声场传播模型失配下的近场宽带动态聚焦波束形成方法研究

水下宽带声成像技术是在浅海恶劣水声环境中探测海底目标的有效途径，而在近场/远场未知条件下利用宽带多波束形成技术恢复海底反向散射回波信号则是其中的关键问题。本项目通过建立海底回波信号的声学模型，提出对近场和远场具有统一形式的两层宽带多波束形成器结构，以提高水下声成像系统对声场传播模型误差的稳健性。在第一层波束形成中，研究平面波宽带恒定束宽多波束形成技术，实现对不同方向入射信号的空间滤波。在第二层波束形成器中，研究宽带回波信号方向向量的盲估计方法，并基于此设计出不依赖于声场传播模型先验信息的近场聚焦波束形成器，从而实现对海底回波信号的多焦点动态聚焦。进一步，研究回波信号反向散射强度及传播距离的优化估计问题，获取海底的声学图像。最后，在消声水池和外场湖泊中对适用于近场、远场的两层宽带多波束形成技术及水下动态聚焦声成像方法进行实验研究，为研究的原理、方法和技术获得实际应用奠定基础。

本项目以浅海恶劣水声环境中海底目标声成像为研究对象，围绕着海底目标的声场建模方法和基于水下声成像的声探测方法等几个方面开展理论和应用研究。深入研究了海底及掩埋物的反向散射回波特性。基于声场波动方程，建立了海底及水下目标的后向散射回波信号频域模型。研究了近场宽带聚焦波束形成的时延优化方法，给出了宽带波束形成器的时延优化表达式，扩展了声成像区域的有效视野范围。研究水声信号的盲源分离技术，实现宽带回波信号方向向量的盲估计。研究近场宽带稳健自适应波束形成方法，并开展了空气中声成像实验研究。研究了基于多输入多输出阵列处理技术的宽带高分辨成像方法，提高了成像的分辨率。基于理论研究内容，开展了点目标和圆柱体目标近场声成像的消声水池实验，结合实验数据对目标近场回波特性进行了深入分析；利用所研究的算法对实验数据进行了处理和分析。研究成果为水下宽带声成像技术提供底层理论支撑和应用参考。