动态海洋环境下基于较短垂直阵/具有垂直孔径拖曳阵的时反处理性能研究

时反处理由于能在未知阵配置及海洋信息的条件下实现空时聚焦，在未来主动声纳和水声通信系统开发中具有重要应用前景。然而，其聚焦性能却受到阵配置、周围环境噪声、内波等动力学特征因素影响。同时，当前研究主要集中在静态海洋环境、全场布阵情况下，缺乏实际应用条件下的聚焦性能分析。本项目提出并开展动态海洋环境下基于较短垂直阵/具有垂直孔径拖曳阵的时反处理性能研究。具体内容包括：时反处理的随机不均匀水体结构建模、环境参数建模、声传播建模及其耦合，声信号的统计特性及空间相关性分析，相关噪声环境和动态海洋环境下时反处理性能分析，以及理论结果的仿真及部分结果的实验验证。本项目旨在揭示动态海洋环境下时反处理聚焦性能与阵配置、周围环境噪声及内波之间的定性和定量关系，为时反处理在水声通信和声纳等领域的实际应用提供科学判据。

本项目主要研究了时反处理的聚焦性能和检测性能。以旁瓣结构、聚焦波形与原发射波形的相似度为评价标准，研究了混响即相关噪声环境对时反聚焦性能的影响，结果显示，时反方法可以实现混响与目标回波的部分分离，将发射有选择性地聚焦到目标上。如果正确选择特征向量加权发射，即使在信混比比较低的情况下，期望聚焦点的性能下降很小。以检测性能为立足点，根据对海洋环境的已知与未知情况，推导了六种检测器。推导过程以Neyman-Pearson定理作为基本准则，即固定虚警概率，以检测概率的大小作为其检测性能好坏的标准。在检测器的推导过程中，创新如下：以往的检验统计量只与接收端的信号处理有关，本项目将其扩展到了发射端，检验统计量同时与发射端和接收端的信号处理有关系。首先，静态海洋环境且完全已知，阵设置为垂直布阵，周围环境噪声为时间和空间上，完全独立的白噪声等条件下，得出了两种最佳时反检测器和一种最佳常规检测器。其次，将静态海洋环境设置为动态或未知条件下，根据得到的数据估计传递函数，得出两种广义时反似然比检测器和一种广义常规似然比检测器。固定虚警概率，检测概率达到0.5时的相对信噪比为检测增益。以静态海洋环境下的检测增益为基准，得到动态海洋环境下的时反检测增益损失。为了验证理论推导结果，采用蒙特卡洛数值方法，仿真验证了推导结果，并得出了定量的结果。最佳时反检测器较之最佳常规检测器的检测增益为15dB，而广义时反似然比检测器相对于广义常规似然比检测器的检测增益为3.5dB，这说明海洋环境为动态或未知时，时反检测增益损失会高达11.5dB。同时，项目中涉及到的较短垂直阵问题实际上是阵孔径的研究，项目对阵孔径对时反检测增益的影响进行了详细地分析。最后，在实验室波导水池中，对时反检测器进行了实验验证。实验以圆柱壳作为目标，发射中心频率为18kHz的脉冲信号，靠接收到的信号估计传递函数，在全场布阵的情况下，研究了其被动聚焦性能。同时实验结果表明，在虚警概率分别为0.0001、0.001和0.01的条件下，时反检测器相对于常规检测器的检测增益分别为1.4dB、1.1dB和0.8dB。本项目详细分析了噪声和混响对时反聚焦性能的影响，海洋环境从静态已知到动态或未知，以及阵孔径的大小等多方面对时反检测性能的影响，为时反处理在实际声纳系统的应用提供了科学依据。