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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：3746
淺海聲場在空間-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。 
中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點(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是SBF在實(shí)際中應(yīng)用的兩個關(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。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。
圖1.一個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。可以看到WISBF/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)中一個距離接收陣12.45km的爆炸聲源信號的處理結(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組爆炸脈沖信號的波導(dǎo)不變量估計(jì)結(jié)果
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