【正文】 橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為 信號(hào)幅度。 MATLAB 程序仿真 仿真基本條件：發(fā)射波形中心頻率 kHzf 30 105?? ，采樣頻率 kHzfz 4105?? ，脈沖寬度sts 210?? ，尺度目標(biāo)中心距離 mR 300? ，尺度中心方位角 20?cta 。 1980 年，美國(guó)新墨西哥州大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任 Cleve Moler[19]在給學(xué)生講授線(xiàn)性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在高級(jí)語(yǔ)言編程上花費(fèi)很多時(shí)間，于是著手編寫(xiě)供學(xué)生使用的 Fortran 子程序接口程序，他將將這個(gè)接口程序取名為MATLAB（即 Matrix Laboratory 的前三個(gè)字母的組合，意為“矩陣實(shí)驗(yàn)室” ）。它將 數(shù)值分析 、 矩陣計(jì)算 、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非 線(xiàn)性 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模 和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效 數(shù)值計(jì)算 的眾多科學(xué) 領(lǐng)域 提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 （如 C、 Fortran） 的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。根據(jù)式 （ ） ,由二維參數(shù)譜峰搜索可以得出分布式目標(biāo)的DOA。此矩陣可以理解為將采樣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行時(shí)間平均和空間平均后的數(shù)據(jù)矩陣。對(duì)于這樣的目標(biāo)源 ,接受陣列的觀測(cè)矢量為 : ? ?? ? ???qi ii tndtsatx 1 )(),()()(?? ???? （ 428） 在上面的式子中 , )(?a 是陣列流型向量 , ),( ts ii ??? 為第 i 個(gè)分布式目標(biāo)信號(hào)源在 t 時(shí)刻的角信號(hào)密度函數(shù) ,它包含了分布式目標(biāo)的所有信息 ,分布式目標(biāo)波達(dá)方向就是指中心波達(dá)方向i? 。39。 沿著類(lèi)似的思路，我們可以推導(dǎo)出適用于分布式信號(hào)源的 MUSIC 類(lèi)算法。( ?? （ 412） 的所有實(shí)現(xiàn)張成的線(xiàn)性空間。 我們令 ? ?2/,2/2 ????L 表示定義在區(qū)間 ? ?2/,2/ ??? 上的所有復(fù)值均方積分函數(shù)的希爾伯特空間。由幾何關(guān)系可得 ）（）（）（ ?? ?????? c o sL2/LR2L2/LRr i2i22i （ 34） 式中 ， iL 是亮點(diǎn)分布位置 NiiN LL i ,...,2,1),1(1 ???? （ 35） 其中時(shí)延為 it cr2ii?? （ 36） 延長(zhǎng)線(xiàn)的長(zhǎng)度 0L 可由關(guān)系 式 )sin( Rsin LL 0i i0 ??? ??? 解得，方位角 i? 為 )sin( Rsin 2/LL 000 ??? ??? （ 37） 各亮點(diǎn)位置的直角坐標(biāo) ）（ ii zx, 可由極坐標(biāo) ）（ iir?, 求得，為 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 ??? ??iiiiii cossin??rz rx （ 38） 設(shè)發(fā)射信號(hào)為 )e x p ()()( 0tjtats ?? ，其中 )(ta 為實(shí)包絡(luò)，如矩形，三角形，鐘形，梯形等。對(duì)于 建立 模擬回波，確定多 亮 點(diǎn)回波模型的 重中之重是要 確定潛艇的 亮 點(diǎn)數(shù)和 亮 點(diǎn)分布。