Digital Sonar Design in Underwater Acoustics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:李启虎

出品人:

页数:641

译者:

出版时间:2011-9

价格:270.00元

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isbn号码:9787308079884

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探索水声学领域的先锋之作：水下声学传感与信号处理的深度解析 书名： 《水下声学传感与信号处理：原理、应用与未来趋势》 作者： [此处可设想一位资深水声学家或工程师的姓名，例如：林海, 王涛, 或 国际知名学者名称] 出版社： [此处可设想一家专业学术出版社的名称，例如：海洋声学技术出版社 或 国际声学工程学会出版] --- 内容概述 本书《水下声学传感与信号处理：原理、应用与未来趋势》是一部全面而深入探讨水下声学领域核心技术的专著。它旨在为海洋工程、水下机器人、海洋资源勘探、国防安全以及水下通信等相关领域的研究人员、工程师和高级学生提供一个坚实的理论基础和前沿的实践指导。全书结构严谨，内容涵盖了从基础物理原理到复杂系统集成的完整链条，力求在理论的深度与应用的广度之间取得完美的平衡。 第一部分：水声传播的物理基础与环境建模 本书的开篇部分（第1章至第3章）聚焦于水下声波传播的复杂环境，这是所有水声系统设计的基石。 第1章：水下声学介质特性与声波基本方程 本章详细阐述了海水作为声学介质的独特物理性质，包括声速的决定因素（温度、盐度和压力）及其在不同深度和地理位置的变化规律。重点分析了声波在水中的衰减机制，区分了吸收、散射和几何扩散这三种主要的能量损失形式。同时，深入推导和解析了亥姆霍兹方程和波动方程在水声学中的应用，为后续的信号传播建模奠定数学基础。本章特别强调了声速剖面图的绘制及其对声线追踪的影响。 第2章：浅海与深海的声传播模型 本章是本书的理论核心之一，详细介绍了当前主流的水下声传播模型。对于浅海环境，书中详细阐述了边界条件的影响，包括海面反射（粗糙度效应）和海底反射（声阻抗匹配、泥沙与岩石底质的分类建模）。针对深海传播，本书系统地介绍了射线理论（Ray Tracing）、波动方程法（如有限元法FEM和有限差分法FDM）以及模式理论（Mode Theory）的适用范围和局限性。此外，还引入了先进的宽带传播模型，如抛物方程（Parabolic Equation, PE）方法，并提供了在复杂海况下模型参数选择的实践指导。 第3章：水声环境的随机性与不确定性 理解水下环境的动态变化至关重要。本章专门讨论了影响水声传播的海洋噪声源，包括生物噪声（鲸豚类、虾蟹）、环境噪声（风浪、雨滴）和人为噪声（船舶、声纳）。更重要的是，本章深入探讨了海洋中尺度过程（如温跃层、涡流）对声场起伏（声聚焦与声影区）的影响，并介绍了基于卡尔曼滤波和蒙特卡洛模拟等方法对声场不确定性的量化与统计描述。 第二部分：水声传感器的设计与阵列处理 第二部分（第4章至第6章）转向水声系统的“耳朵”——传感器的设计、阵列配置与信号采集技术。 第4章：水听器与换能器的原理与选择 本章聚焦于水声传感器的核心技术。首先，对不同类型的水听器（如压电陶瓷、光纤、电容式）的工作原理、灵敏度、指向性以及频率响应进行了详尽的对比分析。其次，详细阐述了声呐换能器（发射端）的设计原理，包括匹配电路、声学窗口以及高功率脉冲发射的技术挑战。书中提供了如何根据任务需求（如探测距离、目标特性）来优化传感器选型的实用图表和决策流程。 