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杜选民 著 著

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• 声纳
• 信号处理
• 阵列信号处理
• 水声
• 雷达
• 自适应滤波
• 波束形成
• 空间谱估计
• 目标探测
• 噪声抑制

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121336492

版次：1

商品编码：12320246

包装：平装

开本：16开

出版时间：2018-02-01

用纸：胶版纸

字数：396000

内容简介

阵列信号处理是现代声纳设备的核心功能之一。通过接收阵列的信号处理，可以获取空间指向性增益，提高空间分辨和干扰抑制能力，实现对目标的检测与跟踪、方位与距离估计；通过发射阵列的信号处理，可以获取具有一定时延差或相位差的阵元信号，从而形成指向性发射波束，提高声源级；通过空-时自适应处理，可以提高对弱目标的检测能力。近年来，声纳技术不断发展，出现了多线列阵声纳、连续波声纳、MIMO声纳等新体制声纳以及自适应盲处理、时反处理、矢量信号处理、鲁棒性波束形成、模基信号处理等新型处理算法，这些都是声纳阵列信号处理的发展与丰富。本书深入、系统地介绍了可应用于实际声纳设备的阵列信号处理技术，在简单的原理接收基础上又大量的计算机模拟仿真及湖、海试实际数据的处理结果。另外本书有较大篇幅的声纳阵列信号处理领域的新技术介绍。

作者简介

杜选民，1970年9月出生，研究员/博士生导师，毕业于哈尔滨工程大学，获水声工程专业博士学位。现担任中国船舶重工集团公司第七二六研究所副所长、水声对抗技术重点实验室副主任、水声对抗技术重点实验室学术委员会副主任委员、水声对抗国防科技创新团队带头人、上海市声学学会理事、《声学学报》《声学技术》《舰船科学技术》编委会委员。

从事水声及水声对抗技术研究工作20余年，主持研制了舰用鱼雷报警声纳、舰水声对抗系统、港口近程水下警戒探测系统等装备，均填补*内空白，获国防科技进步一等奖2项、二等奖2项、三等奖2项。在国内首次解决了拖线阵左右舷分辨、高速运动目标自适应检测与识别、非线性声纳工程应用等关键技术。

入选国家新世纪百千万人才工程、国防科技工业511人才工程、国防科技工业有突出贡献中青年专家、上海市领军人才。

目录

第1 章 声场概述············································································································1

1.1 引言···························································································································· 1

1.2 声波的基本概念········································································································ 1

1.3 声学基本物理量········································································································ 1

1.4 理想流体介质中小振幅波传播的基本规律······························································ 2

1.4.1 理想流体介质······································································································· 2

1.4.2 连续性方程·········································································································· 3

1.4.3 状态方程············································································································· 3

1.4.4 运动方程············································································································· 4

1.4.5 波动方程············································································································· 4

1.4.6 速度势函数·········································································································· 4

1.4.7 亥姆霍兹方程······································································································· 5

1.4.8 三种不同坐标系下亥姆霍兹方程求解····································································· 5

1.4.9 线性滤波器理论框架下波动方程求解····································································· 9

1.4.10 介质特性阻抗··································································································· 11

1.5 分层介质中的波传播······························································································· 11

1.5.1 平行平面层中波传播的一般关系·········································································· 11

1.5.2 边界条件··········································································································· 12

1.5.3 硬底均匀浅海声场······························································································ 12

1.5.4 液态海底均匀浅海声场······················································································· 14

1.6 声场传播基本模型··································································································· 15

1.7 声学工具·················································································································· 16

1.8 本章小结·················································································································· 17

参考文献······························································································································17

第2 章 基阵理论基础···································································································18

2.1 引言·························································································································· 18

2.2 基阵的主要性能参数······························································································· 18

2.2.1 常见的基阵类型································································································· 18

2.2.2 主要性能参数····································································································· 18

2.3 均匀线列阵·············································································································· 21

2.3.1 基阵响应（指向性函数） ···················································································· 22

2.3.2 乘积定理··········································································································· 24

2.3.3 幅度加权··········································································································· 25

2.3.4 波束扫描··········································································································· 25