按照目標(biāo)反射的聲學(xué)機(jī)理，可以建立點(diǎn)目標(biāo)反射的回波模型。這也就是傳統(tǒng)的子空間方法不適用于分布式目標(biāo)定位的原因。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 亮點(diǎn)模型的簡(jiǎn)介 目標(biāo)是分布在 相對(duì) 體積內(nèi)的 很多 反射點(diǎn)的 一個(gè) 大集體 ， 通過(guò)分布式 目標(biāo) 光照模型的研究得到 ，這些點(diǎn) 的反射是不 勻稱(chēng) 的， 反而 存在 很多 反射能力 很 強(qiáng)的點(diǎn) ， 我們叫做亮點(diǎn)，亮點(diǎn)的分布 和 分布式 目標(biāo)表面 的 曲率，面積 和 入射波的方向有 著 千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系 。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 線(xiàn)列 陣的原理 聲納信號(hào)處理技術(shù)的好壞決定了聲納工作狀態(tài)。 線(xiàn)列陣的歷史及發(fā)展 拖曳線(xiàn)列陣聲納的歷史可以追溯到第一次世界大戰(zhàn)， 1917 年，美國(guó)人 Hayes 博士展示 了 一種拉拽 舷側(cè)線(xiàn)列陣 的聲納結(jié)構(gòu)，在英 國(guó)海軍 Jout 軍艦 舷側(cè) 的前面 裝 了兩個(gè) 14 元線(xiàn)列陣，與此同時(shí)在其尾部扯出 了 兩個(gè) 14 元線(xiàn)列陣，這套系統(tǒng)能 探測(cè) 到 的大概 距離差不多是 公里，能夠應(yīng)對(duì)那 時(shí) 候的潛艇攻擊。而對(duì) 分布源 而言 ，入射分量在觀測(cè)空間內(nèi) 基本 上可謂是連續(xù)分布， 不可 從空間上分離 一切 的能量分量。認(rèn)為目標(biāo)的回波是點(diǎn)目標(biāo)或目標(biāo)上有限數(shù)目的散射點(diǎn)對(duì)入射信號(hào)作用的結(jié)果。 和 單亮點(diǎn)目標(biāo)模型相比 , 多亮點(diǎn) 分布式 目標(biāo) 模型深層 的 反映了目標(biāo) 的體積散布和前后隱蔽 特性 , 使 分布式 目標(biāo)回波的 延伸 脈寬和幅度起伏 的特性得到了反饋 。如果截面積 的數(shù)值是在 運(yùn)動(dòng) 的狀態(tài)下測(cè) 量 得到的，那這個(gè)值 則 通常都在某段時(shí)間內(nèi)起伏數(shù)值的平均值；否則，就是 特殊 定制的 視向上的靜態(tài)值。 分布式 目標(biāo)散射中心是 分布式 目標(biāo)在高頻區(qū)散射的 特性 之一 。 在 分布式 目標(biāo)回波中有 分布式 目標(biāo)的三個(gè)重要 尺度特征： 分布式 目標(biāo)回波的時(shí)間展寬； 分布式 目標(biāo)回波的亮點(diǎn)起伏； 分布式 目標(biāo)回波 空間方位分布。雖然 聲誘餌等 一系列 的 對(duì)抗器材對(duì)魚(yú)雷聲自導(dǎo)的發(fā)射信號(hào)回波等部分特征的模擬越來(lái)越真實(shí)，但 畢竟是紙上談兵，它 的 尺度信息卻是 模擬 不了的，所以 空間特征是 根本 模擬 不了 的， 于是研究分布式 目標(biāo)回波 聲成像的空間特征提取對(duì)分布式 目標(biāo) 的識(shí)別技術(shù) 有 著 相當(dāng)重要的 意義。由于魚(yú)雷武器自動(dòng)檢測(cè)、跟蹤、向目標(biāo)導(dǎo)引的能力很大一部分 是 依靠聲學(xué) 的自導(dǎo)，所以 對(duì)抗模擬潛艇特性的聲誘餌 才是魚(yú)雷目標(biāo)識(shí)別真正 的 目標(biāo) 。在其他 一些國(guó)家 有一部分新發(fā)明出來(lái) 的 水下航行體聲納但利用目標(biāo)亮點(diǎn)回波的時(shí)域、頻域特性對(duì) 目標(biāo)進(jìn)行 檢測(cè)和識(shí)別， 更 加突出 的是 可以 利用目標(biāo) 在 空間方位 中 的 回波分布特性完成 尺度目標(biāo) 的識(shí)別，那 就可 以有效地防止那些能夠有效 的模擬回波時(shí)頻 域 特性的點(diǎn)源誘餌對(duì)水下航行體導(dǎo)引系統(tǒng)的引誘。