被動聲納目標(biāo)檢測方法研究畢設(shè)答辯

本科生畢業(yè)論文答辯論文題目：被動聲納目標(biāo)檢測方法研究專業(yè)：班級：學(xué)號：姓名：xxx指導(dǎo)老師：xxx答辯內(nèi)容一、課題簡介二、被動聲納的理論基礎(chǔ)三、聲納波束形成四、DFT線譜檢測五、寬帶能量檢測六、總結(jié)與展望被動聲納是根據(jù)目標(biāo)航行時(shí)發(fā)出的輻射噪聲來檢測目標(biāo)并判別目標(biāo)類型的。本文首先研究了艦船輻射噪聲和海洋環(huán)境噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，在對艦船輻射噪聲和目標(biāo)聲信號特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根

據(jù)被動聲納接收信號的數(shù)學(xué)模型，仿真產(chǎn)生艦船輻射噪聲、

海洋環(huán)境噪聲以及被動聲納接收信號。接著介紹被動聲納波

束形成方法的原理和延遲求和波束形成，并用matlab仿真產(chǎn)

生時(shí)延濾波器。最后介紹被動聲納檢測常用的兩種方法：能

量檢測法和DFT線譜檢測法，分析、比較能量檢測法和DFT線譜檢測法的檢測性能。一、課題簡介，聲吸收系數(shù)二、被動聲納的理論基礎(chǔ)1、譜級信噪比與檢測距離的關(guān)系譜級信噪比：其中噪聲源輻射噪聲的聲源級：干擾環(huán)境噪聲級：傳播損失：且檢測距離頻率：譜級信噪比為：-14~20dB2、帶級信噪比與譜級信噪比的轉(zhuǎn)換關(guān)系譜級信噪比為：帶級信噪比為：其中 表示信號的功率，表示噪聲的功率，單頻信號帶寬噪聲帶寬所以距離/m10050010002000300040005000譜級信噪比/dB2060-6-9.5-12-14帶級信噪比/dB-18-32-38-44-47.5-50-52譜級信噪比、帶級信噪比與檢測距離 的關(guān)系3、艦船輻射噪聲通常艦船輻射噪聲是由寬帶連續(xù)譜和單頻線譜混合而成，其數(shù)學(xué)模型可以表示為：FIR濾波器首先構(gòu)造一個(gè)線性系統(tǒng),具有與期望的艦船輻射噪聲頻譜形狀相同的頻率響應(yīng),輸入具有恒定功率譜的高斯白噪聲,使之通過該線性系統(tǒng),即可得到與期望的艦船輻射噪聲功率譜形狀相同的寬帶噪聲。高斯白噪聲波形寬帶噪聲譜高斯白噪聲經(jīng)過FIR濾波器得到寬帶噪聲，如下圖所示。單頻線譜艦船輻射噪聲頻譜圖單頻線譜加上寬帶噪聲譜就是所要模擬的艦船輻射噪聲譜，如下圖所示。4、海洋環(huán)境噪聲由于海洋環(huán)境噪聲模型比較復(fù)雜，通常將海洋環(huán)境噪聲看作是遍歷、平穩(wěn)的高斯白噪聲。海洋環(huán)境噪聲時(shí)域波形海洋環(huán)境噪聲頻譜圖5、被動聲納接收信號模型被動聲納接收信號是由艦船輻射噪聲和海洋環(huán)境噪聲組合而成，其仿真如圖所示。被動聲納接收信號頻譜圖三、聲納波束形成目的：獲得足夠大的信噪比，對目標(biāo)進(jìn)行定向。基本思想：當(dāng)信號傳播到各基元時(shí)，出于聲程差的緣故，每個(gè)基元輸出的信號是有差異的，如果我們能把這種差異進(jìn)行人為的補(bǔ)償，那么補(bǔ)償后的信號就都一樣了。前置放大延時(shí)前置放大延時(shí)平方積分輸出普通波束形成的方框圖目標(biāo)xyθ均勻圓陣，則第 個(gè)基元所接收到假設(shè)圓心處的信號為的信號為其中波束圖(a)陣元個(gè)數(shù)M=12，波束指向(b)陣元個(gè)數(shù)M=12，波束指向圖中給出了均勻加權(quán)時(shí)一個(gè)12元均勻圓陣的波束圖，該響應(yīng)中有多個(gè)瓣，其中響應(yīng)最大的瓣稱作主瓣，該圖中波束分別在 處取極大值。延時(shí)求和波束形成時(shí)延濾波器且每個(gè)陣元接收到的信號經(jīng)過時(shí)延濾波器得到信號延遲，由于同相疊加，信號最強(qiáng)，所以時(shí)，波束輸出有當(dāng)極大值。四、DFT線譜檢測被動聲納的線譜檢測就是要將艦船輻射噪聲的線譜分量從寬帶背景噪聲中提取出來,以實(shí)現(xiàn)對聲納目標(biāo)的正確檢測。DFT線譜檢測器：信號的DFT寫為：DFT線譜檢測的理想ROC曲線由圖可以看出，當(dāng)虛警概率一定時(shí)，檢測概率與輸入信噪比有關(guān)；當(dāng)輸入的信噪比一定時(shí)，檢測概率隨虛警概率的變化而變化。蒙特卡羅性能仿真在檢測問題中，當(dāng)不能通過解析的方法或者閉合形式的數(shù)值計(jì)算方法來確定隨機(jī)變量超過某一給定值的概率時(shí)，就必須借助蒙特卡羅計(jì)算機(jī)模擬給出所需的數(shù)值結(jié)果。次相對誤差的絕對值：置信水平：概率P為0.005DFT線譜檢測的特性曲線由圖可以清楚的看出觀測時(shí)間對檢測性能的影響非常大，觀測時(shí)間越大，檢測性能越好，在本次畢設(shè)技術(shù)指標(biāo)中，要求當(dāng)檢測距離

，也就是譜級信噪比

時(shí)，檢測概率

。對于被動聲納接收到的信號，除去有用的信號，剩余的是噪聲，對噪聲做1500000次蒙特卡羅仿真實(shí)驗(yàn)，確定出當(dāng)虛警概率時(shí)，檢測信號的門限，然后在不同的信噪比下，計(jì)算出對應(yīng)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，再把檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與門限進(jìn)行比較，做1000次蒙特卡羅仿真實(shí)驗(yàn)，求出檢測到的概率，如下圖所示。五、寬帶能量檢測能量檢測是通過時(shí)間域的積分處理，使得目標(biāo)輻射噪聲的能量從背景噪聲中顯現(xiàn)出來，以實(shí)現(xiàn)對聲納目標(biāo)的正確檢測。能量檢測器的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：檢測概率與虛警概率的關(guān)系：能量檢測器的理想ROC曲線由圖可以看出當(dāng)信噪比一定時(shí)，不同的虛警概率對能量檢測器檢測概率的影響，虛警概率越大，檢測器的檢測性能越好。DFT線譜檢測器與能量檢測器的性能對比六、總結(jié)與展望實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在理想的高斯噪聲背景下，技術(shù)指標(biāo)要求虛警概率 ，檢測距離 ，也就是譜級信噪比時(shí)，檢測概率 。DFT線譜檢測的性能要比能量檢測的性能好。DFT線譜檢測器需要觀測時(shí)間而能量檢測器需要觀測時(shí)間時(shí)，滿足技術(shù)指標(biāo)要求，時(shí)，才能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。應(yīng)進(jìn)一步完善對海洋環(huán)境噪聲場的模擬