矢量水聽器原理及應(yīng)用引論

前言

　　矢量水聽器作為20世紀(jì)晚期出現(xiàn)的一種新型水下聲傳感器，可以同步共點(diǎn)地獲得聲場(chǎng)的標(biāo)量和矢量信息，增加了信息種類和數(shù)量，也拓展了后置信號(hào)處理空間，改善了水聲系統(tǒng)的性能，同時(shí)它又具有良好的低頻指向性、抑制各向同性噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，為解決水聲工程中的許多問(wèn)題提供了新的思路和方法，矢量水聽器技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，就受到了各海洋大國(guó)的普遍關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)與研究和現(xiàn)代聲納工程領(lǐng)域，國(guó)外文獻(xiàn)公開報(bào)道稱我國(guó)為第三個(gè)擁有矢量水聽器技術(shù)的國(guó)家，矢量水聽器技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)我國(guó)水聲技術(shù)領(lǐng)域最具有發(fā)展前景的方向之一。　　近年來(lái)，我國(guó)矢量水聽器制作工藝日益成熟，同時(shí)人們也逐漸認(rèn)識(shí)和了解了其性能和能力，目前水聲學(xué)各研究領(lǐng)域?qū)κ噶克犉鞯男枨笕找嫫惹?，極大地促進(jìn)和推動(dòng)了矢量水聽器技術(shù)及聲矢量信號(hào)處理理論和試驗(yàn)研究的快速發(fā)展，在此背景下，作者收集、整理了多年來(lái)從事矢量水聽器及其在工程應(yīng)用方面的研究結(jié)果，給出了水下聲矢量信號(hào)的獲取、水下聲矢量信號(hào)特性及處理、水下聲矢量信號(hào)的檢測(cè)原理等，書中還給出了一些基于矢量水聽器的湖上和海上試驗(yàn)結(jié)果以及矢量水聽器在工程上應(yīng)用的實(shí)例，本書內(nèi)容新穎、系統(tǒng)性強(qiáng)，是我國(guó)第一部關(guān)于矢量水聽器技術(shù)及工程應(yīng)用方面的書籍，本書的部分研究結(jié)果是在多項(xiàng)國(guó)家專項(xiàng)基金（如國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目f40827003））資助下取得的。

內(nèi)容概要

　　《矢量水聽器原理及應(yīng)用引論》聲波是水下遠(yuǎn)距離信息傳播和接收的唯一有效載體。矢量水聽器的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)上對(duì)水下聲信號(hào)的接收只能依賴聲壓標(biāo)量的狀態(tài)，而其對(duì)水下聲矢量信號(hào)的接收已顯現(xiàn)出越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)?！妒噶克犉髟砑皯?yīng)用引論》較為系統(tǒng)地描述了水下聲矢量信號(hào)的特性、測(cè)量原理、測(cè)量系統(tǒng)及信號(hào)處理方法。全書由4章組成，包括聲學(xué)基本量及相關(guān)函數(shù)等的基本介紹、水下聲矢量信號(hào)的獲取、水下聲矢量信號(hào)特性、聲矢量信號(hào)的檢測(cè)原理等。書中還給出了一些基于矢量水聽器的湖上和海上試驗(yàn)結(jié)果以及矢量水聽器在工程上應(yīng)用的實(shí)例?！　　妒噶克犉髟砑皯?yīng)用引論》是關(guān)于矢量水聽器及其工程應(yīng)用的專業(yè)書籍，可供水聲工程領(lǐng)域的廣大科技人員使用，也可作為高等院校和科研院所水聲工程專業(yè)高年級(jí)本科生、研究生的教材或參考書。

