基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法

摘要

本发明提供了一种基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法，提出了采用超指向性小孔径圆柱阵实现舰船辐射噪声源分辨；利用测量基阵各阵元接收环境噪声信号之间的相关特性设计出超指向性加权向量，以实现窄波束宽度和高增益处理系统；在六亮点目标模型的假设下，通过计算机仿真给出了这种基于超指向性小孔径圆柱阵舰船辐射噪声源分辨的结果；与常规波束形成进行对比仿真研究，证明了该发明在舰船辐射噪声源分辨问题上的优越性。

主权项

1.一种基于超指向性小孔径圆柱阵的舰船辐射噪声源分辨方法，其特征在于包括下述步骤： （1）建立测量水听器阵输出信号模型 均匀圆柱阵由N个阵元个数为M的均匀圆环阵等间隔排列而成，均匀圆环阵的半径为a，相邻两圆环阵的间隔为d；当入射信号为平面波信号时，任意均匀圆环阵阵元相对于坐标X轴的角度为γ_k=0，β，2β，...，(M-1)β，β=2π／M，则阵元相对于坐标原点的位置矢量P_k，l=a[cos(γ_k)，sin(γ_k)，(l-1)d]^T，式中，k=1，2，...，M表示单个均匀圆环阵阵元编号，l=1，2，...，N为圆环阵编号，符号T表示求转置；归一化信号方向矢量其中，信号方位角为θ，俯仰角为则声程差Δd_k，l=P_s^TP_k，l；当入射信号为CW信号，基阵输出信号式中，分别表示第p=kM+l，(p=0，1，...，MN-1)号阵元接收到的时域信号和权值，其中，上标*为求共轭，t为时间，W=[w₀，w₁，...，w_MN-1]^T为加权向量，为基阵接收信号矩阵，当入射信号频率为f₀时，阵元输出信号可进一步写为式中，A为信号幅值，U为信号导向矢量，其中，为相位，c为声速，Δd_p=Δd_k，l;可得基阵输出信号（2）求解最优加权向量 定义基阵波束幅度响应B(θ，φ)=|W^HU|，当信号入射方向一定时，基阵波束输出的幅度响应由加权向量W确定；在声纳信号处理中，假定圆柱阵接收数据向量X=X_d+X_n，式中，X_d和X_n分别为期望信号和噪声信号，则基阵输出功率谱B_f(θ，φ)=W^HR_XW=W^HR_dW+W^HR_nW，式中，R_X，R_d和R_n分别为接收数据向量、信号向量和噪声向量的协方差矩阵，R_X=E{X^HX}，定义基阵的空间增益为基阵的输出信噪比和参考阵元输出信噪比，则空间增益式中，P为归一化信号协方差矩阵，P=UU^H，Q为归一化噪声协方差矩阵，令增益G为最大值，可以得到当加权向量W满足上式时，基阵输出信噪比最大，即可获得最大的空间处理增益；基阵的常规处理增益在空间均匀噪声场中，当阵元间隔等于λ／2时，λ为信号波长，各阵元接收到的噪声信号互不相关，Q退化成单位阵，这时，G₀=G_c；当阵元间隔小于λ／2时，G₀>G_c，基阵各阵元接收噪声信号是相关的，在各向同性噪声场中，其相关系数式中，k=ω/c为波数，ω为角频率，Δl_p，q表示编号为p和q阵元之间的距离，p，q=0，1，2，...，MN-1；p和q阵元的位置坐标可表示为式中，θ_p和θ_q分别为第p号、第q号阵元与坐标轴X轴的水平夹角，ceil(·)为向上取整。则有可得噪声相关矩阵为式中，ρ_p，q=ρ_q，p，ρ_p，p=1，则Q为对称正定矩阵，可得具有超指向性基阵的最优权及最大阵增益值； （3）实现舰船辐射噪声多源分辨 将步骤2计算出的最优加权向量代入基阵输出功率谱，可得舰船辐射噪声源方位谱，从而实现舰船辐射噪声多源分辨。