采用矢量水听器线列阵的二维波达估计

提出了采用矢量水听器线列阵的二维波达估计方法。采用非等距稀疏直线阵,阵元之间的间距任意,不受半波长的限制.每个阵元（矢量水听器）由两至三个空间共点且轴向垂直的振速水听器和一个声压水听器构成。阵列流形可以被划分为几个子阵阵列流形,子阵之间的旋转因子与目标信号的方向余弦有关,而与阵元的间距无关。基于ESPRIT的思想,采用并行TLS矩阵束方法实现对目标信号的方向余弦的估计和自动配对,从而实现二维波达估计。计算机仿真实验结果证明了该方法的有效性。     

近场MVDR聚焦波束形成被动定位方法

该文系统地研究了最小方差信号无畸变响应（MVDR）聚焦波束形成方法的定位性能,特别是对该方法定位性能受某个参数的影响情况进行了较详细的研究。首先分析了近场情况下线列阵接收信号的模型,然后分别推导了常规聚焦波束形成和MVDR聚焦波束形成的定位原理。仿真比较了这两种定位方法的定位性能,以及MVDR聚焦波束形成被动定位方法在不同的阵元间距和不同的目标距离情况下的定位性能。仿真结果表明,与常规聚焦波束形成相比,MVDR近场聚焦波束形成在提高分辨率的同时,减小了＂混叠＂影响,具有更为平滑的背景和更低的旁瓣级,同时认为,为了得到比较好的定位效果,目标应处于相对于＂近场＂的位置,从而为目标精确定位提供依据。     

基于分子阵预处理的最小方差无畸变响应波束形成方法

针对最小方差无畸变响应(MVDR)波束形成中背景噪声和旁瓣级对弱目标检测影响问题,提出了基于分子阵预处理的MVDR波束形成方法。该方法首先对线列阵接收数据进行分组处理;然后按搜索角度对各组数据进行相移、相加处理,得到一组新数据;最后按MVDR波束形成思想对该组新数据进行处理,可得到低背景噪声和旁瓣级波束。理论推导分析、数值仿真和实测数据处理结果均表明,该方法对线列阵接收数据进行了分子阵预处理,相比MVDR波束形成,有效提高了线列阵接收数据协方差矩阵中信号含有量和信噪比,输出背景噪声级和旁瓣级得到了10dB以上的改善,降低了背景噪声和旁瓣级对MVDR波束形成检测弱目标的影响,提高了MVDR波束形成对弱目标的检测效果。     

基于MUSIC算法的单矢量水听器方位估计

由于单个声压水听器无指向性,不能用来估计目标的方位,因此提出了一种基于单个矢量水听器的高分辨MUSIC算法。该矢量水听器由3个空间轴向垂直的振速水听器和1个声压水听器构成,充分利用矢量水听器的阵列流形特性,按照阵列信号处理的原理对其输出的标量场和矢量场信息进行联合处理,构造了单矢量水听器MUSIC算法。仿真结果显示,将MUSIC算法应用于单矢量水听器可以得到比Capon算法更尖锐的指向性波束,更低的旁瓣,大大提高了对目标的分辨能力,在高信噪比条件下能实现对目标高分辨的方位估计。     

单矢量水听器时空变换技术研究

提出了一种基于单矢量水听器的信号处理新技术。方法通过对单矢量水听器各通道时域采样数据进行分解,将单矢量水听器等效虚拟为具有空间孔径的半波均匀直线阵。与单矢量水听器相比,虚拟后的阵列具有更窄的空域指向性波束。利用虚拟阵列的快拍数据可完成对空间目标方位估计,且可对宽带和窄带信号在频率或时域进行处理。新方法无需进行阵列流型的校正,因而具有更强的鲁棒性。理论分析和计算机仿真表明,在各向同性噪声场中,对于窄带或宽带目标,新方法具有比单矢量水听器MUSIC算法更好的方位估计性能。湖上试验验证了算法的有效性。     

采用等距ニ元矢量水听器直线阵的ニ维波达方向估计

为了减小传统四元矢量水听器阵的尺寸和减少冗余阵元，提出了采用等距二元矢量水听器直线阵的二维波达方向( DOA)估计方法。每个阵元（矢量水听器）由空间共点的一个声压水听器和一个振速水听器构成。其中声压水听器阵可以被划分为2个子阵，它们构成旋转对，旋转因子为包含某一轴方向余弦信息的相位延迟因子。振速水听器阵可以被划分为2个子阵，它与声压水听器阵构成旋转对，旋转因子为另一轴方向余弦。基于旋转子空间不变法( ESPRIT)的思想，采用并行总体最小二乘(TLS)矩阵束方法实现对旋转因子的估计和自动配对，从而实现二维DOA佶计。计算机仿真实验结果证明了该方法的有效性。     

