聲納陣列信號處理技術 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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杜選民 著 著

圖書標籤:

• 聲納
• 信號處理
• 陣列信號處理
• 水聲
• 雷達
• 自適應濾波
• 波束形成
• 空間譜估計
• 目標探測
• 噪聲抑製

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121336492

版次：1

商品編碼：12320246

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2018-02-01

用紙：膠版紙

字數：396000

內容簡介

陣列信號處理是現代聲納設備的核心功能之一。通過接收陣列的信號處理，可以獲取空間指嚮性增益，提高空間分辨和乾擾抑製能力，實現對目標的檢測與跟蹤、方位與距離估計；通過發射陣列的信號處理，可以獲取具有一定時延差或相位差的陣元信號，從而形成指嚮性發射波束，提高聲源級；通過空-時自適應處理，可以提高對弱目標的檢測能力。近年來，聲納技術不斷發展，齣現瞭多綫列陣聲納、連續波聲納、MIMO聲納等新體製聲納以及自適應盲處理、時反處理、矢量信號處理、魯棒性波束形成、模基信號處理等新型處理算法，這些都是聲納陣列信號處理的發展與豐富。本書深入、係統地介紹瞭可應用於實際聲納設備的陣列信號處理技術，在簡單的原理接收基礎上又大量的計算機模擬仿真及湖、海試實際數據的處理結果。另外本書有較大篇幅的聲納陣列信號處理領域的新技術介紹。

作者簡介

杜選民，1970年9月齣生，研究員/博士生導師，畢業於哈爾濱工程大學，獲水聲工程專業博士學位。現擔任中國船舶重工集團公司第七二六研究所副所長、水聲對抗技術重點實驗室副主任、水聲對抗技術重點實驗室學術委員會副主任委員、水聲對抗國防科技創新團隊帶頭人、上海市聲學學會理事、《聲學學報》《聲學技術》《艦船科學技術》編委會委員。

從事水聲及水聲對抗技術研究工作20餘年，主持研製瞭艦用魚雷報警聲納、艦水聲對抗係統、港口近程水下警戒探測係統等裝備，均填補*內空白，獲國防科技進步一等奬2項、二等奬2項、三等奬2項。在國內首次解決瞭拖綫陣左右舷分辨、高速運動目標自適應檢測與識彆、非綫性聲納工程應用等關鍵技術。

入選國傢新世紀百韆萬人纔工程、國防科技工業511人纔工程、國防科技工業有突齣貢獻中青年專傢、上海市領軍人纔。

目錄

第1 章 聲場概述············································································································1

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

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

1.3 聲學基本物理量········································································································ 1

1.4 理想流體介質中小振幅波傳播的基本規律······························································ 2

1.4.1 理想流體介質······································································································· 2

1.4.2 連續性方程·········································································································· 3

1.4.3 狀態方程············································································································· 3

1.4.4 運動方程············································································································· 4

1.4.5 波動方程············································································································· 4

1.4.6 速度勢函數·········································································································· 4

1.4.7 亥姆霍茲方程······································································································· 5

1.4.8 三種不同坐標係下亥姆霍茲方程求解····································································· 5

1.4.9 綫性濾波器理論框架下波動方程求解····································································· 9

1.4.10 介質特性阻抗··································································································· 11

1.5 分層介質中的波傳播······························································································· 11

1.5.1 平行平麵層中波傳播的一般關係·········································································· 11

1.5.2 邊界條件··········································································································· 12

1.5.3 硬底均勻淺海聲場······························································································ 12

1.5.4 液態海底均勻淺海聲場······················································································· 14

1.6 聲場傳播基本模型··································································································· 15

1.7 聲學工具·················································································································· 16

1.8 本章小結·················································································································· 17

參考文獻······························································································································17

第2 章 基陣理論基礎···································································································18

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

2.2 基陣的主要性能參數······························································································· 18

2.2.1 常見的基陣類型································································································· 18

2.2.2 主要性能參數····································································································· 18

2.3 均勻綫列陣·············································································································· 21

2.3.1 基陣響應（指嚮性函數） ···················································································· 22

2.3.2 乘積定理··········································································································· 24

2.3.3 幅度加權··········································································································· 25

2.3.4 波束掃描··········································································································· 25

2.3.5 離散空間傅裏葉變換··························································································· 27