2.3.5 离散空间傅里叶变换··························································································· 27

2.3.6 宽带声源·························

前言/序言

阵列信号处理是现代声纳设备的核心功能之一。通过对接收阵列的信号处理，可以获

取空间指向性增益，提高声纳作用距离，实现对目标的检测与跟踪、方位与距离估计；通

过发射阵列的信号处理，可以获取具有一定时延差或相位差的阵元信号，从而形成指向性

发射波束，提高声源级；通过空—时自适应处理，可以提高对弱目标的检测能力。近年来，

声纳技术不断发展，出现了多线列阵声纳、连续波主动声纳、MIMO 声纳等新体制声纳及

自适应盲处理、时反处理、矢量信号处理、鲁棒性波束形成、模基信号处理等新型处理算

法，这些都是声纳阵列信号处理的发展与丰富。

本书作者一直从事水声及水声对抗技术研究和装备研制工作，在长期工作和学习中积

累了较丰富的理论知识和工程经验，现将多年来在阵列信号处理方面的研究成果进行提炼

和总结，形成本书。本书分为基础理论、阵列应用和新技术研究三个部分。基础理论部分

（第1～3 章）介绍了海洋信道中的声场模型、基阵理论基础和阵列信号模型，是各种阵列

信号处理技术研究的理论基础。阵列应用部分（第4～8 章）分别介绍了矢量水听器及阵处

理、自适应波束形成与噪声抵消、声纳被动定位、目标运动分析、空时自适应处理技术和方

法，是阵列信号处理的具体应用和实践。第9 章新技术研究部分介绍了模基信号处理、MIMO

声纳处理、连续波主动声纳处理技术的原理和方法，是阵列信号处理的重要发展方向。

本书试图将阵列信号处理的理论模型和工程应用结合起来，侧重于实用。希望对从事

水声及水声对抗技术研究和装备研制的科研人员有所帮助。本书可作为水声工程、信号处

理等专业研究生教材，也可作为声纳设备设计人员开展相关研究工作的参考。

本书在撰写过程中，得到了姚蓝教授、惠俊英教授、王广恩研究员等老一辈水声行业专家的

指导，并提出十分关键的修改意见，在此向他们表示崇高的敬意和衷心的感谢。本书的研究

工作得到水声对抗技术重点实验室孟昭文主任的大力支持，刘本奇、蒋小勇、潘谢帆、谭君

红等参与了有关章节的研究工作，在此一并表示感谢。

由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正。

作者

2017 年4 月

《海域探索者：先进声纳系统与水下导航》 引言 浩瀚的海洋，其广阔与神秘，自古以来便吸引着人类探索的目光。从远航的帆船到现代化的科考船，人类对海洋的认知不断深化，而支撑这一切的，则是日新月异的科学技术。在众多海洋科技领域中，声纳技术无疑扮演着举足轻重的角色。它如同海洋中的“眼睛”和“耳朵”，赋予了我们感知水下世界的能力，为海洋科学研究、资源开发、军事国防、水下安全等诸多领域提供了不可或缺的支撑。 本书《海域探索者：先进声纳系统与水下导航》并非专注于某一特定技术分支的学术专著，而是一部旨在勾勒出现代声纳系统发展脉络、展现其在实际应用中的广度和深度、并探讨未来发展趋势的科普读物。我们希望通过这本书，让广大读者，无论是否具备深厚的专业背景，都能对声纳技术及其在推动人类探索海洋过程中的作用有一个全面而深刻的理解。