正版圖書 聲納陣列信號處理技術 9787121336492 電子工業齣版社 杜選民 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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杜選民 著

圖書標籤:

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齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121336492

商品編碼：30211044158

包裝：平裝-膠訂

齣版時間：2018-02-01

基本信息

書名：聲納陣列信號處理技術

定價：58.00元

作者：杜選民

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2018-02-01

ISBN：9787121336492

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝-膠訂

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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陣列信號處理是現代聲納設備的核心功能之一。通過接收陣列的信號處理，可以獲取空間指嚮性增益，提高空間分辨和乾擾抑製能力，實現對目標的檢測與跟蹤、方位與距離估計；通過發射陣列的信號處理，可以獲取具有時延差或相位差的陣元信號，從而形成指嚮性發射波束，提高聲源級；通過空-時自適應處理，可以提高對弱目標的檢測能力。近年來，聲納技術不斷發展，齣現瞭多綫列陣聲納、連續波聲納、MIMO聲納等新體製聲納以及自適應盲處理、時反處理、矢量信號處理、魯棒性波束形成、模基信號處理等新型處理算法，這些都是聲納陣列信號處理的發展與豐富。本書深入、係統地介紹瞭可應用於實際聲納設備的陣列信號處理技術，在簡單的原理接收基礎上又大量的計算機模擬仿真及湖、海試實際數據的處理結果。另外本書有較大篇幅的聲納陣列信號處理領域的新技術介紹。

目錄

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章 聲場概述············································································································1
1.1 引言···························································································································· 1
1.2 聲波的基本概念········································································································ 1
1.3 聲學基本物理量········································································································ 1
1.4 理想流體介質中小振幅波傳播的基本規律······························································ 2
1.4.1 理想流體介質······································································································· 2
1.4.2 連續性方程·········································································································· 3
1.4.3 狀態方程············································································································· 3
1.4.4 運動方程············································································································· 4
1.4.5 波動方程············································································································· 4
1.4.6 速度勢函數·········································································································· 4
1.4.7 亥姆霍茲方程······································································································· 5
1.4.8 三種不同坐標係下亥姆霍茲方程求解····································································· 5
1.4.9 綫性濾波器理論框架下波動方程求解····································································· 9
1.4.10 介質特性阻抗··································································································· 11
1.5 分層介質中的波傳播······························································································· 11
1.5.1 平行平麵層中波傳播的一般關係·········································································· 11
1.5.2 邊界條件··········································································································· 12
1.5.3 硬底均勻淺海聲場······························································································ 12
1.5.4 液態海底均勻淺海聲場······················································································· 14
1.6 聲場傳播基本模型··································································································· 15
1.7 聲學工具·················································································································· 16
1.8 本章小結·················································································································· 17
參考文獻······························································································································17
第2 章 基陣理論基礎···································································································18
2.1 引言·························································································································· 18
2.2 基陣的主要性能參數······························································································· 18
2.2.1 常見的基陣類型································································································· 18
2.2.2 主要性能參數····································································································· 18
2.3 均勻綫列陣·············································································································· 21
2.3.1 基陣響應（指嚮性函數） ···················································································· 22
2.3.2 乘積定理··········································································································· 24
2.3.3 幅度加權··········································································································· 25
2.3.4 波束掃描··········································································································· 25
2.3.5 離散空間傅裏葉變換··························································································· 27
2.3.6 寬帶聲源······························

作者介紹

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杜選民，1970年9月齣生，研究員/博士生導師，畢業於哈爾濱工程大學，獲水聲工程專業博士學位。現擔任中國船舶重工集團公司第七二六研究所副所長、水聲對抗技術重點實驗室副主任、水聲對抗技術重點實驗室學術委員會副主任委員、水聲對抗國防科技創新團隊帶頭人、上海市聲學學會理事、《聲學學報》《聲學技術》《艦船科學技術》編委會委員。從事水聲及水聲對抗技術研究工作20餘年，主持研製瞭艦用報警聲納、艦水聲對抗係統、港口近程水下警戒探測係統等裝備，均，獲國防科技進步一等奬2項、二等奬2項、三等奬2項。在解決瞭拖綫陣左右舷分辨、高速運動目標自適應檢測與識彆、非綫性聲納工程應用等關鍵技術。入選國傢新世紀百韆萬人纔工程、國防科技工業511人纔工程、國防科技工業有突齣貢獻中青年專傢、上海市領軍人纔。

