波导中存在一个已知距离的引导声源。在实际应用中，可根据实际波导的类型、引导声源的存在情况和先验环境信息的准确程度选择合适的算法。最后，通过仿真实验和海试实验验证了所提技术的有效性。　　本文的研究工作主要以信道特征为基础，研究成果对于搭载在移动平台上的被动声呐有一定的应用价值。
作者：	张毅锋
专业：	水声工程
导师：	梁国龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021