書籍目錄

前言第1章 概述1.1 聲學(xué)基本量1.2 聲矢量的描述1.3 相關(guān)函數(shù)與譜密度函數(shù)1.4 相關(guān)函數(shù)與譜密度函數(shù)的應(yīng)用1.4.1 自相關(guān)函數(shù)的應(yīng)用1.4.2 自譜密度函數(shù)的應(yīng)用1.4.3 互相關(guān)函數(shù)的應(yīng)用1.4.4 互譜密度函數(shù)的應(yīng)用1.5 估計(jì)方法和誤差1.5.1 相關(guān)函數(shù)的估計(jì)方法1.5.2 譜估計(jì)方法1.5.3 統(tǒng)計(jì)采樣誤差第2章 水下聲矢量信號(hào)的獲取2.1 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速的測(cè)量原理2.2 矢量水聽器2.3 矢量水聽器的基本參數(shù)2.4 振動(dòng)傳感器2.4.1 壓電式傳感器2.4.2 電容式傳感器2.4.3 動(dòng)圈式磁電傳感器2.5 水下復(fù)合式矢量水聽器2.5.1 壓差式矢量水聽器2.5.2 復(fù)合式同振型矢量水聽器2.6 水下聲信號(hào)的獲取第3章 水下聲矢量信號(hào)特性3.1 海洋環(huán)境噪聲譜特性3.2 矢量信號(hào)處理的相關(guān)函數(shù)和譜特性3.2.1 相關(guān)函數(shù)3.2.2 譜密度函數(shù)3.2.3 任意一點(diǎn)相干函數(shù)3.2.4 聲場(chǎng)的矢量信號(hào)分析3.2.5 各向同性噪聲場(chǎng)中聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的時(shí)空相關(guān)性3.3 環(huán)境噪聲中信號(hào)的譜3.3.1 環(huán)境噪聲場(chǎng)中的相干分量和散射分量的關(guān)系3.3.2 聲壓與振速（加速度）分量之間的相位關(guān)系第4章 聲矢量信號(hào)的檢測(cè)原理4.1 最大似然檢測(cè)4.2 聲能流矢量檢測(cè)器的增益4.2.1 各向同性噪聲場(chǎng)中聲能流矢量檢測(cè)器的增益4.2.2 聲能流矢量檢測(cè)器的增益與時(shí)間帶寬積的關(guān)系4.3 最大似然方位估計(jì)4.4 聲能流矢量檢測(cè)器的頻域?qū)崿F(xiàn)和DOA估計(jì)4.5 矢量水聽器陣列處理4.5.1 矢量陣波束形成4.5.2 矢量陣子空間譜估計(jì)4.5.3 矢量水聽器目標(biāo)定位4.5.4 矢量陣的空間增益4.6 部分外場(chǎng)研究結(jié)果4.6.1 聲能流矢量檢測(cè)器增益的試驗(yàn)結(jié)果4.6.2 聲能流矢量檢測(cè)器方位估計(jì)及CRB的試驗(yàn)結(jié)果4.6.3 多目標(biāo)方位分辨試驗(yàn)結(jié)果4.6.4 矢量陣外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果4.7 矢量水聽器的部分應(yīng)用4.8 矢量水聽器技術(shù)的前景與展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　概述　　聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，是一門古老的學(xué)科，同時(shí)也是一門發(fā)展著的學(xué)科。聲學(xué)是研究聲音的產(chǎn)生、傳播、接收及聲學(xué)現(xiàn)象的發(fā)生和處理的學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它已滲透到其他許多自然科學(xué)領(lǐng)域中，在與其他學(xué)科共同發(fā)展過(guò)程中，也推動(dòng)了許多相關(guān)學(xué)科的產(chǎn)生和發(fā)展。　　水聲學(xué)科是聲學(xué)的一個(gè)分支，早在14世紀(jì)人們就試驗(yàn)了聲波在水介質(zhì)中的發(fā)生、傳播和接收現(xiàn)象。在第二次世界大戰(zhàn)中及后來(lái)的冷戰(zhàn)時(shí)期，水聲工程學(xué)科得到了快速發(fā)展，現(xiàn)在已成為人們了解海洋、開發(fā)海洋、開展海洋研究的主要工具。就目前掌握的信息載體來(lái)說(shuō)，人們期待著的海洋透明化離不開水下聲工程的研究與進(jìn)步。近年來(lái)，水聲學(xué)科的發(fā)展又有了新的內(nèi)容，這就是以水下矢量傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的新型水下信號(hào)的接收和處理技術(shù)的發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)被稱為水聲學(xué)科的一個(gè)標(biāo)志性進(jìn)步。本書以研究水下聲矢量信號(hào)的接收和處理為目標(biāo)，介紹矢量水聽器的工作原理和近幾年的研究成果。　　1.1　聲學(xué)基本量　　聲波是一種機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的傳播現(xiàn)象，它可以在一切彈性介質(zhì)中傳播，它的傳播與介質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)。介質(zhì)彈性力的作用使得距發(fā)射器較遠(yuǎn)處的介質(zhì)依次振動(dòng)。介質(zhì)具有質(zhì)量，因而有慣性，慣性的作用使得介質(zhì)的振動(dòng)依次落后一定時(shí)間，通過(guò)介質(zhì)的彈性和慣性作用，介質(zhì)中相應(yīng)局部的振動(dòng)狀態(tài)或形變就傳到另一處去，這就是聲波的傳播過(guò)程。當(dāng)振動(dòng)在流體中傳播時(shí)，形成介質(zhì)的壓縮和伸張交替運(yùn)動(dòng)，聲波表現(xiàn)為壓縮波的形式傳播，即縱波。固體中由于有切應(yīng)力，所以還有橫波的傳播形式。

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