【正文】 ..................... 41 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 研究背景 隨 著成像聲吶技術(shù) 發(fā)展，聲成像在各 個(gè) 探測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛 的 應(yīng)用。通過 Matlab 仿真分析，仿真結(jié)果與 仿真前 進(jìn)行的 理論分析 一致 ， 進(jìn)而 分布式目標(biāo)聲成像 的有效性 被有效 的驗(yàn)證 。 ：任務(wù)書、開題報(bào)告、 外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 作者簽名： 日 期： II 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目 非對(duì)稱 分布式目標(biāo) 的 聲成像方法研究 Study on the method of asymmetric distributed target acoustic imaging I 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 III 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。針對(duì)分布式目標(biāo) 聲成像的需要，建立 相干 的回波模型， 目標(biāo) 的 本質(zhì)特征 被分析 出 ， 然后利用 分布式目標(biāo) 成像 的 DSPE算法，把該 算法 運(yùn)用 在 對(duì)目 標(biāo)回波的 處理 上 。； DSPE。較高質(zhì)量的目標(biāo)聲像，能 對(duì) 目標(biāo)準(zhǔn) 確 的定位。 目標(biāo)回波技術(shù)作為目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一其回波特性特性除與物體固有的物理屬性（如外在形 狀、尺寸大小、固有材質(zhì)）等因素有關(guān)，還與入射信號(hào)的時(shí)頻特性、介質(zhì)等綜合因素有著緊密的聯(lián)系。 日常情況下 ，模擬尺度目標(biāo)的亮點(diǎn)經(jīng)常會(huì)使用不同空間方位的點(diǎn)源靶標(biāo)延時(shí)重發(fā)脈沖的方法。 現(xiàn)在 軟殺傷和硬殺傷 是主要的對(duì)抗手段 ，軟殺傷主要是指依靠施放假目標(biāo)如潛艇模擬器、聲學(xué)靶、干擾器、聲誘餌、氣幕彈等干擾或者誘騙魚雷，使魚雷偏離所要攻擊的目標(biāo)，損失蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 魚雷航程，最后能源耗盡最終無法運(yùn)行。但是由于涉及到軍事所以各國相對(duì)保守保密度也比較高，再加上環(huán)境比較復(fù)雜，這些都影響了該技術(shù)的發(fā)展多以 目標(biāo)識(shí)別技術(shù)一直發(fā)展比較緩慢。為了保護(hù)我國的領(lǐng)土完整和海上資源我國對(duì)水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展也十分重視。 第二章：目標(biāo)回波系統(tǒng)的概述，本章主要介紹了目標(biāo)回波系統(tǒng)的原理以及研究目標(biāo)回波的關(guān)鍵技術(shù)。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 分布式 目標(biāo)聲成像 系統(tǒng)的概述 分布式目標(biāo) 聲成像 特性簡(jiǎn)介 分布式 目標(biāo)回波信號(hào)是 分布式 目標(biāo)和入射聲波 經(jīng)過 相互作用 之 后產(chǎn)生的，它的影響因素有很多， 不但 和 入射聲波的方向、 分布式 目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài) 還與 聲源與 分布式 目標(biāo)的相對(duì)位置等 一系列因素 有關(guān) ，因此 分布式 目標(biāo)回波 與入射聲波 在一般情況下 存在 著相當(dāng)大 的差異，即使 是 均勻規(guī)則 形狀 的物體，回波與入射波也不 是 相同 的 。 分布式 目標(biāo)位置狀況的參量 通常 用于 測(cè)量 目標(biāo)位置 ，而 分布式 目標(biāo) 自己 的特性參量 通常 用 在 目標(biāo)識(shí)別 的 途徑 。當(dāng) 分布式 目標(biāo)表面上只 存在 少數(shù)具有作用的散射體時(shí)，在回波的包絡(luò)上能方便的看出他們形成的亮點(diǎn) 。 目標(biāo)回波的強(qiáng)弱主要取決 于目標(biāo) 散射截面積 (Radar Cross Section) （亦稱為雷達(dá)截面積）σ 的大小。