近年來(lái)自主式水下潛航器（AUV）借助電池以及智能化技術(shù)發(fā)展而快速取得突破,各國(guó)都大力發(fā)展這一新興的水下載具,其裝備數(shù)量迅速上升并嚴(yán)重威脅我國(guó)近海安全,因此對(duì)AUV的早期水下探測(cè)與預(yù)警愈發(fā)重要。AUV在運(yùn)行時(shí)推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳會(huì)向周圍水體中輻射出自身特有的聲音信號(hào),被動(dòng)水聲探測(cè)依靠水聽(tīng)器將水中聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別,是進(jìn)行水下目標(biāo)識(shí)別的重要手段。因此本課題主要針對(duì)AUV而研發(fā)低成本的被動(dòng)水聲檢測(cè)系統(tǒng),主要完成淺水水域的AUV自動(dòng)預(yù)警以及目標(biāo)分類功能。本文首先對(duì)水聲探測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)重要工作流程進(jìn)行概述,在此基礎(chǔ)上確定了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。其次,分析了聲音在水中的傳播模型,并根據(jù)水聲傳播的特點(diǎn)對(duì)常見(jiàn)的幾種水聽(tīng)器進(jìn)行對(duì)比并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了水聽(tīng)器的靈敏度曲線最終完成水聽(tīng)器的選型。第二,對(duì)水下背景噪聲和電機(jī)螺旋槳噪聲進(jìn)行了實(shí)際采集并進(jìn)行可視化處理,分析不同噪聲各自在頻譜上的特點(diǎn),并以此為依據(jù)使用自適應(yīng)譜線增強(qiáng)（ALE）算法對(duì)背景噪聲信號(hào)進(jìn)行濾除。通過(guò)對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn)提高了收斂速度,減小了穩(wěn)態(tài)誤差,經(jīng)處理后信號(hào)的信噪比有了明顯的提高。第三,在特征提取方面,改進(jìn)了小波包變換算法,提取出信號(hào)的能量特征作為... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

A9S水下自主式航行器

00千米，一旦由潛艇或其他水下航行器經(jīng)過(guò)探測(cè)范圍內(nèi)就會(huì)啟動(dòng)LOFAR技術(shù)生成譜線圖并由專門(mén)的技術(shù)人員將譜線圖與數(shù)據(jù)庫(kù)中其他的樣本進(jìn)行對(duì)比確定水下航行器的型號(hào)。如圖1-2所示該系統(tǒng)主要有海底水聽(tīng)器陣列和地面處理中心構(gòu)成，與早期的二戰(zhàn)潛艇水聽(tīng)器相比，SOSUS系統(tǒng)采用了LOFAR技術(shù)提高信噪比能夠利用深海聲道達(dá)到很遠(yuǎn)的探測(cè)距離，但其識(shí)別分類仍然靠人工處理，限制了整個(gè)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作下的穩(wěn)定性，同時(shí)其單一的檢測(cè)算法在高海況條件下或者存在多種航行器同時(shí)經(jīng)過(guò)的情況下識(shí)別率會(huì)急劇下降，存在識(shí)別穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)。圖1-2SOSUS系統(tǒng)示意圖進(jìn)入20世紀(jì)70年代，隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，從聲信號(hào)中提取的信息被進(jìn)一步細(xì)化，因此頻譜圖中獲得的信息進(jìn)一步豐富。1988年，J.G.Lourens在對(duì)識(shí)別特征的分析中著重提到了螺旋槳槳葉數(shù)、螺旋槳轉(zhuǎn)速、殼體低頻輻射噪聲、推進(jìn)裝置類型以及輔助電機(jī)水泵等裝置的噪聲區(qū)別[10]。有了這些更加豐富的信號(hào)處理方法，水下聲音信號(hào)處理能力進(jìn)一步提高。如圖2-3所示，20世紀(jì)后期開(kāi)始服役的美國(guó)洛杉磯級(jí)核潛艇[11]裝備的AN/BQS-13DNA球形水聽(tīng)器基陣由雷聲公司研發(fā)，直徑達(dá)到了4.6米，作為被動(dòng)聲納使用時(shí)工作頻段為1-3kHz，利用海底的表面聲道探測(cè)距離達(dá)到30公里，探測(cè)海底反射聲波時(shí)的發(fā)現(xiàn)距離為40公里，探測(cè)距離最遠(yuǎn)的模式是依靠深海水聲聲道，此模式下的探測(cè)距離為90公里。其球型聲納陣列使用了1000多個(gè)鈦酸鋇原件構(gòu)成的陶瓷水聽(tīng)器，處理系統(tǒng)采用了放大器，濾波與采樣電路，并使用了計(jì)算機(jī)完成各項(xiàng)聲納功能的控制。在此階段，海底被動(dòng)聲納探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)距離進(jìn)一步提高，同時(shí)具備了多目標(biāo)處理與多任務(wù)處理的能力。與此同時(shí)后置的信號(hào)處理算法也有了很大的進(jìn)步，1998年，VaccaroRJ[12]對(duì)小波分析在水聲處理中的應(yīng)用進(jìn)

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4變換（STFT）等，小波變換能夠保留更加豐富的時(shí)頻信息，時(shí)間分辨率與頻率分辨率有著較好的兼顧。球形聲納由于安裝位置的限制，不能夠進(jìn)一步增大體積來(lái)提高探測(cè)性能，為了提高探測(cè)魚(yú)雷等小型水下潛航器的能力，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，一些新造潛艇上開(kāi)始出現(xiàn)側(cè)舷陣列聲納[13]，如圖1-4所示側(cè)舷聲納是將眾多的水聽(tīng)器以陣列的形式分布在潛艇的左右兩個(gè)側(cè)舷，利用潛艇巨大的長(zhǎng)度來(lái)提高水聽(tīng)器陣列[14]的孔徑，因此其水聲探測(cè)性能進(jìn)一步提高，其工作頻段可以低至500-2000Hz，性能優(yōu)秀的可以達(dá)到200Hz，探測(cè)的距離能夠達(dá)到100公里左右。同時(shí)由于左右舷側(cè)都安裝有水聽(tīng)器陣列所以能夠很容易判斷噪聲方位，探測(cè)能力領(lǐng)先于球形聲納。新一代的潛艇如俄羅斯的北風(fēng)之神級(jí)、法國(guó)的凱旋級(jí)均安裝有此裝備。圖1-3洛杉磯級(jí)AN/BQS-13DNA球形基陣圖1-4凱旋級(jí)側(cè)舷陣列聲納

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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