我们将以生动详实的案例，结合浅显易懂的语言，带领读者一同走进这个充满挑战与机遇的水下世界。 第一部分：声纳技术概览——听见深蓝 在这一部分，我们将首先为读者建立起对声纳技术的基本认知。声纳，Sonar（Sound Navigation and Ranging）的缩写，顾名思义，就是利用声波来进行导航和探测的技术。这看似简单的原理，背后却蕴含着丰富的物理学、工程学知识。 声波的奥秘： 我们会从声波的基本性质出发，解释其在水中的传播特性，如衰减、散射、反射、折射等。为何水下声波的传播与空气中截然不同？不同频率的声波又有着怎样的特点和适用场景？我们将通过对比分析，让读者清晰地认识到水体环境对声波传播的影响，以及如何利用这些特性来设计有效的声纳系统。 声纳的工作原理： 我们将详细介绍主动声纳和被动声纳两种基本工作模式。主动声纳，如同我们发出声音去“听”回声，它发射声波并接收目标的反射信号，从而获得目标的位置、大小、形状等信息。被动声纳则更为“安静”，它只负责接收来自水下目标的自然发声信号，例如船舶的发动机噪声、海洋生物的发声等，通过分析这些声音来推断目标的性质和位置。我们将用形象的比喻和图示，让读者直观理解这两种模式的差异及其各自的优势和局限。 声纳系统的构成： 一个完整的声纳系统并非仅仅是收发器。我们将介绍声纳系统的各个关键组成部分，包括声换能器（将电能转化为声能，或将声能转化为电能的核心部件）、发射和接收电路、信号处理单元、以及数据显示和记录设备。我们还将简要介绍不同类型的声换能器，如偶极子换能器、柱状换能器、平面阵列换能器等，以及它们在声波发射和接收方向性上的差异。 声纳的应用场景： 在这一节，我们将初步展示声纳技术的广泛应用。从渔业中探测鱼群，到航海中测量水深、探测海底障碍物；从科学考察中绘制海底地形、研究海洋生物，到军事领域中的潜艇探测、水雷搜索；再到搜救和水下工程等，声纳的身影无处不在。我们将通过一些引人入胜的案例，初步展现声纳技术如何赋能人类在不同领域深入探索和利用海洋。 第二部分：先进声纳系统——超越极限的感知 随着科技的不断进步，声纳系统也在不断演进，向着更高精度、更远探测距离、更强的抗干扰能力和更丰富的信息获取能力迈进。这一部分将深入探讨现代声纳系统中的一些先进技术和发展方向。 阵列声纳的革新： “阵列”是提升声纳性能的关键。我们将重点介绍阵列声纳的工作原理，即通过组合多个声换能器，利用声波的干涉和衍射效应，实现声波方向性的精确控制。这使得阵列声纳能够实现波束形成（Beamforming），就像我们用手指聚拢光线一样，将听觉“聚焦”到特定方向，从而提高探测精度、抑制杂波干扰，并实现目标的空间识别。我们将详细阐述线阵、圆阵、平面阵等不同阵型带来的优势，以及它们在实际应用中的区别。 多普勒效应的应用： 物体相对于声纳的运动会引起声波频率的偏移，这就是多普勒效应。我们将解释如何利用多普勒效应来区分静止目标和运动目标，测量目标的运动速度，甚至区分水流等非目标回声。这对于目标跟踪和干扰排除至关重要。 合成孔径声纳（SAS）： 这一技术是近年来声纳领域的一大突破。与光学和雷达的合成孔径技术类似，SAS通过在传感器运动过程中，对接收到的回声信号进行一系列复杂的信号处理，模拟出一个比实际传感器更大的“虚拟孔径”，从而实现极高的分辨率，即使在很远的距离也能清晰地成像。我们将通过类比，解释SAS如何“放大”我们对海底世界的观察能力，生成高分辨率的地形和目标图像。 