2.3.6 寬帶聲源·························

前言/序言

陣列信號處理是現代聲納設備的核心功能之一。通過對接收陣列的信號處理，可以獲

取空間指嚮性增益，提高聲納作用距離，實現對目標的檢測與跟蹤、方位與距離估計；通

過發射陣列的信號處理，可以獲取具有一定時延差或相位差的陣元信號，從而形成指嚮性

發射波束，提高聲源級；通過空—時自適應處理，可以提高對弱目標的檢測能力。近年來，

聲納技術不斷發展，齣現瞭多綫列陣聲納、連續波主動聲納、MIMO 聲納等新體製聲納及

自適應盲處理、時反處理、矢量信號處理、魯棒性波束形成、模基信號處理等新型處理算

法，這些都是聲納陣列信號處理的發展與豐富。

本書作者一直從事水聲及水聲對抗技術研究和裝備研製工作，在長期工作和學習中積

纍瞭較豐富的理論知識和工程經驗，現將多年來在陣列信號處理方麵的研究成果進行提煉

和總結，形成本書。本書分為基礎理論、陣列應用和新技術研究三個部分。基礎理論部分

（第1～3 章）介紹瞭海洋信道中的聲場模型、基陣理論基礎和陣列信號模型，是各種陣列

信號處理技術研究的理論基礎。陣列應用部分（第4～8 章）分彆介紹瞭矢量水聽器及陣處

理、自適應波束形成與噪聲抵消、聲納被動定位、目標運動分析、空時自適應處理技術和方

法，是陣列信號處理的具體應用和實踐。第9 章新技術研究部分介紹瞭模基信號處理、MIMO

聲納處理、連續波主動聲納處理技術的原理和方法，是陣列信號處理的重要發展方嚮。

本書試圖將陣列信號處理的理論模型和工程應用結閤起來，側重於實用。希望對從事

水聲及水聲對抗技術研究和裝備研製的科研人員有所幫助。本書可作為水聲工程、信號處

理等專業研究生教材，也可作為聲納設備設計人員開展相關研究工作的參考。

本書在撰寫過程中，得到瞭姚藍教授、惠俊英教授、王廣恩研究員等老一輩水聲行業專傢的

指導，並提齣十分關鍵的修改意見，在此嚮他們錶示崇高的敬意和衷心的感謝。本書的研究

工作得到水聲對抗技術重點實驗室孟昭文主任的大力支持，劉本奇、蔣小勇、潘謝帆、譚君

紅等參與瞭有關章節的研究工作，在此一並錶示感謝。

由於作者水平有限，書中難免有不妥之處，敬請讀者批評指正。

作者

2017 年4 月

《海域探索者：先進聲納係統與水下導航》 引言 浩瀚的海洋，其廣闊與神秘，自古以來便吸引著人類探索的目光。從遠航的帆船到現代化的科考船，人類對海洋的認知不斷深化，而支撐這一切的，則是日新月異的科學技術。在眾多海洋科技領域中，聲納技術無疑扮演著舉足輕重的角色。它如同海洋中的“眼睛”和“耳朵”，賦予瞭我們感知水下世界的能力，為海洋科學研究、資源開發、軍事國防、水下安全等諸多領域提供瞭不可或缺的支撐。 本書《海域探索者：先進聲納係統與水下導航》並非專注於某一特定技術分支的學術專著，而是一部旨在勾勒齣現代聲納係統發展脈絡、展現其在實際應用中的廣度和深度、並探討未來發展趨勢的科普讀物。我們希望通過這本書，讓廣大讀者，無論是否具備深厚的專業背景，都能對聲納技術及其在推動人類探索海洋過程中的作用有一個全麵而深刻的理解。我們將以生動詳實的案例，結閤淺顯易懂的語言，帶領讀者一同走進這個充滿挑戰與機遇的水下世界。 第一部分：聲納技術概覽——聽見深藍 在這一部分，我們將首先為讀者建立起對聲納技術的基本認知。聲納，Sonar（Sound Navigation and Ranging）的縮寫，顧名思義，就是利用聲波來進行導航和探測的技術。這看似簡單的原理，背後卻蘊含著豐富的物理學、工程學知識。 聲波的奧秘： 我們會從聲波的基本性質齣發，解釋其在水中的傳播特性，如衰減、散射、反射、摺射等。為何水下聲波的傳播與空氣中截然不同？不同頻率的聲波又有著怎樣的特點和適用場景？我們將通過對比分析，讓讀者清晰地認識到水體環境對聲波傳播的影響，以及如何利用這些特性來設計有效的聲納係統。 聲納的工作原理： 我們將詳細介紹主動聲納和被動聲納兩種基本工作模式。主動聲納，如同我們發齣聲音去“聽”迴聲，它發射聲波並接收目標的反射信號，從而獲得目標的位置、大小、形狀等信息。被動聲納則更為“安靜”，它隻負責接收來自水下目標的自然發聲信號，例如船舶的發動機噪聲、海洋生物的發聲等，通過分析這些聲音來推斷目標的性質和位置。我們將用形象的比喻和圖示，讓讀者直觀理解這兩種模式的差異及其各自的優勢和局限。 聲納係統的構成： 一個完整的聲納係統並非僅僅是收發器。我們將介紹聲納係統的各個關鍵組成部分，包括聲換能器（將電能轉化為聲能，或將聲能轉化為電能的核心部件）、發射和接收電路、信號處理單元、以及數據顯示和記錄設備。我們還將簡要介紹不同類型的聲換能器，如偶極子換能器、柱狀換能器、平麵陣列換能器等，以及它們在聲波發射和接收方嚮性上的差異。 聲納的應用場景： 在這一節，我們將初步展示聲納技術的廣泛應用。從漁業中探測魚群，到航海中測量水深、探測海底障礙物；從科學考察中繪製海底地形、研究海洋生物，到軍事領域中的潛艇探測、水雷搜索；再到搜救和水下工程等，聲納的身影無處不在。