基于波导不变量的运动平台单阵被动测速测距技术研究

The low-frequency passive detection is the main means adopted by the towed line array sonar to detect the targets secretly, but the moving parameters including target’s distance and velocity can’t be obtained directly. However, target’s distance and velocity is very importance to target identification and assistant decision-making for undersea warfare. Interference structure is stable and observable in the low-frequency acoustic field, and the waveguide invariant, which summarizes the dispersive propagation characteristics of mode phase velocity and mode group velocity in a single scalar parameter, is the determinant of the acoustic field interference structure. In-depth researches of the waveguide invariant theories will be carried out and the new sonar signal proceeding technology will be developed by fully exploiting the physical essence of the acoustic field interference structure. And the physics model will be established, which relates the interference striation to the target moving parameters and waveguide invariant. Then, the target heading angle, the ratio of target range to distance variation rate and the waveguide invariant can be estimated by joint processing the LOFARgram and bearing-time records via the image processing technology such as Radon transform and Hough transform. Based on this foundation, the scheme for passive ranging and velocity estimation of single array will be proposed，including split array passive ranging and velocity estimation technology and single array deployed on moving platform passive ranging and velocity estimation technology, then the simulation researches and the trial data processing will be conducted to validate the correctness and the feasibility of the algorithms. The new idea to realize passive ranging and velocity estimation for passive sonar can be provided by the researches of this item.

拖曳线列阵声纳主要采用低频被动探测方式对目标进行隐蔽探测，但被动探测无法直接获得距离、速度等运动要素，而目标的距离、速度对目标识别和水下作战辅助决策均有重要意义。低频声场存在稳定可观察的干涉结构，可以由表征一群简正波相速度和群速度频率特征的波导不变量决定。本课题对波导不变量理论进行深入研究，通过充分挖掘声场干涉结构的物理本质，发展新的声纳信号处理技术；建立物理模型，将目标的运动要素、波导不变量与干涉条纹相关联；借助Radon变换、Hough变换等图像处理手段对声场干涉结构和目标方位时间历程进行联合处理，实现对目标航向角、目标距离距变率比、波导不变量等参数的在线估计。在此基础上，给出单阵的被动测速测距方法，包括单线阵分裂阵被动测速测距技术和运动平台单阵被动测速测距技术，并进行仿真研究和部分内容实验数据分析，验证该技术的正确性和可行性。通过本课题的研究，为声纳的被动测距测速技术提供新思路。

拖曳线列阵声纳主要采用低频被动探测方式对目标进行隐蔽探测，但被动探测无法直接获得距离、速度等运动要素，而目标的距离、速度对目标识别和水下作战辅助决策均有重要意义。水下目标的低频辐射声场存在稳定可观察的距离-频率干涉结构，是海洋波导的重要特征之一。对海洋波导中的干涉效应加以利用，可以从中提取目标的相关信息。本课题通过充分挖掘海洋低频远场声场干涉的物理本质，完成了浅海低频声场干涉结构的波动理论和射线理论分析；分析了不同典型浅海海洋环境和工况下干涉结构和波导不变量值变化的物理本质，获得了利用干涉结构测速测距的应用边界条件；建立了将目标运动参数与干涉条纹相关联的物理模型，将目标方位、航向角、距离、速度等运动参数、波导不变量与干涉条纹轨迹相关联，挖掘了距离距变率比这一与目标运动要素相关联新物理量；研究了图像差分法、希尔伯特黄变换、二维傅里叶变换域滤波等多种图像预处理技术，有效改善了严重噪声和线谱影响下的干涉图像效果，显著提高了干涉条纹提取准确性；并在此基础上，结合声场的物理本质发展新的信号处理技术，提出了单线阵分裂阵被动测速测距方法、运动平台单线阵被动测速测距方法，单线阵分裂阵被动测速测距方法在正横方向的盲区范围外具有较好的测距精度，运动平台单线阵被动测速测距方法充分利用了平台自身的运动要素，在较大航向角(一般大于30度)时有较高的距离速度估计精度。为研究声场干涉结构、波导不变量理论和单线阵被动测速测距效果，共获得仿真数据约130组，海试数据4组。本课题所提方法无需海洋环境的精细先验知识，也不要求阵型精确已知，允许阵型有宽容的偏差，并且，该方法充分考虑了平台的运动信息，所提的稳健被动测速测距技术经进一步试验验证后，有望应用于拖曳线列阵、球形阵、圆柱阵等多种声纳阵型，应用广泛，将提高低频声纳的检测、测距和测速性能，为提高被动声纳的探测能力提供必要的技术支撑。