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聲學(xué)所提出改進(jìn)的干涉條紋基波束形成器
2021年01月08日 17:01:05
來源：聲學(xué)研究所 點(diǎn)擊量：3740
淺海聲場(chǎng)在空間-頻率域存在有規(guī)律的干涉條紋。作為一種有效描述干涉結(jié)構(gòu)的物理量，波導(dǎo)不變量成為近年來水聲研究的熱點(diǎn)。利用波導(dǎo)不變量和聲源距離的耦合關(guān)系，已知二者其一便可估計(jì)另一方。干涉條紋基波束形成器(striation-based beamformer, SBF)理論上可在距離未知情況下估計(jì)波導(dǎo)不變量，但其適用的聲源方位范圍有限，且實(shí)際應(yīng)用條件尚不明確。
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】淺海聲場(chǎng)在空間-頻率域存在有規(guī)律的干涉條紋。作為一種有效描述干涉結(jié)構(gòu)的物理量，波導(dǎo)不變量成為近年來水聲研究的熱點(diǎn)。利用波導(dǎo)不變量和聲源距離的耦合關(guān)系，已知二者其一便可估計(jì)另一方。干涉條紋基波束形成器(striation-based beamformer, SBF)理論上可在距離未知情況下估計(jì)波導(dǎo)不變量，但其適用的聲源方位范圍有限，且實(shí)際應(yīng)用條件尚不明確。 
中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生劉昌鵬與其導(dǎo)師、研究員周士弘等，提出波導(dǎo)不變量維干涉條紋基波束形成器(waveguide-invariant-dimension striation-based beamformer, WISBF)和目標(biāo)距離維干涉條紋基波束形成器(range-dimension striation-based beamformer, RSBF)，可分別實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)不變量和聲源距離的解耦估計(jì)，解除了SBF在適用聲源方位上的局限性，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Journal of Theoretical and Computational Acoustics(JTCA)上。
研究利用聲壓頻移補(bǔ)償理論推導(dǎo)了淺海水平陣接收聲壓的陣元位置-頻率域相位和幅度關(guān)系，結(jié)果表明，在頻域波束形成處理中，沿條紋篩選所獲得的聲壓間相位關(guān)系中具有波導(dǎo)不變量和聲源距離解耦存在的物理結(jié)構(gòu)。由此，可構(gòu)建權(quán)系數(shù)對(duì)波導(dǎo)不變量或聲源距離進(jìn)行匹配搜索，且得到的波束主瓣位置獨(dú)立于聲源方位。
依據(jù)陣元位置-頻率域聲壓相位關(guān)系，研究明確了聲源頻譜緩變和包含完整的聲傳播相位信息的接收信號(hào)是SBF在實(shí)際中應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵條件。利用2011年10月海試獲得的爆炸聲源聲傳播數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)海區(qū)接近等聲速1480m/s，在海底(73±3m)布放了一條孔徑接近250 m的水平陣，所處理的聲源深度約為25m，爆炸位置均為基陣近端射方向。針對(duì)SBF難以處理的端射位置聲源，WISBF和RSBF獲得了有效的應(yīng)用。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
圖1.一個(gè)Pekeris波導(dǎo)下的仿真獲得的不同波束形成方法的波束輸出對(duì)比，波導(dǎo)水深105m，聲速1500m/s，水平陣深60m，孔徑159m，聲源深度4m，方位65°，不考慮環(huán)境噪聲?？梢钥吹絎ISBF/RSBF可獲得比CBF、SBF更高的處理增益和接近無失真的干涉條紋結(jié)構(gòu)
圖2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中一個(gè)距離接收陣12.45km的爆炸聲源信號(hào)的處理結(jié)果，各子圖依次為CBF、WISBF和RSBF的處理結(jié)果，β代表波導(dǎo)不變量
圖3.WISBF獲得的35組爆炸脈沖信號(hào)的波導(dǎo)不變量估計(jì)結(jié)果
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