我們將通過一些引人入勝的案例，初步展現聲納技術如何賦能人類在不同領域深入探索和利用海洋。 第二部分：先進聲納係統——超越極限的感知 隨著科技的不斷進步，聲納係統也在不斷演進，嚮著更高精度、更遠探測距離、更強的抗乾擾能力和更豐富的信息獲取能力邁進。這一部分將深入探討現代聲納係統中的一些先進技術和發展方嚮。 陣列聲納的革新： “陣列”是提升聲納性能的關鍵。我們將重點介紹陣列聲納的工作原理，即通過組閤多個聲換能器，利用聲波的乾涉和衍射效應，實現聲波方嚮性的精確控製。這使得陣列聲納能夠實現波束形成（Beamforming），就像我們用手指聚攏光綫一樣，將聽覺“聚焦”到特定方嚮，從而提高探測精度、抑製雜波乾擾，並實現目標的空間識彆。我們將詳細闡述綫陣、圓陣、平麵陣等不同陣型帶來的優勢，以及它們在實際應用中的區彆。 多普勒效應的應用： 物體相對於聲納的運動會引起聲波頻率的偏移，這就是多普勒效應。我們將解釋如何利用多普勒效應來區分靜止目標和運動目標，測量目標的運動速度，甚至區分水流等非目標迴聲。這對於目標跟蹤和乾擾排除至關重要。 閤成孔徑聲納（SAS）： 這一技術是近年來聲納領域的一大突破。與光學和雷達的閤成孔徑技術類似，SAS通過在傳感器運動過程中，對接收到的迴聲信號進行一係列復雜的信號處理，模擬齣一個比實際傳感器更大的“虛擬孔徑”，從而實現極高的分辨率，即使在很遠的距離也能清晰地成像。我們將通過類比，解釋SAS如何“放大”我們對海底世界的觀察能力，生成高分辨率的地形和目標圖像。 成像聲納技術： 除瞭傳統的點狀探測，成像聲納能夠生成二維甚至三維的圖像，直觀地展現水下環境。我們將介紹側掃聲納（Side-Scan Sonar）和多波束測深儀（Multibeam Echosounder）等成像聲納的工作原理，它們如何掃描海底、獲取詳細的地形地貌數據，以及在海底管綫探測、考古遺址發現等方麵的應用。 智能信號處理技術： 原始的聲納迴聲信號往往混雜著噪聲和乾擾，從中提取有用的信息需要強大的信號處理能力。我們將介紹一些現代信號處理技術，如濾波、去噪、自適應信號處理、以及機器學習和人工智能在聲納信號分析中的初步應用，它們如何幫助聲納係統更有效地識彆和區分目標。 第三部分：水下導航——為探索者指引方嚮 聲納技術不僅僅用於探測，它更是水下導航不可或缺的一部分。在 GPS 信號無法穿透的水下，聲納係統扮演著至關重要的“領航員”角色。 聲學定位技術： 我們將介紹基於聲納的水下定位係統。例如，長基綫（LBL）、短基綫（SBL）和超短基綫（USBL）等係統，它們如何利用聲信號的傳輸時間和到達角度來精確確定水下目標（如潛水器、水下機器人）的位置。我們將分析這些係統的原理、優缺點及其適用場景。 自主水下航行器（AUV）的導航： AUV 是現代海洋探索的重要工具。我們將探討 AUV 如何融閤慣性導航係統（INS）、多普勒計程儀（DVL）、深度計、聲納係統等多種傳感器，實現自主的水下航行和精確定位。聲納在 AUV 導航中的作用，包括海底地形匹配導航、避障導航等，將是重點介紹的內容。 水下目標跟蹤與協同導航： 在復雜的海洋環境中，精確跟蹤水下移動目標，以及實現多水下平颱之間的協同導航，是更高級的應用。我們將簡要介紹這些技術挑戰，以及聲納係統在其中發揮的作用。 導航與探測的融閤： 許多現代聲納係統不僅僅用於探測，其測量到的海底地形信息也可以反過來用於導航。我們將探討這種“導航與探測”的融閤，如何提高水下作業的效率和安全性。 第四部分：聲納技術的挑戰與未來展望 盡管聲納技術已經取得瞭巨大的成就，但海洋環境的復雜性和人類探索的不斷深入，也帶來瞭新的挑戰和發展機遇。 海洋環境的挑戰： 海洋是一個動態且復雜的環境。我們將探討聲納係統在應對海洋噪聲（來自自然界和人為活動）、多路徑傳播、聲速剖麵變化、以及復雜海底地形等方麵的挑戰。 新興應用領域： 除瞭傳統的應用，聲納技術還在不斷拓展新的領域。例如，在海洋環境監測（如監測水質、記錄海洋生物活動）、海底資源勘探（如石油、天然氣、礦産）、以及水下考古（如發現沉船、古跡）等方麵，聲納都發揮著越來越重要的作用。 技術發展趨勢： 未來聲納技術將朝著哪些方嚮發展？我們將探討智能化、小型化、低功耗化、以及與人工智能、大數據等前沿技術的深度融閤。例如，更強大的自主學習能力，能夠自動識彆和分類目標；更高效的能量利用，支持更長時間的水下作業；以及更緊湊的設計，便於集成到各種平颱。 跨學科的協同： 聲納技術的發展離不開聲學、電子工程、計算機科學、海洋學、材料科學等多個學科的交叉融閤。我們將強調跨學科閤作對於推動聲納技術進步的重要性。 結語 《海域探索者：先進聲納係統與水下導航》希望能夠激發讀者對海洋探索的熱情，增進對聲納技術這一“水下之眼”的瞭解。聲納技術的發展，不僅是工程技術的進步，更是人類認識和利用海洋能力的飛躍。隨著科技的不斷發展，我們有理由相信，未來的聲納係統將更加強大、智能，為我們揭開更多海洋的神秘麵紗，開啓更加廣闊的藍色疆域。這本書，便是為您在這條探索之路上的一個初步引導。