第5章：水声阵列理论与波束形成技术 现代水声系统依赖于阵列处理以提高空间分辨率和信噪比。本章系统梳理了线阵、平面阵和三维阵列的几何构型设计，并深入讲解了传统波束形成技术，如延迟求和（Delay-and-Sum）。更进一步，本章详细介绍了高分辨率的自适应波束形成技术，包括最大信噪比（MVDR）、特征矢量法（Eigenspace Method）以及线性约束最小方差（LCMV）波束形成器，并探讨了在阵元相位误差和互耦效应下的鲁棒性设计。 第6章：水下声学互扰与抗混淆技术 在多传感器系统中，互耦（Mutual Coupling）和互扰（Interference）是关键的性能限制因素。本章分析了阵元间声学和电气耦合的产生机理，并提出了基于矩阵校正和数字预白化的有效抑制方法。此外，对于高动态范围的信号采集系统，本章讨论了模数转换器（ADC）的选择标准，以及如何设计抗混叠滤波器以确保高质量的数字信号输入。 第三部分：水声信号处理与目标识别 第三部分（第7章至第9章）是本书的核心应用章节，涵盖了从原始数据到可解释信息的关键转换步骤。 第7章：水声目标探测与距离估计 本章从信号检测理论出发，引入了水声信号处理中的基础概念，如匹配滤波、能量谱密度估计。重点介绍了水声目标强度（TSS）的建模与测量方法。在距离估计方面，本书详细阐述了脉冲压缩技术（如Chirp信号和LFM信号）在提高目标探测分辨率中的作用。此外，还涵盖了水声定位中的双站（Bistatic）与多站（Multistatic）测量原理。 第8章：多普勒效应与水声目标运动估计 目标运动分析（TMA）是水声学应用的关键。本章深入解析了水下目标运动（如平移、旋转）对接收信号的多普勒频移和频散效应。详细介绍了基于时频分析（如短时傅里叶变换STFT、小波变换）的运动参数提取方法，并着重讲解了高阶谱分析在区分目标回波与杂波（如混响）中的应用。书中提供了改进的交互式多变量模型（IMM）在跟踪运动目标时的实施细节。 第9章：混响抑制与成像技术 水声混响是限制远距离探测和高分辨率成像的主要障碍。本章首先对环境混响（如海面、海底和体积分量）的统计特性进行了深入分析。随后，提出了多种先进的混响抑制策略，包括基于盲源分离（BSS）的方法以及基于自适应滤波（如NLMS滤波器）的噪声消除技术。在成像方面，本书详细介绍了基于合成孔径声呐（SAS）和干涉测量技术的超高分辨率成像原理，以及如何利用逆散射理论实现复杂水下目标的重建。 第四部分：高级应用与未来挑战 本书的最后部分（第10章至第11章）展望了水声技术的前沿发展方向及其在实际工程中的集成部署。 第10章：水声通信与网络化系统 水声通信是水下机器人和AUV集群协作的关键技术。本章系统介绍了水声信道的信道建模、均衡技术（如迫后果均衡CE、判决反馈均衡DFE）以及调制解调方案（如BFSK、QPSK和OFDM）。特别关注了如何应对水声信道的多径效应和高时延特性，并探讨了水声网络中的路由协议和时钟同步问题。 第11章：自主水下系统集成与未来展望 本章将理论与实际工程紧密结合。讨论了如何将上述传感、处理和通信技术集成到自主水下航行器（AUV）和遥控水下机器人（ROV）平台。内容包括系统级的功耗优化、嵌入式处理器的选择（如FPGA与GPU加速），以及实时决策算法的部署。最后，本书对未来水声学面临的挑战进行了展望，包括深海极端环境下的可靠性增强、基于机器学习的自主目标分类，以及量子传感技术在水声学中的潜在应用。 目标读者 本书适合具备高等数学、信号处理和基础物理学知识的读者。它是高等院校研究生、海洋声学研究人员、水下工程公司的技术人员以及从事海洋科学、地球物理勘探、水下监测与国防相关领域的专业人士不可或缺的参考手册。

