低空目標(biāo)聲測無源定向理論與算法研究.pdf

1、由于武裝直升機(jī)等低空目標(biāo)位于雷達(dá)探測的盲區(qū)活動，近年來采用聲學(xué)探測方法受到了重視。低空目標(biāo)無源定向是低空目標(biāo)無源聲探測系統(tǒng)研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文根據(jù)低空目標(biāo)無源聲定向的研究現(xiàn)狀、存在的主要問題，對目前該領(lǐng)域的研究方法進(jìn)行改進(jìn)和完善的同時，在低空目標(biāo)聲測無源定向的新理論和新算法方面進(jìn)行了深入研究。主要研究內(nèi)容與成果如下： 1.研究了目標(biāo)聲源和聲場特性。分析了低空目標(biāo)聲源的產(chǎn)生機(jī)理、目標(biāo)輻射噪聲在大氣中的傳播特性以及影響其傳播的

2、幾個主要因素。對實(shí)測的直升機(jī)輻射噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，獲得了目標(biāo)輻射噪聲譜特性。 2.研究了基于時延估計的低空目標(biāo)聲測無源定位理論與算法。針對廣泛采用的平面四元十字陣定位方法存在的固有缺點(diǎn)，提出了基于五元十字陣的低空目標(biāo)聲測無源定位算法。推導(dǎo)了五元十字陣目標(biāo)定位方程，分析了影響五元十字陣目標(biāo)定位精度的主要因素，研究了時延估計誤差、有效聲速誤差以及陣尺寸測量誤差等對目標(biāo)定位精度的影響，并分別進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計算。 3.結(jié)

3、合低空目標(biāo)無源聲定向問題，主要研究了基于頻域自適應(yīng)濾波的時延估計算法和基于雙譜的時延估計算法。(1)分析了頻域自適應(yīng)時延估計算法的性能，推導(dǎo)了算法收斂的條件，揭示了算法達(dá)到穩(wěn)態(tài)解時的本質(zhì)。(2)提出了基于維納加權(quán)的頻域自適應(yīng)時延估計算法，對算法的性能進(jìn)行了理論分析。為改善低信噪比時的時延估計性能，提出了一種改進(jìn)算法性能的方法。采用實(shí)測的直升機(jī)輻射噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真，分別在靜態(tài)時延和動態(tài)時延情況下驗(yàn)證了算法的有效性。(3)研究了基于雙譜的

4、時延估計算法，提出了基于雙譜切片的最小二乘時延估計算法。實(shí)測直升機(jī)輻射噪聲數(shù)據(jù)的仿真表明，對于不相關(guān)和相關(guān)高斯噪聲背景，該方法的性能均優(yōu)于基于雙譜的時延估計算法，并且計算復(fù)雜度也小于基于雙譜的時延估計算法。 4.首次深入研究了基于壓差式矢量傳感器的低空目標(biāo)聲測無源定向理論與算法，為小尺寸基陣和低頻條件下實(shí)現(xiàn)對低空目標(biāo)的精確定向提供了一種新的技術(shù)途徑。(1)提出了基于二維壓差式矢量傳感器的低空目標(biāo)聲測無源定向算法。給出了算法的工程

5、實(shí)現(xiàn)途徑，從理論上分析了聲場計算誤差、通道幅度和相位不一致性等因素對算法性能的影響。采用實(shí)測的直升機(jī)輻射噪聲數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行了數(shù)值計算和分析，分別研究了傳感器尺寸、積分時間和信噪比與目標(biāo)定向精度的關(guān)系，給出了該定向方法的系統(tǒng)最佳設(shè)計參數(shù)。分析了通道相位幅度不一致性對目標(biāo)定向性能的影響。與基于時延估計的無源聲定向方法的性能比較表明，在相同的小尺寸陣條件下，該方法優(yōu)于基于時延估計的定向方法。(2)提出了基于三維壓差式矢量傳感器復(fù)聲強(qiáng)測量的低空

6、目標(biāo)二維波達(dá)方向估計算法。分析了由聲場計算誤差引起的算法對目標(biāo)方位角和俯仰角估計精度的影響。采用實(shí)測直升機(jī)輻射噪聲數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行了數(shù)值計算與分析，研究了傳感器尺寸、積分時間以及信噪比與目標(biāo)方位角和俯仰角估計精度的關(guān)系，給出了目標(biāo)定向系統(tǒng)的最佳設(shè)計參數(shù)。分析了通道相位幅度不一致性對目標(biāo)方位角和俯仰角估計精度的影響。分析表明，在相同的小尺寸陣條件下，該方法可實(shí)現(xiàn)高精度的目標(biāo)二維角度估計，而基于時延估計的無源聲定向方法不能滿足目標(biāo)定向精度的要

7、求。 5.研究了基于聲矢量傳感器陣的寬帶無源定向理論與算法。(1)提出了基于矢量傳感器陣的寬帶相干信號子空間最優(yōu)波束形成算法。建立了矢量傳感器陣的寬帶陣列信號模型。首次將寬帶聚焦思想引入到了矢量傳感器陣寬帶處理，證明了矢量傳感器陣與聲壓傳感器陣寬帶聚焦矩陣之間的關(guān)系，為矢量傳感器陣寬帶聚焦矩陣的構(gòu)造提供了一種方法。推導(dǎo)了基于矢量傳感器陣的寬帶最優(yōu)波束形成的空間譜，通過仿真驗(yàn)證了矢量傳感器陣寬帶處理具有更為優(yōu)越的性能。分別分析了陣