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基于矢量阵的水下噪声源近场高分辨定位识别方法研究

【摘要】: 声隐身性是潜艇最基本的战术指标之一。开展噪声源定位识别研究,确定主要噪声源的空间分布,查明各类噪声源对潜艇辐射噪声的贡献,可用以指导潜艇减振降噪措施的正确实施。随着减振降噪技术的发展,潜艇辐射噪声水平不断降低,以往远场测量条件下对于噪声源贡献的评价及分析手段已无法有效获取源的信息。随着测量距离的减小、分析频段的降低以及基阵尺度的增加,噪声源有可能位于基阵的近场区域。因此,研究近场测试条件下的噪声源定位识别方法具有重要意义。 本文以近场基阵理论为基础,分析矢量阵在近场应用条件下应考虑的因素。进而对矢量阵常规聚焦波束形成的原理进行分析,并推导聚焦空间分辨率的计算公式,分析影响聚焦空间分辨率的重要因素。 本文针对常规聚焦波束形成分辨率低的缺点,重点研究了矢量阵MVDR高分辨聚焦波束形成方法。理论及仿真分析证明,该方法具有更高的定位精度,更强的抗干扰能力,更好的稳健性,更高的空间分辨率,更好的抗空间混叠性能以及更强的舷侧模糊压制能力,而以上优秀性能的获得一方面来自MVDR算法本身的高分辨性能及干扰抑制能力,另一方面来自于矢量阵处理获得的处理增益。因此可以这样认为,矢量阵MVDR高分辨聚焦波束形成方法是空间谱算法和矢量阵处理的成功结合,可有效提高噪声源定位识别性能。本文提出了一种近场内插阵列变换解相干方法,以解决MVDR高分辨聚焦算法不适用于相干源的问题,该方法无须进行多维搜索,具有实施简便,高效的优点,并能反映相干声源贡献的相对大小。 本文针对辐射噪声源中的宽带连续谱成份,重点研究了矢量阵宽带高分辨聚焦波束形成算法,包括适用于非相干宽带信号的基于子频带分解的矢量阵宽带MVDR聚焦波束形成算法,以及适用于相干宽带信号的CSS-MVDR聚焦波束形成算法和STMV聚焦波束形成算法。文中对以上算法的空间谱特性、定位性能、聚焦峰尺度及相干双声源分辨能力进行了对比分析。 本文研究一种基于组合阵列的近场源参数估计方法,为聚焦算法的正确实施提供可靠的先验信息。该算法采用均匀垂直声压阵中心配置单只三维矢量水听器的基阵形式,即可完成对近场源方位角、俯仰角和距离的三维参数估计。该方法仅利用声源的二阶统计量信息,将三维参数估计问题转化为多个一维搜索问题,从而减小了计算量,且算法无需额外的参数配对算法。文中对算法在不同信噪比、不同快拍数及不同导向矢量扰动量下的参数估计性能进行分析。本文研究了近场单矢量水听器指向性锐化方法,并对信噪比以及各种误差对该算法估计性能的影响进行了分析。 本文确定了一种更为高效的运动声源高分辨定位识别方案。该方法由两个部分组成:a.采用近场源参数估计算法,或静止声源聚焦算法对等时间间隔分段数据进行声源运动参数估计,修正虚拟阵列在运动方向上的坐标,为虚拟聚焦方向矢量的获取提供先验知识;b.生成虚拟阵列信号,根据虚拟阵列参数构造聚焦方向矢量,并在声源平面不同扫描位置逐点扫描,绘制高分辨空间谱图。新方法可对非匀速运动声源进行定位识别。本文对该方法的空间谱特性进行了仿真分析。 本文开展了消声水池试验及松花湖试验研究。为基于矢量阵的声源近场高分辨定位识别方法的工程应用提供了试验基础。

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