成像声纳技术： 除了传统的点状探测，成像声纳能够生成二维甚至三维的图像，直观地展现水下环境。我们将介绍侧扫声纳（Side-Scan Sonar）和多波束测深仪（Multibeam Echosounder）等成像声纳的工作原理，它们如何扫描海底、获取详细的地形地貌数据，以及在海底管线探测、考古遗址发现等方面的应用。 智能信号处理技术： 原始的声纳回声信号往往混杂着噪声和干扰，从中提取有用的信息需要强大的信号处理能力。我们将介绍一些现代信号处理技术，如滤波、去噪、自适应信号处理、以及机器学习和人工智能在声纳信号分析中的初步应用，它们如何帮助声纳系统更有效地识别和区分目标。 第三部分：水下导航——为探索者指引方向 声纳技术不仅仅用于探测，它更是水下导航不可或缺的一部分。在 GPS 信号无法穿透的水下，声纳系统扮演着至关重要的“领航员”角色。 声学定位技术： 我们将介绍基于声纳的水下定位系统。例如，长基线（LBL）、短基线（SBL）和超短基线（USBL）等系统，它们如何利用声信号的传输时间和到达角度来精确确定水下目标（如潜水器、水下机器人）的位置。我们将分析这些系统的原理、优缺点及其适用场景。 自主水下航行器（AUV）的导航： AUV 是现代海洋探索的重要工具。我们将探讨 AUV 如何融合惯性导航系统（INS）、多普勒计程仪（DVL）、深度计、声纳系统等多种传感器，实现自主的水下航行和精确定位。声纳在 AUV 导航中的作用，包括海底地形匹配导航、避障导航等，将是重点介绍的内容。 水下目标跟踪与协同导航： 在复杂的海洋环境中，精确跟踪水下移动目标，以及实现多水下平台之间的协同导航，是更高级的应用。我们将简要介绍这些技术挑战，以及声纳系统在其中发挥的作用。 导航与探测的融合： 许多现代声纳系统不仅仅用于探测，其测量到的海底地形信息也可以反过来用于导航。我们将探讨这种“导航与探测”的融合，如何提高水下作业的效率和安全性。 第四部分：声纳技术的挑战与未来展望 尽管声纳技术已经取得了巨大的成就，但海洋环境的复杂性和人类探索的不断深入，也带来了新的挑战和发展机遇。 海洋环境的挑战： 海洋是一个动态且复杂的环境。我们将探讨声纳系统在应对海洋噪声（来自自然界和人为活动）、多路径传播、声速剖面变化、以及复杂海底地形等方面的挑战。 新兴应用领域： 除了传统的应用，声纳技术还在不断拓展新的领域。例如，在海洋环境监测（如监测水质、记录海洋生物活动）、海底资源勘探（如石油、天然气、矿产）、以及水下考古（如发现沉船、古迹）等方面，声纳都发挥着越来越重要的作用。 技术发展趋势： 未来声纳技术将朝着哪些方向发展？我们将探讨智能化、小型化、低功耗化、以及与人工智能、大数据等前沿技术的深度融合。例如，更强大的自主学习能力，能够自动识别和分类目标；更高效的能量利用，支持更长时间的水下作业；以及更紧凑的设计，便于集成到各种平台。 跨学科的协同： 声纳技术的发展离不开声学、电子工程、计算机科学、海洋学、材料科学等多个学科的交叉融合。我们将强调跨学科合作对于推动声纳技术进步的重要性。 结语 《海域探索者：先进声纳系统与水下导航》希望能够激发读者对海洋探索的热情，增进对声纳技术这一“水下之眼”的了解。声纳技术的发展，不仅是工程技术的进步，更是人类认识和利用海洋能力的飞跃。随着科技的不断发展，我们有理由相信，未来的声纳系统将更加强大、智能，为我们揭开更多海洋的神秘面纱，开启更加广阔的蓝色疆域。这本书，便是为您在这条探索之路上的一个初步引导。

