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1、浙江大学信息与电子工程学系 硕士学位论文 时反MIMO主动声纳探测关键技术 姓名：蔡立凤 申请学位级别：硕士 专业：信息与通信工程 指导教师：潘翔 20100610 摘要 摘要 水声技术是海洋资源开发的有效手段，在军事上也具有重要作用。在浅海波 导环境中，因声波传播存在严重的时延扩展和多普勒频偏，常规声纳的性能下降， 需要研究和发展新的水声信号处理方法。 时反处理( t i m er e v e r s a lp r o c e s s i n g ，T R P ) 将海洋自身作为滤波器引入信号处 理框架具有较好的宽容性，多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u
2、l t i p l eo u t p u t ，M I M O ) 处理方法挖掘和利用了目标分集特性，克服信道衰落和目标衰落，增强目标探测 能力。为此本文将二者结合起来，进行T R M I M O 主动目标探测机理研究和实验 研究。 从相干和非相干处理出发，通过三种正交发射信号波形设计获取目标分集特 性，通过时反发射波束形成在抑制混响的同时实现目标回波增强，在接收端利用 时反聚焦波束形成结合匹配滤波实现了对目标的测距。数值仿真和实验室波导实 验证明了T R M I M O 探测方法可以有效地提高对目标的探测能力。此外，基于水 平线阵实现了对目标的测向和测距。 关键字：主动目标探测，时反，聚焦，
3、多输入多输 B ( M I M O ) ，分集 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 I V A b s t r a e t A b s t r a c t U n d e r w a t e ra c o u s t i ct e c h n o l o g yi sa l le f f e c t i v et o o lt oe x p l o i to c e a nr e s o u r c e s ， a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n m i l i t a r y I ns h a l l o ww a t e r , c o
4、n v e n t i o n a ls o n a r p e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t e sd u et ot i m ed e l a ys p r e a da n dD o p p l e rs h i f to fa c o u s t i cw a v e p r o p a g a t i o ni nw a v e g u i d ee n v i r o n m e n t H e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h e d e v e l o
5、p m e n to ft h ea d v a n c e du n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s T i m er e v e r s a lp r o c e s s i n g ( T R P ) i sr o b u s tt oe n v i r o n m e n t a lu n c e r t a i n t i e sd u et o t h eo c e a nc o n s i d e r e da saf i l t e ri n t e g r a
6、t e di n t ot h es i g n a lp r o c e s s i n gs c h e m e O nt h e b a s eo fe x p l o i t i n gt h ea d v a n t a g eo ft a r g e td i v e r s i t i e s ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( M I M O ) p r o c e s s i n gh a ss h o w nt h ea b il i t yo f t h ee n h a n c e m e n
7、to ft a r g e td e t e c t i o nw i t h m i t i g a t i n gt h ec h a n n e lf a d i n ga n dt a r g e tf a d i n g T h e r e f o r e t h ec o m b i n a t i o no fT l 冲 a n dM I M Op r o c e s s i n gi si n v e s t i g a t e db a s e do nt h e o r ya n a l y s i sa n dw a v e g u i d et a n k e x p
8、e r i m e n t s F r o mt h ev i e w p o i n to fc o h e r e n ta n dn o n - c o h e r e n tj o i n t l yp r o c e s s i n g ，t h et a r g e t d i v e r s i t yh a sb e e no b t a i n e db yd e s i g n i n gt h r e eo r t h o g o n a lt r a n s m i t t i n gs i g n a l s W i t h t r a n s m i t t i n
