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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 29

2.4 均匀平面阵 29

2.5 圆形阵 30

2.6 双线列阵 31

2.7 三元组线列阵 33

2.8 四元组线列阵 35

2.9 本章小结 36

参考文献 37

第3章 阵列信号模型 38

3.1 引言 38

3.2 基阵信号与噪声 38

3.2.1 空间信号 38

3.2.2 基本假设条件 39

3.2.3 信号的窄带假设和解析表示 42

3.2.4 基阵噪声假设 45

3.3 阵列信号模型 46

3.3.1 基阵的阵列流形与模糊 46

3.3.2 基阵的离散时间信号模型 48

3.3.3 信号的空间采样 49

3.3.4 采样数据 50

3.4 波束形成 52

3.4.1 波束响应 52

3.4.2 输出信噪比 54

3.5 空间匹配滤波器 55

3.5.1 空间匹配滤波器介绍 55

3.5.2 阵元间距 56

3.5.3 阵列孔径和角度分辨率 58

3.6 本章小结 59

参考文献 59

第4章 矢量水听器阵列处理技术 60

4.1 声场中的振速信息 60

4.1.1 平面波声场声学欧姆定律 60

4.1.2 各向同性噪声场中矢量水听器测量模型 61

4.2 矢量水听器的种类 62

4.2.1 声场振速的测量方法 62

4.2.2 矢量水听器的种类 62

4.2.3 几种矢量水听器 63

4.3 单矢量水听器探测技术 67

4.3.1 单矢量水听器的自然指向性 67

4.3.2 矢量水听器指向性的电子旋转 67

4.3.3 单个矢量水听器的测向方法 68

4.4 矢量水听器线列阵技术 68

4.4.1 矢量波束形成 68

4.4.2 矢量线列阵测向研究 70

4.4.3 目标跟踪算法研究 71

4.4.4 矢量线列阵的增益 71

4.4.5 矢量水听器线列阵校正 78

4.5 矢量拖线列阵技术 82

4.5.1 拖曳用矢量水听器 82

4.5.2 矢量水听器的姿态稳定技术 84

4.5.3 矢量拖线列阵拖曳噪声研究 84

4.5.4 拖曳试验数据处理 88

4.6 矢量时间反转镜 91

4.6.1 时反聚焦原理 91

4.6.2 声压时反镜聚焦理论 92

4.6.3 矢量时反聚焦理论 92

4.6.4 时反镜的聚焦稳健性 93

4.7 本章小结 93

参考文献 93

第5章 自适应波束形成与噪声抵消技术 95

5.1 引言 95

5.2 常规波束形成技术 95

5.2.1 窄带相移波束形成 95

5.2.2 宽带波束形成 96

5.3 分裂阵波束形成技术 97

5.3.1 分裂阵参考阵元选取 97

5.3.2 分裂阵互相关检测 99

5.3.3 半波束相位单元化处理 101

5.4 自适应波束形成技术 108

5.4.1 MVDR波束形成技术 108

5.4.2 MUSIC算法 109

5.4.3 计算机仿真 110

5.4.4 快速收敛MVDR算法 112

5.4.5 海试数据处理结果 115

5.4.6 自适应波束形成改进的研究方向 115

5.5 自适应噪声抵消技术 116

5.5.1 自适应噪声抵消技术的基本原理 116

5.5.2 基于LMS算法的自适应噪声抵消 117

5.5.3 AIC技术在拖船噪声抵消中的应用 118

5.5.4 逆波束形成拖船干扰抵消 121

5.6 本章小结 124

参考文献 124

第6章 声纳被动定位技术 127

6.1 引言 127

6.2 三角定位法 127

6.2.1 基本原理 127

6.2.2 误差分析 128

6.2.3 实现方法 129

6.3 三点／四点测距 130

6.3.1 基本原理 131

6.3.2 误差分析 132

6.3.3 实现方法 133

6.4 聚焦波束形成定位 134

6.4.1 基本原理 134

6.4.2 理论计算 135

6.4.3 实现方法 136

6.4.4 高分辨聚焦波束形成方法 137

6.4.5 工程应用考虑 139

6.5 匹配场处理 140

6.5.1 概述 140

6.5.2 匹配场处理技术简介 141

6.5.3 匹配场处理发展 142

6.5.4 匹配场数据模型 143

6.5.5 匹配场处理仿真 145

6.5.6 匹配场处理存在问题 148

6.6 基于波导不变量的被动定位 150

6.6.1 问题的提出 150

6.6.2 干涉现象的产生机理 151

6.6.3 波导不变量β 153

6.6.4 仿真实验 154

6.6.5 基于波导不变量的快速被动估距技术 156

6.7 多途定位 159

6.7.1 多途定位基本原理 159

6.7.2 计算机仿真 160

6.8 本章小结 163

参考文献 163

第7章 目标运动分析 165

7.1 引言 165

7.2 多基阵联合的被动纯方位目标运动分析 166

7.2.1 常规单基阵纯方位TMA 166

7.2.2 双基阵被动纯方位TMA的数据融合模型 168

7.2.3 仿真计算 171

7.3 利用多维信息的被动目标跟踪性能研究 174

7.3.1 基本概念 174

7.3.2 方位—频率TMA及多阵纯方位TMA的最大似然估计 177

7.3.3 仿真计算 180

7.4 本章小结 183

参考文献 184

第8章 空时自适应处理 186

8.1 引言 186

8.2 混响空时分布特性 186

8.2.1 主动拖曳线列阵声纳 187

8.2.2 海试混响空时分布特性 188

8.2.3 主动声纳检测背景分析 189

8.3 STAP原理介绍 191

8.3.1 空时数据结构 191

8.3.2 全维STAP处理方法 194

8.3.3 降维STAP处理方法 195

8.4 STAP数据处理结果验证 201

8.5 STAP在被动声纳中的应用 205

8.5.1 空一频二维自适应处理 205

8.5.2 仿真处理 206

8.6 本章小结 207

参考文献 208

第9章 新型声纳信号处理技术 209

9.1 引言 209

9.2 模基信号处理 209

9.2.1 卡尔曼滤波技术 210

9.2.2 MBSP在水声信号处理中的应用方向 211

9.2.3 模基信号处理小结 214

9.3 多输入多输出声纳处理 214

9.3.1 MIMO声纳原理 215

9.3.2 MIMO声纳数学模型 215

9.3.3 MIMO声纳特点 217

9.3.4 MIMO声纳正交波形 219

9.3.5 MIMO声纳等效虚拟阵 227

9.3.6 MIMO声纳指向性 229

9.3.7 MIMO声纳波束形成 233

9.3.8 MIMO声纳信号处理小结 233

9.4 连续波主动声纳处理 234

9.4.1 研究现状 235

9.4.2 直达波干扰抑制 236

9.4.3 CAS发射信号 237

9.4.4 基于差拍一分数阶傅里叶变换的CAS回波检测算法 242

9.4.5 小结 247

9.5 本章小结 247

参考文献 247