MVDR波束形成在噪声源识别中的应用

为了确定水下航行器主要辐射噪声源的特性,对各噪声源进行量化排序,本文研究了基于阵列信号处理的可应用于水下辐射噪声源识别的最小方差无畸变响应（MVDR）波束形成方法。使用16个水听器组成接收阵列并通过MVDR算法对采集数据进行解算,实现对各噪声源方位和能级的识别。仿真和试验均证明了该方法的正确性和有效性。     

联合协方差矩阵重构与导向矢量校正的稳健波束形成方法

针对强期望信号和导向矢量失配同时存在时,波束形成器性能会急剧下降的问题,提出联合协方差矩阵重构与导向矢量校正的稳健波束形成方法。该方法利用空间功率谱积分重构干扰加噪声协方差矩阵,排除了采样协方差矩阵中的强期望信号分量,通过空间投影方式校正导向矢量,用校正导向矢量和重构矩阵计算最优加权矢量,进而进行波束形成。仿真实验表明,相较于重构协方差矩阵,校正导向矢量等方法,该方法在强期望信号和期望信号导向矢量失配同时存在时具有更好稳健性,在不同信噪比、不同快拍数、不同失配角度时,输出信干噪比性能接近最优波束形成。     

基于最小二乘估计的声矢量阵稳健波束形成

针对存在导向矢量失配和快拍数不足时,声矢量阵标准Capon波束形成器性能急剧下降的问题,提出了一种基于最小二乘估计的声矢量阵稳健波束形成算法。鉴于声矢量阵声压通道和振速通道的导向矢量误差来源不同,分别为声矢量阵声压通道和振速通道设计了广义旁瓣对消器;利用最差性能最优化的思想,将声矢量阵标准Capon波束形成器转化为稳健最小二乘估计问题;利用二阶锥规划求解。仿真分析表明,该算法在抗导向矢量失配、快拍数不足、阵元姿态误差方面均有良好的性能。     

二维矢量水听器及其在Argo浮标平台上的应用技术

传统同振式矢量水听器在水下缓动声纳平台应用时,自身姿态变化难以准确测量,导致目标测向精度低,为此开展了二维复合同振式矢量水听器研究。分析二维矢量水听器姿态实时测量与校正原理,选取微机电系统姿态传感器作为姿态感知器件,设计具备姿态测量功能的二维复合同振式矢量水听器,并实现其在Argo浮标平台的集成应用。海上试验结果表明：同振式矢量水听器可在10~3000Hz范围内采集声场信息,矢量通道具有余弦指向性,在1 kHz频点处灵敏度为-179.5 dB （0 dB参考值为1 V/μPa),声压通道灵敏度级为-191.5 dB±0.5 dB(0 dB参数值为1 V/μPa), 具备姿态测量功能;同振式矢量水听器应用于浮标平台进行海洋环境噪声与水中目标同步监测技术可行,为其在水下缓动声纳平台工程化应用奠定了基础。     

矢量水听器相关性噪声的数值仿真方法

矢量水听器阵列优化设计、性能分析和信号处理系统仿真中,需要知道阵列输出噪声的协方差矩阵等信息。分析了各向同性噪声场中矢量水听器的相关性,得出了矢量水听器的自相关和互相关函数的一般表达式。结合概率分析,给出了一种简单的各向同性噪声场的数值仿真方法。仿真结果表明,文中所给方法产生的矢量水听器噪声的相关性与理论值吻合良好,可为矢量水听器阵列的优化设计和矢量阵列信号处理系统的仿真分析提供准确的数值噪声。     

单压差型矢量水听器方位估计的优化研究

针对压差型矢量水听器的直径波长比大于0.2时,利用它进行方位估计性能恶化的问题,提出一种修正的单个压差型矢量水听器多重信号分类（MUSIC）算法。修正方法通过修正压差型矢量水听器的阵列流型,提高了单个压差型矢量水听器MUSIC算法方位估计的估计精度,且在直径波长比大于0.2时依然保持较好的估计精度和稳健性。仿真结果表明,单个矢量水听器MUSIC算法相对于声强法在低信噪比时具有更好的方位估计性能,修正的压差型矢量水听器MUSIC算法在直径波长比大于0.2时依然具有良好的估计性能。湖上试验的数据处理结果进一步验证了单个压差型矢量水听器的修正MUSIC方位估计方法在实际系统中是有效的,且其估计性能优于原MUSIC方法。针对压差型矢量水听器的直径波长比大于0.2时,利用它进行方位估计性能恶化的问题,提出一种修正的单个压差型矢量水听器多重信号分类（MUSIC）算法。修正方法通过修正压差型矢量水听器的阵列流型,提高了单个压差型矢量水听器MUSIC算法方位估计的估计精度,且在直径波长比大于0.2时依然保持较好的估计精度和稳健性。仿真结果表明,单个矢量水听器MUSIC算法相对于声强法在低信噪比时具有更好的方位估计性能,修正的压差型矢量水听器MUSIC算法在直径波长比大于0.2时依然具有良好的估计性能。湖上试验的数据处理结果进一步验证了单个压差型矢量水听器的修正MUSIC方位估计方法在实际系统中是有效的,且其估计性能优于原MUSIC方法。     