利用聲圖像 技術(shù) 對(duì)目 標(biāo)進(jìn)行識(shí)別已 經(jīng) 成為 了 目標(biāo)探測(cè)的 一種主要手段，并有效的應(yīng)用在水下作戰(zhàn)領(lǐng)域，為武器智能化作戰(zhàn)和精確打擊提供 充分的依據(jù) 。 I LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目 非對(duì)稱(chēng) 分布式目標(biāo) 的 聲成像方法研究 Study on the me thod of asymme tric distribute d targe t acoustic imaging 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 通信工程（ 1）班 指導(dǎo)教師 學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院 答辯日期 2021 年 6 月 15 日 II 摘 要 本設(shè)計(jì) 介紹 的是 一種相干分布式目標(biāo)模型的聲成像理論和方法。 聲成像通過(guò)某些 處理方法對(duì) 目標(biāo)的聲圖像處理， 進(jìn)而 形成由主要亮點(diǎn)構(gòu)成的目標(biāo)偽圖像，獲取 了 較為完整的目標(biāo)空間信息和 一些 細(xì)節(jié) 的 描述。因此，研究分布式 目 標(biāo)回波 特性的仿真與 識(shí)別的辦法，有利于 提升目標(biāo)識(shí)別與電子反對(duì)抗的性能。 目標(biāo)聲成像 研究的歷史和現(xiàn)狀 目標(biāo)識(shí)別時(shí)在第一次世界大戰(zhàn)末期隨著聲吶技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息檢測(cè)等技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái) 的。 本文的內(nèi)容安排 本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排如下： 第一章：緒論簡(jiǎn)單介紹了 分布式目 標(biāo)聲成像 的 研究背景 。 分布式 目標(biāo)的特征信息 包括 分布式 目標(biāo)的位置 情況 ，例如： 分布式 目標(biāo)的距離、方位角、府仰角和徑向速度等，以及 分布式 目標(biāo)自身特征的狀況。 伴隨著 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，人們 可以 利用寬帶信號(hào)技術(shù) 從而 獲 取 到分布式目標(biāo)散射中心在徑向距離上的高分辨率， 然后 得到賴(lài)以對(duì)多散射中心目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)的大量信息 ， 按照 一定的識(shí)別算法 能 對(duì)這些目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)。 目標(biāo)多散射中心的距離 成 像模型 雷達(dá)日標(biāo)散射 的特性可用一組散射中心類(lèi)似于以 散射中心 為 基本 的 分布式 目標(biāo)模型表示為： （ 21） 式中， )()( tm? 是對(duì) )(t? 的 m 階微分； P 是目標(biāo)上散射中 心的個(gè)數(shù)； 21,mm 是各散射中心的微分或積分的階數(shù)； pmx 是各散射中心的幅度； pt 各散射中心的時(shí)延； 因?yàn)?分布式 目標(biāo) 的 時(shí)延直接與 分布式 目標(biāo)徑向 的 距離成比例，因此，此“沖擊響應(yīng)”也即目標(biāo)散射中心距離像，對(duì)應(yīng) )(tx 的目標(biāo)頻率響應(yīng)為 （ 22） 注意到式（ 21）與式（ 22）中第一部分所斯能夠以的目標(biāo)沖擊沖擊響應(yīng)的細(xì)微差異；在這通過(guò)在時(shí)域 中 引入 )(tm? ，對(duì)應(yīng)的在頻域表明了 分布式 目標(biāo)上各個(gè) 散射中心 伴隨頻率的變化。 經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn) 證明 ,在高頻 的 情況下 , 任一分布式目標(biāo)回波都是由若干個(gè)子回波加權(quán)相加 而成的 , 每個(gè)子回波都被看做 是從某 一 個(gè)散射點(diǎn)發(fā)出的 , 這個(gè)散射點(diǎn)就是亮點(diǎn)。