文摘

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序言

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海洋探索的基石：聲納陣列信號處理在現代科學與工程中的應用 在浩瀚的海洋中，隱藏著無數的秘密和寶藏。從深海地質勘探到海洋生物研究，從水下目標探測到國傢安全保障，人類對海洋的探索從未停止。而在這場不斷深入的探索中，聲納陣列信號處理技術扮演著至關重要的角色，它如同海洋中的“眼睛”和“耳朵”，為我們揭示水下的未知世界。 聲納（SONAR，Sound Navigation and Ranging）技術，顧名思義，是利用聲波在水中傳播的特性，通過發射和接收聲波來探測、定位和識彆水下目標。而聲納陣列，則是由多個聲學傳感器（換能器）組成的集閤。與單個傳感器相比，聲納陣列擁有更強的信號接收能力、更高的空間分辨率以及更豐富的信號處理潛力。通過對陣列中多個傳感器接收到的信號進行精細的分析和處理，我們可以提取齣更準確、更全麵的水下信息。 聲納陣列信號處理的核心奧秘 聲納陣列信號處理技術的核心在於如何有效地從復雜的聲學環境中提取齣目標信號，並從中獲取有價值的信息。這涉及到一係列精密的信號處理算法和技術。 首先，信號采集與預處理是基礎。當聲納陣列在水中工作時，每個換能器都會接收到包含目標迴聲、環境噪聲（如船隻噪音、海洋生物發聲、海底地形反射等）以及傳感器自身噪聲的混閤信號。這些原始信號往往是時域上的疊加，需要經過一係列的預處理，例如濾波（去除特定頻率的乾擾）、增益控製（調整信號幅度）、數字化（將模擬信號轉換為數字信號）等，以提高信號質量，為後續處理奠定基礎。 接著，波束形成（Beamforming）是聲納陣列信號處理中最具代錶性的技術之一。其核心思想是利用陣列中各傳感器接收信號的時間延遲差，通過對信號進行加權和疊加，形成一個具有特定指嚮性的“波束”。這個波束就像一個聲學的“聚光燈”，可以聚焦於特定的方嚮，從而增強來自該方嚮的目標信號，同時抑製來自其他方嚮的乾擾。 波束形成又可以細分為多種類型： 延遲-求和（Delay-and-Sum, DAS）波束形成是最基本的一種。它通過精確計算信號從目標傳播到各個傳感器所需的時間延遲，並對每個傳感器的信號進行相應的延遲校正，然後將校正後的信號相加。這種方法簡單直觀，但在強噪聲和復雜環境下效果有限。 自適應波束形成則更加智能。它能夠根據實時變化的噪聲和乾擾環境，動態地調整陣列的指嚮性，最大限度地抑製乾擾，同時保持對目標信號的靈敏度。常見的自適應波束形成算法包括最小方差無失真響應（Minimum Variance Distortionless Response, MVDR）、廣義旁瓣消除器（Generalized Sidelobe Canceller, GSC）等。這些算法需要對環境噪聲的統計特性進行估計，並利用這些信息來優化波束的形狀。 非綫性和寬帶波束形成則適用於更復雜的水下聲學條件，例如當目標信號的帶寬較寬，或者水下聲速隨深度變化較大時。 除瞭波束形成，信號檢測與估計也是關鍵環節。在成功形成指嚮性波束後，需要判斷接收到的信號中是否存在目標迴聲，並對其進行精確的參數估計。 目標檢測通常基於統計決策理論，例如使用能量檢測、匹配濾波、以及更高級的概率相關檢測方法（如卡爾曼濾波、粒子濾波等），來區分目標信號和噪聲。 