一种声矢量阵最小方差无畸变方位估计算法

针对声矢量阵最小方差无畸变（AVAMVDR）算法,综合考虑角度分辨与单边指向特性,提出一种改进的AVAMVDR（IAVAMVDR）方位估计算法。从空间功率与子空间分解两方面分析了传统AVAMVDR算法特性;利用解析振速与声压-振速抑制各向同性噪声能力,介绍两种协方差矩阵构造方法,并在此基础上实现目标方位估计。理论分析表明, IAVAMVDR算法有效减小了信号子空间影响,使得主瓣更窄、旁瓣更低,并具有一定的抗左右舷模糊能力;仿真与实测数据均证明了该算法的有效性。     

Research of the Adaptive Beamformer Based on the Frequency Energy Normalization

An algorithm of broadband minimum variance distortionless response （MVDR） based on the frequency energy normalization is proposed. First, every narrowband frequency component of the broadband signal is normalized by the total narrowband energy of all array elements, and the narrowband power is calculated by MVDR. Finally, final spatial energy spectrum can be obtained by averaging or summing all results of every narrowband frequency bin. Any prior-information about the noise or the signal is unnecessary for the proposed method in this paper. The processing gain of the proposed method compared to the conventional broadband MVDR can be obtained as long as the amplitude fluctuation of the array noise frequency spectrum is severer than that of the target signal. The validity of the method is validated by the optimal signal detection theory. Simulation and real data are used to validate the performance of the method. Analysis results show that about 4 dB processing gain compared to the general broadband MVDR can be reached by the proposed method.     

基于声场模信号特征和多项式拟合的声速剖面反演技术研究

针对未知环境下利用经验正交函数表示声速剖面的局限性,提出了一种基于多项式拟合和模信号相结合的声速剖面反演方法。介绍了模信号的概念和深海分布特性,通过理论分析和仿真分析,证明低阶多项式拟合可用于深海声速剖面的表征,并提出采用5阶多项式拟合以实现对2 000 m以浅的声速剖面较精确的表征。在反演处理流程中,利用不同参数的多项式拟合计算获得拷贝模信号,利用脉冲声信号获得数据模信号,并通过遗传算法进行参数寻优。以典型Munk剖面为例仿真分析基于垂直阵、单水听器、非海面海底反射(SRBR)信号的反演性能,单水听器的声速剖面反演与垂直阵性能接近,并提出基于非SRBR模信号反演可以提升在海底参数未知条件下反演的技术思路。利用4 000 m海深的单水听器接收的脉冲信号（距离180 km,接收与发射深度均为100 m）进行方法性能验证,结果表明,共轭深度以下（100~2 000 m）的声速剖面反演误差小于0.2 m/s.     

同振式矢量水听器耐压球壳优化设计

针对深水矢量水听器的结构耐压问题,推导外压球壳最大应力公式,分析同振式球形矢量水听器的材料和尺寸对其声学性能和耐压性能的影响。基于此,给出一种最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法。从典型深海工程材料中优选7075T6铝合金材料,设计、制作一型设计耐压深度3 000 m的同振式球形矢量水听器。对该水听器耐压结构进行了有限元仿真,并对其灵敏度、指向性和耐压能力进行了测试。结果表明：该矢量水听器具有良好的余弦指向性,500 Hz处灵敏度为-188 dB, 能够耐受37.5 MPa外压;最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法及工程样机设计方案是合理和可行的。     

矢量水听器在水雷上的应用研究

矢量水听器在水雷上的应用有利于提高水雷武器的目标检测能力,进而提高其生命力与战斗力。通过对同振式矢量水听器悬挂系统的分析,给出了悬挂系统各向同性的基本要求。结合水雷武器的应用特点,研究了一种中心固定式悬挂系统设计方案,并给出对应的新型同振式矢量水听器的设计方案,通过建立简化通道的等效电路模型,分析了该型水听器的基本性能。仿真结果表明,在工作频带内这种矢量水听器能够进行准确的声场信息测量。