9、 gt i m er e v e r s a lb e a m f o r m i n g ，t a r g e te c h oi se n h a n c e dw h i l er e v e r b e r a t i o n i ss u p p r e s s e d F o c u s i n gb e a m f o r m i n gi sp e r f o r m e do nt h er e c e i v e ds i g n a l ，a n dt h e n t h et a r g e ti sd e t e c t e df o l l o w i n gb y
10、am a t c h e df i l t e ra n dt h et a r g e tr a n g ei se s t i m a t e db y r e f e r r i n gt o t h et r a n s m i t t i n gt i m e T h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e d e m o n s t r a t e dt h ei m p r o v e m e n to fd e t e c t i o no ft a r g e t su s i
11、n gT R - M I M Op r o c e s s i n g a p p r o a c h B e s i d e s t h eb e a ra n dr a n g eo ft h et a r g e ta r eb o t he s t i m a t e db a s e do na h o r i z o n t a ll i n e a ra r r a y K e y w o r d s ：T i m er e v e r s a lp r o c e s s i n g ；M I M O ；D i v e r s i t y ；D e t e c t i o n
12、；S o n a r ； S h a l l o ww a t e r 、j 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 三年的研究生生涯即将结束，这三年来的生活和学习是我人生中一段宝贵的 经历。在此期间，我不仅学习到了理论知识，提高了科研和动手操作能力，更为 重要的是使我有机会领略学术大家的风范，感受浓烈的学术氛围，让我受益匪浅。 首先我要感谢我导师潘翔副教授。本课题选定以来，潘老师多次询问研究进 程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。潘老师一丝 不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人， 给以终生受益无穷之道。对潘老师的感激之情是无法用言语表达的。
13、 感谢宫先仪院士，他那旺盛的学术热情和严谨的治学态度永远是我学习的榜 样。站得高，看得远，许多貌似复杂的问题他总能抓住实质，并与所学的理论知 识关联起来，用通俗易懂的语言给我们讲解。感谢徐文老师在开题的时候给予指 点，使我对本课题的研究有了更深一步的认识。感谢李建龙老师在理论学习上的 帮助，给了我很多启发和建议。 在此，我还要感谢在一起愉快度过研究生生活的各位同窗，正是有你们的帮 助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。感谢在实 验期间给我莫大帮助的阎丽明师兄和余子斌、郭小虎、李玉琦、官兴华等同学， 实验中出现的问题有了你们的帮助才能解决；感谢同一实验室的姜哲圣、张江帆、
14、 孙锋、夏梦璐同学，能够和大家一起探讨问题和学习是我的荣幸；感谢童丸丸、 颜瑞、陈建娟、李晓雪和陈淑保同学，谢谢你们的陪伴并给我生活带来快乐。 最后感谢我的父母和家人，感谢你们对我的养育之恩、支持和信任。愿你们 身体健康! 蔡立凤 2 0 1 0 年5 月1 4 日 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 绪论 本章着重阐述了时反技术和M I M O ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术用于 浅海目标探测的研究意义及本论文的选题背景，总结了时反和M I M O 技术在通 信与目标检测领域的研究现状，并概括介绍了本文的
15、主要研究工作。 1 1 课题背景与意义 地球上有7 0 以上的面积被海洋所覆盖，海洋是人类生存环境的很重要的组 成部分。海洋包含着丰富的生物资源、能源、水资源和金属资源等资源。开发和 利用海洋资源成为各海洋强国的发展战略。在水这一传播介质中，电磁波和光波 的传播由于高衰减率，受到了极大的限制，而声波的衰减相对而言很小，因此发 展水声技术成为了当今热门的研究方向。 在浅海或者近岸海域开展目标探测对水声信号处理是一项挑战，一方面声场 复杂，多途效应严重，航船增多导致海洋环境噪声增大，另一方面目标本身的反 射本领小，通常处于静音状态，如水雷，或者辐射噪声微弱常淹没在海洋背景噪 声之中。这种环境下，被
16、动声纳系统很难有所作为，同时这也对主动声纳系统提 出了更高的要求。浅海水声信道是时变一空变一频变的。不同的介质以及不同的 温度、密度引起的声速变化加上各种散射体前后向散射是海洋成为不确实环境的 重要因素。这时主动声纳发射的有规律的信号经多路径多简正模信道或者该信 道的蜕变形式一一快速衰落失真和时频扩展失真信道传播目标散射后，得到的 回波信号具有原发射信号的时延、多普勒和角度扩展及其变化性，在物理现象上 表现为信道衰落和目标衰落。同时，浅海环境中主动声纳系统面临着强混响的干 扰。为了完成浅海环境下目标探测的任务，将信道建模和信号处理方法结合起来 是唯一的出路。新近出现的时反技术【1 】和多输入多输出( M I M O ) 技术【2 】【3 】【4 】【5 】【6 】为 解决这一问题指明了方向。 在均匀各向同性自由场的环境中，主动声纳利用水平阵发射采用平面波波束 形成的方法产生的波束将能量集中照亮目标，同理，接收到的回波信号也通过平 面波波束形成获得目标的方位信息。但是海洋是一个上受限于空气海洋界面，下 受限于海