目標參數估計則包括估計目標的距離、方位角、俯仰角、速度、甚至是目標的大小和形狀信息。這通常涉及到對目標迴聲的頻譜分析、時域分析以及多普勒效應的利用。 目標識彆與分類是聲納信號處理的更高層次目標。僅僅探測到目標是不夠的，我們還需要知道這是一個什麼樣的目標。 目標迴聲特徵提取是基礎。目標的形狀、大小、材質、運動狀態以及其錶麵粗糙度等都會影響其聲學迴聲的特徵，如迴聲的時域包絡、頻譜特性、以及是否産生多普勒頻移等。 分類算法則利用這些提取齣的特徵，將目標與預先建立的目標庫進行比對，從而對目標進行識彆和分類。常用的分類算法包括基於機器學習的方法（如支持嚮量機、神經網絡）、基於模式匹配的方法，以及統計分類器等。例如，可以通過分析魚雷迴聲的特徵來將其與潛艇迴聲區分開來。 多平颱協同與網絡化聲納 隨著技術的發展，聲納陣列不再局限於單一平颱，而是嚮著多平颱協同和網絡化聲納的方嚮發展。 多平颱協同是指將多個獨立工作的聲納係統（例如，不同船隻上的聲納、水下自主機器人上的聲納）進行信息融閤，實現更廣闊的探測範圍和更高的定位精度。這種協同可以通過共享原始數據、處理後的信息，或者聯閤進行信號處理來實現。 網絡化聲納則將更多的傳感器連接到一個統一的網絡中，形成一個龐大的分布式聲納係統。這種係統能夠實現更強的魯棒性（單個傳感器失效不影響整體性能）、更高的靈活性（可以根據任務需求動態調整傳感器配置）以及更強大的信息處理能力。 聲納陣列信號處理的應用領域 聲納陣列信號處理技術的進步，極大地推動瞭多個領域的發展： 海洋科學研究：用於探測海底地形地貌、研究海洋生物分布和行為、監測海洋環境變化、以及進行深海資源勘探。例如，利用聲納陣列可以繪製齣高分辨率的海底地圖，發現新的海底火山或沉船。 水下目標探測與追蹤：在軍事領域，聲納是反潛作戰、水下偵察和導航的關鍵裝備。它能夠探測敵方潛艇、水雷，以及其他水下威脅。在民用領域，也用於海上搜救、水下考古等。 海洋工程：用於水下結構的監測與維護，例如橋墩、海底管道、海上風力發電機基座等。聲納可以檢測結構物的損傷、腐蝕情況，並輔助進行水下施工。 漁業資源管理：通過聲納探測魚群的大小、密度和分布，為漁業捕撈提供指導，實現可持續漁業發展。 水下通信：聲納技術也為水下無綫通信提供瞭可能，允許水下設備之間進行數據傳輸，這對於水下機器人協作、水下傳感器網絡構建至關重要。 挑戰與未來展望 盡管聲納陣列信號處理技術已經取得瞭巨大的成就，但仍然麵臨著許多挑戰。 復雜的水下聲學環境：海水深度、溫度、鹽度的變化會引起聲速的非均勻分布，導緻信號傳播路徑的扭麯和衰減，對信號處理帶來睏難。 海洋生物噪聲乾擾：鯨魚、海豚等海洋生物發齣的復雜聲信號，有時會與目標信號難以區分。 低信噪比目標探測：在遠距離探測或目標截麵積較小的情況下，目標迴聲信號非常微弱，極易被噪聲淹沒。 實時性和計算復雜度：在某些應用場景下，需要進行海量數據的實時處理，對計算能力和算法效率提齣瞭很高要求。 數據融閤與機器學習的深度應用：如何更有效地融閤來自不同傳感器、不同類型的信息，以及如何利用先進的機器學習算法來提升目標識彆和環境理解能力，是未來的重要研究方嚮。 未來，隨著計算能力的提升、傳感器技術的進步以及人工智能的廣泛應用，聲納陣列信號處理技術將繼續發展。我們期待著更智能化、更精確、更魯棒的聲納係統，它們將幫助我們更深入地瞭解和利用這片藍色星球的廣闊空間，為人類的科學探索、資源開發和安全保障做齣更大的貢獻。 從揭示深海奧秘到守護國傢安全，聲納陣列信號處理技術正不斷書寫著人類探索海洋的新篇章。