声矢量阵低信噪比目标探测及高分辨方位估计技术研究

本项目研究基于声压振速(P+Vc)Vc组合的声矢量阵目标探测及高分辨测向技术，通过充分联合处理声压和振速信息，提高处理增益，有利于低信噪比目标(如安静型潜艇)的探测、信源检测和高分辨测向。笔者对基于(P+Vc)Vc组合的基本MUSIC高分辨测向算法进行了初步仿真研究，结果表明该算法较现有声矢量阵高分辨测向算法优势明显，值得进一步深入研究和实验验证。.本项目将在初步仿真研究基础上，采用理论分析、数学推导、计算机仿真和实验验证相结合的研究方案，进一步深入分析基于(P+Vc)Vc组合的基本MUSIC高分辨测向算法性能，推导基于该组合的解相干和波束域MUSIC高分辨测向算法、ESPRIT高分辨测向算法，研究基于该组合互协方差矩阵特征值或特征向量的信源检测方法，优化算法结构，提高该互协方差矩阵的计算效率，为算法工程应用打基础。通过仿真分析算法性能，用外场实验数据评估研究内容的有效性和实用性。

为了更好地进行低信噪比目标的探测、信源检测和高分辨方位估计，本研究将(P+Vc)Vc组合联合信息处理技术与声矢量阵高分辨测向技术结合起来，基于矢量传感声压和振速的相干性原理, 充分利用声压振速组合指向性抗干扰能力，可以更好地抑制各向同性干扰，提高阵列的处理增益，从而有更好的方位估计性能。本项目的主要研究工作有：. 提出了一种矢量阵MUSIC方位估计算法。该算法先构造声矢量阵声压和振速组合输出的互协方差矩阵，然后进行MUSIC方位估计。理论分析和计算机仿真表明，该算法比传统声矢量阵MUSIC方位估计算法有更好的双目标分辨能力和弱目标方位估计能力，湖试结果也表明文中算法有更好的目标方位估计性能。. 提出了一种声矢量阵旋转不变子空间方位估计方法。该算在声矢量阵声压和组合振速的互协方差矩阵基础上，将均匀间隔引导角的系列互协方差矩阵取平均来得到引导角未知情况下的互协方差矩阵，然后进行ESPRIT方位估计。仿真和试验结果表明在低信噪比时该算法较现有常规算法有更好的性能。.提出了一种基于声压振速联合处理的声矢量阵信源检测方法。在空间谱估计技术中，大部分算法都是在假设已知信源数的条件下进行的，而实际场合则信源数往往未知，需要事先估计。当信源数估计不准时就会造成估计漏报或虚警，导致方位估计偏差或错误。分析表明，基于新的协方差矩阵组合，能够提高低信噪比条件下信源数估计性能。. 对声矢量阵扩展法与组合法两种阵处理方法进行分析，实现了统一。声矢量阵扩展法阵处理实现了矢量阵与声压阵在形式上的统一，但在模型上对于振速对阵列性能影响的物理意义不够明晰。针对这一问题，分析扩展法阵列数据协方差矩阵构成，通过分块矩阵方法推导常规Bartlett波束形成方位谱表达式，实现了与矢量阵组合法阵处理的形式统一，使其具有清晰的物理含义，分析了扩展法不具有扩展孔径增益的原因，计算机仿真和湖试试验验证了理论结果。. 提出了基于矢量水听器阵列矩阵空域预滤波MUSIC方位估计算法。通过设计一个空域矩阵滤波器,对矢量水听器阵列数据进行预处理，抑制阻带扇面的干扰与噪声，且尽量保证让通带扇面的信号无失真通过，然后再利用MUSIC方位估计方法对其进行处理。仿真表明，矢量水听器阵列矩阵空域预滤波可以有效抑制空间干扰与噪声，提高MUSIC算法对通带扇面目标的方位分辨能力。.