评分☆☆☆☆☆

作为一名海洋工程专业的学生，我经常在课程中接触到声学和信号处理的相关知识，但往往是零散的，缺乏一个系统性的整合。《声纳阵列信号处理技术》这本书恰好填补了我在这方面的知识空白。我希望它能够提供一个完整的框架，将声纳阵列的设计、信号采集、数据处理以及信息提取等各个环节串联起来。我非常期待书中能够详细阐述不同类型声纳阵列（例如线列阵、圆阵、二维阵等）的结构特点、优劣势分析，以及它们各自适用的应用场景。在信号处理方面，我希望能够深入了解各种滤波技术、空域滤波、时域处理以及目标检测与识别的算法原理，并理解这些算法在声纳阵列应用中的具体实现。如果书中能够提供一些数学模型推导和算法流程图，并辅以相关的实验数据或仿真结果，那将有助于我更好地理解理论知识，并将其应用于实际的海上工程项目设计和分析中。

评分☆☆☆☆☆

这本《声纳阵列信号处理技术》仿佛是一扇通往水下未知世界的窗户，让我能够窥探那些隐藏在深海中的秘密。作为一名对海洋科学有着浓厚兴趣的业余爱好者，我常常在纪录片中看到声纳设备如何描绘海底地形、定位潜艇，但对其背后的技术原理却知之甚少。这本书名瞬间勾起了我的探究欲，我迫切地想知道，究竟是怎样的“魔法”让声纳阵列能够如此精准地捕捉和解析那些微弱的水下回声。我希望书中能够从最基础的概念讲起，比如什么是“声纳”，什么是“阵列”，以及为什么需要“阵列”来增强信号。我期待它能用通俗易懂的语言，解释诸如波束形成、信号的傅里叶变换、自适应滤波等核心概念，让我能够理解声纳系统是如何通过数学和物理原理来“听见”并“看见”水下世界的。此外，如果书中能够穿插一些关于声纳技术发展历程的故事，或者介绍一些历史上著名的声纳系统，那将使阅读过程更加生动有趣，也更能激发我对这个领域的持续学习热情。

评分☆☆☆☆☆

我一直从事与通信系统相关的工作，对信号处理的理论基础有着一定的了解，但对于将这些理论应用于声纳阵列这一特定场景，我感到非常陌生。因此，《声纳阵列信号处理技术》这本书吸引了我，我希望它能够提供一个系统性的视角，将我已有的信号处理知识与声纳阵列的独特需求相结合。我尤其关注书中对阵列信号处理算法的深入探讨，比如如何利用各种空间滤波技术来增强目标信号，抑制海洋环境中的杂波和噪声。我期待书中能够详细介绍诸如LCMV（Least-squares Minimum Variance）束形成、Capon波束形成等经典算法，以及它们在声纳系统中的具体实现和性能评估。此外，随着人工智能和机器学习技术的发展，我很好奇这些先进技术如何被应用于声纳阵列信号处理，例如目标识别、分类以及异常检测等。如果书中能够涵盖这方面的内容，并提供相关的案例分析，那将极大地拓宽我的视野，并为我未来的工作提供新的思路和启发。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简洁大方，一看就充满了科技感。书名“声纳阵列信号处理技术”直接点明了主题，对于我这样一个对声纳技术和信号处理充满好奇的初学者来说，无疑具有极大的吸引力。我一直对声纳在水下探测、导航以及军事应用中的作用感到好奇，但苦于没有系统的入门书籍。市面上很多关于信号处理的书籍要么过于理论化，要么侧重于其他领域，很难找到一本专门针对声纳阵列进行深入讲解的。这本书的出现，让我看到了希望。我尤其期待书中能够详细介绍声纳阵列的基本原理，比如阵列的构成、不同阵型的优缺点，以及声波在水下的传播特性等。同时，我希望能了解声纳阵列在信号采集过程中遇到的挑战，例如噪声抑制、干扰消除等，以及相应的处理技术。如果书中能够提供一些实际的应用案例，那就更好了，这样我不仅能理解理论，还能看到技术是如何落地的，从而更全面地认识声纳阵列信号处理技术在现实世界中的价值和意义。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，我对军事科技特别是与水下作战相关的技术都抱有浓厚的兴趣。《声纳阵列信号处理技术》这本书的书名，直接击中了我的好奇心。我一直对潜艇探测、反潜作战以及水下目标识别等领域的工作原理感到着迷，而声纳阵列无疑是其中的核心技术之一。我希望这本书能够深入浅出地剖析声纳阵列在军事应用中的关键作用，例如如何在复杂的海洋环境中，通过阵列信号处理技术来提高目标探测的精度和可靠性，有效区分干扰信号和真实目标。我期待书中能够详细介绍一些与军事相关的声纳技术，比如主动声纳和被动声纳在阵列信号处理上的区别和优势，以及如何通过先进的算法来应对电子对抗和欺骗。如果书中能够涉及一些声纳阵列在水下目标跟踪、定位以及声学成像方面的技术细节，并且能够提供一些模拟计算的实例，那将是极好的。我希望能从这本书中获得对现代军事声纳技术更深层次的理解，并对其未来的发展趋势有所预判。