評分☆☆☆☆☆

這本《聲納陣列信號處理技術》仿佛是一扇通往水下未知世界的窗戶，讓我能夠窺探那些隱藏在深海中的秘密。作為一名對海洋科學有著濃厚興趣的業餘愛好者，我常常在紀錄片中看到聲納設備如何描繪海底地形、定位潛艇，但對其背後的技術原理卻知之甚少。這本書名瞬間勾起瞭我的探究欲，我迫切地想知道，究竟是怎樣的“魔法”讓聲納陣列能夠如此精準地捕捉和解析那些微弱的水下迴聲。我希望書中能夠從最基礎的概念講起，比如什麼是“聲納”，什麼是“陣列”，以及為什麼需要“陣列”來增強信號。我期待它能用通俗易懂的語言，解釋諸如波束形成、信號的傅裏葉變換、自適應濾波等核心概念，讓我能夠理解聲納係統是如何通過數學和物理原理來“聽見”並“看見”水下世界的。此外，如果書中能夠穿插一些關於聲納技術發展曆程的故事，或者介紹一些曆史上著名的聲納係統，那將使閱讀過程更加生動有趣，也更能激發我對這個領域的持續學習熱情。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計簡潔大方，一看就充滿瞭科技感。書名“聲納陣列信號處理技術”直接點明瞭主題，對於我這樣一個對聲納技術和信號處理充滿好奇的初學者來說，無疑具有極大的吸引力。我一直對聲納在水下探測、導航以及軍事應用中的作用感到好奇，但苦於沒有係統的入門書籍。市麵上很多關於信號處理的書籍要麼過於理論化，要麼側重於其他領域，很難找到一本專門針對聲納陣列進行深入講解的。這本書的齣現，讓我看到瞭希望。我尤其期待書中能夠詳細介紹聲納陣列的基本原理，比如陣列的構成、不同陣型的優缺點，以及聲波在水下的傳播特性等。同時，我希望能瞭解聲納陣列在信號采集過程中遇到的挑戰，例如噪聲抑製、乾擾消除等，以及相應的處理技術。如果書中能夠提供一些實際的應用案例，那就更好瞭，這樣我不僅能理解理論，還能看到技術是如何落地的，從而更全麵地認識聲納陣列信號處理技術在現實世界中的價值和意義。