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我必须强调，这本书对工程师的友好度是超乎预期的。在很多专业书籍中，一旦涉及嵌入式系统或硬件实现，内容往往变得断裂和不完整。但《数字声纳设计在水下声学中的应用》做到了完美的衔接。它不仅仅停留在理论层面，而是深入探讨了数字系统中的量化误差、流水线设计对延迟的影响，以及如何选择合适的模数转换器（ADC）来满足声纳带宽的需求。书中甚至提供了一些伪代码和流程图，这些都是可以直接用于项目启动阶段的参考。这种对工程实现细节的关注，使得这本书的实用价值倍增。对于刚刚接触声纳系统开发的初级工程师来说，它提供了一个完整的知识闭环，从物理现象到数字信号的最终输出，每一个环节的权衡利弊都讲得清清楚楚。我向我的团队强烈推荐这本书，因为它有效地缩短了我们从理论学习到实际系统部署之间的鸿沟，是提高团队整体技术水平的绝佳工具。

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这本《数字声纳设计在水声学中的应用》简直是为我们这些在水下声学领域摸爬滚打的工程师和研究人员量身定做的宝典！我记得我第一次拿到这本书的时候，就被它清晰的逻辑和详尽的数学推导所吸引。它没有那种晦涩难懂的术语堆砌，而是用一种非常直观的方式，将复杂的数字信号处理（DSP）技术与实际的水下声学问题紧密地联系起来。尤其让我印象深刻的是关于目标识别和环境噪声抑制那几章，作者对各种滤波器的特性分析得入木三分，从理论基础到实际应用中的参数选择，都给出了非常实用的指导。书中对快速傅里叶变换（FFT）在声纳中的应用进行了深入的剖析，特别是如何通过优化算法来降低计算复杂度，提高实时处理能力，这对于我们开发高性能的实时监测系统至关重要。我甚至发现书里提到的一些优化技巧，比我之前在工作中摸索出来的效率更高，简直是茅塞顿开。它不仅仅是教材，更像是一本“实战手册”，指导我们如何将理论知识转化为能够应对复杂水下环境的坚固代码和可靠硬件。阅读过程中，我感觉作者的视角始终是站在一线实践者的角度，非常贴合工程实际的需求，这在很多同类书籍中是很难得的品质。

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这本书的排版和图示质量，是我近期读过的技术书籍中最令人满意的之一。在研究水下声学，尤其是涉及多径效应和浅水信道建模时，清晰的图形辅助是理解抽象概念的关键。这本书在这方面表现得极其出色。它使用的高级可视化技术，将复杂的声线传播路径和干涉模式展示得淋漓尽致。例如，在讨论模糊函数和匹配滤波技术时，那些三维的图表几乎是立即可见的直观解释，省去了我大量时间去推导和自行绘图。此外，书中对不同声纳工作模式（如合成孔径声纳 SAR 和侧扫声纳 SSB）的对比分析，也做到了详略得当。它没有陷入特定硬件的细节泥潭，而是聚焦于其背后的数学原理和性能差异，使得这些知识具有更长久的参考价值，不会随着硬件的更新而迅速过时。对于我们进行系统架构选型时，这种“原理大于实例”的叙事方式显得尤为宝贵和可靠。读完后，我对不同声纳系统在不同任务场景下的优劣势有了更宏观的认识。

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作为一个略微偏向信号恢复和图像重建方向的研究者，我原本以为这本书会过多地侧重于传统的目标检测和测距。然而，我惊喜地发现它对“逆问题求解”在水下声学成像中的应用给予了相当的篇幅和深度。作者对迭代反演算法，如 Tikhonov 正则化在去噪和提高分辨率方面的应用进行了细致的探讨。这对我解决某些水下高分辨率成像的难题提供了新的思路和坚实的理论支撑。特别是关于处理“相干性”丢失的问题，书中提出了一种巧妙的相位恢复技术，这种方法既考虑了海洋环境的随机性，又保持了计算的可行性。阅读这些前沿内容时，我感觉到作者是一位真正走在学科前沿的学者，他不仅精通经典理论，更勇于探索尚未完全成熟的研究领域。这本书的内容更新速度似乎跟得上领域发展的步伐，它成功地将一本“设计指南”提升到了“研究前沿导览”的高度，这让我非常兴奋，并计划将其列为我未来研究的基准参考书。

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说实话，刚开始翻开这本书时，我对它能否真正深入浅出地解释“声纳设计”这个宏大主题是持保留态度的。毕竟，声纳技术横跨了电磁学、信号处理、海洋物理等多个学科，想要找到一本能够兼顾深度和广度的著作殊为不易。然而，这本书成功地做到了这一点。它的结构安排堪称一绝，从最基础的换能器原理讲起，逐步过渡到复杂的波束形成算法，每一步的衔接都自然流畅，毫不突兀。我尤其欣赏它在“概率论与统计学”在声纳性能评估中的应用部分的处理方式。作者没有简单地抛出公式，而是结合 Monte Carlo 模拟的实例，生动地展示了不确定性是如何影响探测范围和误报率的。这对于我理解系统的鲁棒性至关重要。我常常翻阅到深夜，不是因为内容难懂，而是因为每读完一个章节，总有种想立刻回到实验室测试新想法的冲动。这本书激发了我对声纳系统设计的更深层次的思考，它让我意识到，好的声纳设计，不仅仅是技术的堆砌，更是对不确定性的优雅管理。

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