水流场特性声学多波束测量方法研究

论文摘要

多波束声纳是一种广泛应用于海底测深领域的勘测仪器,具有宽覆盖、高效率、多功能等优点,本文将其应用于空间复杂非均匀流场的测量,提出了多波束测流的思想,并重点针对其中的适应性问题进行研究。首先,本文设计了声学多波束测流的系统方案。基于体积混响理论建立了阵列回波的声散射模型,模拟出复杂非均匀流场的阵列回波信号,接着进行波束形成和时间窗分层,利用复自相关算法估计多普勒频偏,进而获得水流场高分辨多波束分层径向流速的时空分布。其次,针对多波束测流的适应性问题,提出一种受层间干扰影响较小的统一分辨率高精度分层方法,并利用滑动平均法减小层间干扰的影响。通过仿真验证了系统的可行性,实现了复杂非均匀流场的测量。再次,在测得分层径向多普勒频偏的基础上,进一步研究多波束三维流速的测量方法。提出了利用两次测量扇面内任意一组对称四波束结果合成三维流速的方法,推导获得了多波束测量到三维坐标转化方法,并利用时间和空间相关性对多波束数据进行去野值和空间平滑。最后,针对近场区域波束聚焦难题,提出了多点近场聚焦波束形成的方法,改进了多波束测流方法的适用性。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容与意义

1.4 论文组织架构

第二章声学多波束测流技术基本原理

2.1 声学多波束测流背景

2.1.1 ADCP测流的局限性

2.1.2 多波束测流的意义

2.2 多波束声纳简介

2.2.1 米尔斯交叉阵工作原理

2.2.2 阵型安置方式

2.3 发射信号与测流方式

2.3.1 发射信号选择

2.3.2 测流方式

2.4 波束形成算法介绍

2.4.1 波束形成一般概念

2.4.2 时域和频域波束形成

2.5 流层回波频偏估计算法

2.5.1 频率估计算法简述

2.5.2 复自相关算法原理

2.6 本章小结

第三章多波束高分辨径向多普勒频偏测量方法

3.1 多波束测流系统设计

3.1.1 多波束测流系统简介

3.1.2 多波束测流系统模块划分

3.1.3 多波束测流系统参数说明

3.2 基于体积混响的高精度回波模型

3.2.1 回波模型分析

3.2.2 混浊海水声吸收

3.2.3 体积微元混响级

3.2.4 线列阵下精确回波建模

3.3 多波束回波多普勒频偏估计方法

3.3.1 波束形成与时间窗分层

3.3.2 基于复自相关的多普勒频偏估计

3.4 基于重叠复自相关的多波束统一分辨率高精度分层方法

3.4.1 统一分辨率分层

3.4.2 多波束下重叠复自相关的精细分层方法

3.5 基于滑动平均的多波束层间干扰抑制方法

3.5.1 多波束层间干扰分析

3.5.2 滑动平均法

3.5.3 多波束重叠分层下滑动平均层间干扰抑制法

3.6 仿真实验与效果分析

3.6.1 仿真环境与参数

3.6.2 回波仿真效果分析

3.6.3 多普勒估计效果分析

3.6.4 流场分布综合分析

3.7 本章小节

第四章基于径向多普勒频偏的多波束三维流速测量方法

4.1 多波束三维流速测量方法

4.1.1 多波束阵型设计与测量方式

4.1.2 仪器坐标下的三维流速

4.1.3 大地坐标下的三维流速

4.1.4 三维流场测量方法及效果分析

4.2 多波束测流数据处理方法

4.2.1 测流误差分析

4.2.2 基于截尾平均的野值剔除

4.2.3 基于中值滤波的空间平滑

4.2.4 数据处理效果分析

4.3 基于多点聚焦波束形成的近场测流方法

4.3.0 线列阵下聚焦波束形成

4.3.1 近场下测流效果分析

4.3.2 近场多点聚焦波束形成测流方法

4.4 本章小节

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄偲

导师: 方世良

关键词: 多波束声纳,非均匀流场,体积混响,空间高分辨,近场聚焦波束形成

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 东南大学

分类号: TB56

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002253

总页数: 80

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