評分☆☆☆☆☆

一直以來，我對軍事科技特彆是與水下作戰相關的技術都抱有濃厚的興趣。《聲納陣列信號處理技術》這本書的書名，直接擊中瞭我的好奇心。我一直對潛艇探測、反潛作戰以及水下目標識彆等領域的工作原理感到著迷，而聲納陣列無疑是其中的核心技術之一。我希望這本書能夠深入淺齣地剖析聲納陣列在軍事應用中的關鍵作用，例如如何在復雜的海洋環境中，通過陣列信號處理技術來提高目標探測的精度和可靠性，有效區分乾擾信號和真實目標。我期待書中能夠詳細介紹一些與軍事相關的聲納技術，比如主動聲納和被動聲納在陣列信號處理上的區彆和優勢，以及如何通過先進的算法來應對電子對抗和欺騙。如果書中能夠涉及一些聲納陣列在水下目標跟蹤、定位以及聲學成像方麵的技術細節，並且能夠提供一些模擬計算的實例，那將是極好的。我希望能從這本書中獲得對現代軍事聲納技術更深層次的理解，並對其未來的發展趨勢有所預判。

評分☆☆☆☆☆

作為一名海洋工程專業的學生，我經常在課程中接觸到聲學和信號處理的相關知識，但往往是零散的，缺乏一個係統性的整閤。《聲納陣列信號處理技術》這本書恰好填補瞭我在這方麵的知識空白。我希望它能夠提供一個完整的框架，將聲納陣列的設計、信號采集、數據處理以及信息提取等各個環節串聯起來。我非常期待書中能夠詳細闡述不同類型聲納陣列（例如綫列陣、圓陣、二維陣等）的結構特點、優劣勢分析，以及它們各自適用的應用場景。在信號處理方麵，我希望能夠深入瞭解各種濾波技術、空域濾波、時域處理以及目標檢測與識彆的算法原理，並理解這些算法在聲納陣列應用中的具體實現。如果書中能夠提供一些數學模型推導和算法流程圖，並輔以相關的實驗數據或仿真結果，那將有助於我更好地理解理論知識，並將其應用於實際的海上工程項目設計和分析中。

評分☆☆☆☆☆

我一直從事與通信係統相關的工作，對信號處理的理論基礎有著一定的瞭解，但對於將這些理論應用於聲納陣列這一特定場景，我感到非常陌生。因此，《聲納陣列信號處理技術》這本書吸引瞭我，我希望它能夠提供一個係統性的視角，將我已有的信號處理知識與聲納陣列的獨特需求相結閤。我尤其關注書中對陣列信號處理算法的深入探討，比如如何利用各種空間濾波技術來增強目標信號，抑製海洋環境中的雜波和噪聲。我期待書中能夠詳細介紹諸如LCMV（Least-squares Minimum Variance）束形成、Capon波束形成等經典算法，以及它們在聲納係統中的具體實現和性能評估。此外，隨著人工智能和機器學習技術的發展，我很好奇這些先進技術如何被應用於聲納陣列信號處理，例如目標識彆、分類以及異常檢測等。如果書中能夠涵蓋這方麵的內容，並提供相關的案例分析，那將極大地拓寬我的視野，並為我未來的工作提供新的思路和啓發。