通常，運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 被 雷達(dá)探測(cè)的 時(shí) 候 ，飛機(jī)的前端視向 最受重視 。由此可以推出 ， 分布式目標(biāo)距離像模型能夠 描述 分布式 目標(biāo)各 個(gè)散射中心在一維距離上的分布特征，同時(shí)夜 比較順利 的反應(yīng)了單個(gè)散射中心和 分布式 目標(biāo)作為一個(gè)整體的頻率響應(yīng) 的 特性。為能夠 充分 的 反映 分布式 目標(biāo)體積散布、不同部位反射能力和各部位之間的隱蔽效應(yīng) , 采用了多亮點(diǎn)目標(biāo)回波模型。它可能為 真實(shí)的亮點(diǎn) , 也可能 為 某個(gè)等效的亮點(diǎn)。而后者在目標(biāo)表面上可移動(dòng) , 且目標(biāo)強(qiáng)度是目標(biāo)軸和魚雷之間夾角的函數(shù) , 它是根據(jù)波傳播的聲程確定的等效亮點(diǎn)。如果目標(biāo)尺度很大或觀察距離很近，目標(biāo)的徑向尺寸大于陣列的分辨率，這時(shí)的目標(biāo)可以被看作連續(xù)散射型目標(biāo)。 分布源目標(biāo)模型及分布式目標(biāo)估計(jì)是一項(xiàng)新的技術(shù)，用分布源目標(biāo)模型描述體目標(biāo)特性具有 合理性，有利于精確估計(jì)目標(biāo)方位。而 對(duì)分布源信號(hào) 來說 ，模型的建立 要 有 很多 的參 數(shù)信息， 因?yàn)?不具備點(diǎn)目標(biāo)模型中 那些很 方便 的假設(shè)條件， 所以 可能分布源信號(hào)問題 會(huì) 變得相當(dāng) 的 復(fù)雜。 世人皆知兩個(gè)耳朵或者眼睛能 夠比 做是 一個(gè)陣列， 然而線列陣就是 模仿人體構(gòu)造的 最大聲壓 法而設(shè)計(jì)出來的。 據(jù)說 上 個(gè) 的 世紀(jì) 50 年代 在 美國東海 附近 的 海域發(fā)現(xiàn) 了海底石油，開采海底石油成了海洋開發(fā)中的一個(gè) 重要的內(nèi)容 ， 然而地質(zhì)勘探是唯一 的 方法，彼時(shí)英國的東方石油公司以及 生 物探 測(cè)公司、日本 的 Plsey 公司和加拿大 的 Sera 公司，前前后后 的 使用拉扯線列陣用去接收地震回波。該產(chǎn)品附加在 變深聲納 拖魚后，被 32 個(gè)隔振水聽器組成的 90m 長(zhǎng)的線列陣。聲納的作用距離、測(cè)向測(cè)距精度、多目標(biāo)分辨能力、目標(biāo)識(shí)別以及跟蹤能力等 ，都是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)所必須的，這些指標(biāo)是達(dá)到戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的技術(shù)保證，如果單純 的以 提高測(cè)距精度 為 目的 ，推出 了 延時(shí)估計(jì)精度的概念 。 主被動(dòng)聯(lián)合式拖曳線列陣聲納除包括以上部分外 ,還有發(fā)射換能器基陣 !相應(yīng)的拖曳收放系統(tǒng)以及發(fā)射機(jī)，接收聲信號(hào)的聲學(xué)模塊包括水聽器，前置放大器等元器件 如用數(shù)字方式傳輸號(hào) ,必須有 A/D 轉(zhuǎn)換器、多路數(shù)據(jù)混合系統(tǒng)和編碼電路等 。在高頻 的前提 下，構(gòu)成回波的各 成分 都 能夠 等效成 一個(gè) 散射中心 也就是 亮 點(diǎn)的回波，整個(gè) 分布 的目標(biāo) 相當(dāng)于 一組空間分布 的量 點(diǎn)。 在已有的研究結(jié)果中，按照分布源各個(gè)分量之間的空間、時(shí)間相關(guān)性，可以將其劃分為相干分布源 (CD)、非相干分布源 (ID)和部分相干分布源 (PD)。噪聲子空間是由小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量構(gòu)成的，而這些小的特征值是源于信號(hào)子空間，因而信號(hào)子空間與噪聲子空間不完全正交 。入射聲波隨距離衰減?；夭S距離平方衰減。 多亮點(diǎn)回波模型 單點(diǎn)模型不能確定 分布 的目標(biāo) 的 許多的細(xì)小的部分， 非常 有可能 出現(xiàn) 欺騙和 誤判 的 情況。水平方向上的多 量 點(diǎn)模型結(jié)構(gòu)如圖 所示 。以魚雷為中心，建立平面坐標(biāo)系 xO y， z 軸指向魚雷運(yùn)動(dòng)方向， x 軸指向魚雷右方。 第 4 章 分布式目標(biāo)估計(jì)方法 MUSIC 類算法 在方位估計(jì) 的 領(lǐng)域 之 中，最早的構(gòu)成波束 類 的算法因?yàn)?瑞利限的限制，在 分布的目標(biāo)相互之間的方位有著 較小的差別 的 時(shí) 候，不可以 對(duì) 分布的目標(biāo)方位進(jìn)行很 準(zhǔn)確的 估計(jì)，大勢(shì)所趨慢慢 的 推演 出 了 高精度的方位 估 算 方 法， 其中 MUSIC 算法 是佼佼者 。