隨研究的深入， 單一 點(diǎn)目標(biāo) 亦或是 多亮點(diǎn) 分布式 目標(biāo)模型在 相當(dāng)多 的場(chǎng)合下 很難 準(zhǔn)確 的描述 有關(guān)目標(biāo)的特性， 考察者 們 只能 試采用更 復(fù)雜的信號(hào)模型。 而且 不 能 同分布源的能量擴(kuò)展在觀測(cè)空間中 經(jīng)常 有 著 重疊，使得分布源信號(hào)在空間中不 能夠 滿(mǎn)足稀疏分布的特 點(diǎn) 。歷經(jīng)了 90 多年的演變，拉扯 線(xiàn)列陣聲納 的 孔徑從 4 倍波長(zhǎng) 發(fā)生 到超過(guò) 100 倍波長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍從 60dB 增加到 120dB。在拖曳 double 線(xiàn)列陣聲納出現(xiàn)使， single線(xiàn)列陣遇到 了 很多 關(guān)于 信號(hào)處理 方面 的 問(wèn)題，自 從拖線(xiàn) double 列陣聲納問(wèn)世，類(lèi)似 的 問(wèn)題依舊 還 是聲納 重中之重 的 研究 ，而且伴著戰(zhàn)術(shù)區(qū)域從深海到淺海的轉(zhuǎn)移，安靜型潛艇橫空出世，拖曳式線(xiàn)列陣探測(cè)弱目標(biāo)信號(hào) 有了 更加嚴(yán)格 的性能 要求。 從入射的距離區(qū)分 可以把它 為遠(yuǎn)長(zhǎng)場(chǎng)和近場(chǎng)，在遠(yuǎn)場(chǎng)的情況下 分布式目標(biāo)能 夠 看成亮點(diǎn)；但是如果 從能量 的角度 來(lái) 看 的話(huà) ，亮點(diǎn)對(duì)回波 有很大 的奉獻(xiàn) ， 而另外 那些漫反射對(duì)回波的影響 可以 不予考慮 。 等提出 了信號(hào)子空間有效維數(shù)的概念，它實(shí)質(zhì)上也就是相關(guān)矩陣的大特征值個(gè)數(shù)。設(shè)發(fā)射信號(hào)為 )(ts ，目標(biāo)脈沖響應(yīng)為沖激，即 )()( tth ?? ，則回波為 )( kRwtji eRAp ?? （ 33） 式中， ? 是反射強(qiáng)度， R 是魚(yú)雷與 目標(biāo) 的距離， c 是聲波的傳播速度。 分布的 目標(biāo) 的縱向尺寸 比 于橫向尺寸 要 大得多，水平上的多亮 點(diǎn) 能夠被 分辨 出來(lái) ，水平的多 量 點(diǎn)模型 是 屬于魚(yú)雷反對(duì)抗 模型 中 的一種。在理想水聲信道中，每一亮點(diǎn)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)為一個(gè)沖激函數(shù)，可用一個(gè)卷積模型來(lái)描述目標(biāo)回波，則回波信號(hào)為 ?? ?? ??????? N 1i iiN 1i ii )cr2t(s)t()t(s)t(h)t(s)t(e ???? （ 39） 式中 ， ir 是魚(yú)雷與潛艇第 i 個(gè)亮點(diǎn)的距離， i? 是亮點(diǎn)反射強(qiáng)度，它與敵舷角和目標(biāo)結(jié)構(gòu)及材質(zhì)有關(guān)，是敵舷角和位置坐標(biāo)的函數(shù)， c 是聲波的傳播速度 [11]。在 ? ?2/,2/2 ????L 中的內(nèi)積和范數(shù)定義 為 ????? dssss jiji )()(, 2/ 2/ *??? （ 41） 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 cjici sss ,? （ 42） 這里 c 表示該函數(shù)為連續(xù)函數(shù)。 為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們假定信源子空間 S 是 ? ?2/,2/2 ???L 上的閉合子空間?，F(xiàn)在假定 ?R維數(shù)是 qM? ，基為 qMee ?,...,1 并令 ],...,[ 1 qMn eeE ?? ，且有 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 qMiSeaeL iHi ???? ?? ,. .. ,1,)