常見的分布式參數(shù)估計(jì)子空間方法有 DSPE 和 DISPARE 算法。則陣列輸出向量可以寫為 nysLx qi ii ????1 )。( ii ys ? 是關(guān)于 DOA 參數(shù) ? 的一個(gè)隨機(jī)過程。繼而，我們推廣該理論?，F(xiàn)在我們使用新定義的信號(hào)和噪聲子空間解釋點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)典 MUSIC 算法。()( *2/2/ ??? ????? dysEa iinH （ 423） 由于 s 空間為 )。( ii ys? 是隨機(jī)函數(shù)，我們還有 0)。,()(?? ?? ?????? ddaEypEa HninH （ 426） 那么，參數(shù)矢量 可由下式估計(jì)得到 ))(( 1ma xa r g^ nHny EyHEtry ? （ 427） 其中稱 ??? 2/ 2/ 39。 上述算法為分布式信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法 (DSPE)。( iiiii gtsts ???? ??? , 其中 )(ts 為目標(biāo)反射信號(hào) , )( iig ??? 為第 i 個(gè)分布式目標(biāo)的角信號(hào)分布函數(shù) ,則 t 時(shí)刻陣列的觀測(cè)數(shù)據(jù) )(tx 可以表示為： ?? ??qi iii tnbtstx 1 )()()()( ? （ 429） 其中 )(iib? 是第 i 個(gè)分布式目標(biāo)的方向矢量 ,對(duì)比點(diǎn)目標(biāo)的情況 ,也可以把它理解為廣義流型蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 向量 ,可以表示為 : qidgabiiii ,...,2,1)()()( ??? ???? ????? （ 430） q為分布式目標(biāo)個(gè)數(shù) , )(iib? 由分布式目標(biāo)信號(hào)源的角信號(hào)分布函數(shù)的數(shù)學(xué)形式及其未知的分布參數(shù)決定 ,是 M 階方向矢量 ,M 為陣元數(shù)。為了解決這一問題 , 提出對(duì)該算法的改進(jìn)方法 ,構(gòu)造一個(gè) Toeplitz矩陣 ?????????????????)1(...),1(),(............)1(...),1(),2()(...),2(),1(*****rMrMrMrrrMrrrR T （ 433） 其中： ?? ??????Mm x MiimmRiMir 1 , . . . ,1),1,(11)( ，即元素 )(ir 是協(xié)方差矩陣 xR 下三角部分與主對(duì)角線平行的第 i 條線上元素的平均。此時(shí)的協(xié)方差矩陣 RT 稱之為修正協(xié)方差矩陣， Toeplitz 化解相干的原理不是通過降低陣元自由度而獲得的 ,而是通過改變協(xié)方差矩陣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲得的 ,所以這與平滑類解相干算法不同 ,陣列的孔徑得到了有效 的利用。對(duì)于信號(hào)子空間部分 ,由于奇異值較大 ,所以對(duì)于噪聲子空間的貢獻(xiàn)就小 ,這樣一來 ,如果出現(xiàn)了對(duì)與源數(shù)目的漏報(bào) ,就可以避免由于對(duì)源數(shù)目估計(jì)的不準(zhǔn)確導(dǎo)致的估計(jì)結(jié)果錯(cuò)誤 ,此時(shí)的噪聲子空間稱為加權(quán)的噪聲子空間。參數(shù)向量 y 是二維矢量，因而 DSPE譜是定義在二維空間的函數(shù)。這一 假設(shè) 在實(shí)際信號(hào)中并不成立，不同的信源會(huì)有不同的角 密度函數(shù)。它在 數(shù)學(xué) 類科技應(yīng)用軟件中在 數(shù)值計(jì)算 方面首屈一指。可以直接調(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù) 庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 20 世紀(jì) 80 年代初期， Moler[20]等一批數(shù)學(xué)家與軟件專家組建了 Math Works 軟件開發(fā)公司，繼續(xù)從事 MATLAB 的研究和開發(fā)， 1984 年推出了第一個(gè) MATLAB 商業(yè)版本，其核心是用 C 語言編寫的。 自 20 世紀(jì) 90 年代，美國和歐洲的各大學(xué)將 MATLAB 正式列入研究生和本科生的教學(xué)計(jì)劃， MATLAB 軟件已成為應(yīng)用代數(shù)、控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、金融等課程的基本教學(xué)工具，成為學(xué)生必須掌握的基本軟件之