[发明专利]一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法

权利要求书

1.一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法，其特征在于，包括以下子步骤：

步骤一：在测量场中，目标在航行过程中的轨迹不变深度不变；建立N元均匀垂直直线阵，其中垂直阵采用等间隔布阵；其中N＝[10,100]，N为整数；设测量场的水深为h，垂直阵的阵列长度为[2,h/2]，单位为米；垂直直线阵接收目标辐射噪声信号，得到时域数据采样矩阵x，将时域采样数据进行傅里叶变换后得到频域输出X，对X划分出K个子带X₁，X₂，X₃，...，X_k，...，X_K，求得每个子带内的协方差矩阵S_k，k＝1,2,3…，K，即:

其中，L代表子带内的快拍数，[·]^H表示共轭转置；

对该垂直直线阵进行子阵平滑预处理，划分N-Q+1个子阵，每个子阵阵元数为Q，利用第k个子带频域协方差矩阵S_k计算子阵平滑后的协方差矩阵为：

作为后续LCMV波束形成器的输入；

步骤二：对水下目标的海面一次反射到达角、海底一次反射到达角进行跟踪估计，公式如下：

其中，水下目标与水面之间的距离为D₁，水下目标与水底之间的距离为D₂，垂直阵几何中心深度为D，水下目标和垂直阵几何中心之间水平距离为r，海深为h(D₁+D₂)，海面一次反射与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角为海面一次反射到达角θ_sf，海底一次反射与垂直阵几何中心水平方向形成的夹角为海底一次反射到达角θ_bf；

步骤三：使用线性约束最小方差法获得直达波信号，反推出目标辐射噪声源级，包括以下子步骤：

子步骤1)：将步骤二得到的海面一次反射角和海底一次反射到达角之间区域设为波束主瓣保形区域，保证区域内主瓣响应不随频率发生变化，针对波束主瓣建立约束矩阵，即：

C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一个Q×M维矩阵，v(θ_m)是阵列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f为该处理子带的中心频率，d为阵元间距，c为声速；为保证区域内主瓣保形，采用如下的约束值：

子步骤2)：对第k个子带采用线性约束最小方差波束形成法设计波束图,则LCMV波束形成器可表示为：

min(w^H(θ)S_FBSSw(θ))

s.t.w^H(θ)C＝g^H

对上述公式进行求解，即可获得第k个子带的加权向量w，通过加权求和得到该子带内的频域输出：

Y_k＝w^H(θ)X_k

子步骤3)：采用子步骤2)中的公式，获得其他子带内的波束输出，各子带输出进行拼接，获得直达波信号对应的功率谱。

2.一种利用垂直阵LCMV波束形成的水下目标辐射噪声测量方法，其特征在于，包括以下子步骤：

步骤一：在测量场中，目标在航行过程中的轨迹不变，深度不变；建立N元均匀垂直直线阵，其中垂直阵采用等间隔布阵，N＝[10,100]，N为整数；设测量场的水深为h，垂直阵的阵列长度为[2,h/2]，单位为米；垂直直线阵接收目标辐射噪声信号，得到时域数据采样矩阵x，将时域采样数据进行傅里叶变换后得到频域输出X，对X划分出K个子带X₁，X₂，X₃，...，X_k，...，X_K，求得每个子带内的协方差矩阵S_k，k＝1,2,3…，K，即:

其中，L代表子带内的快拍数，[·]^H表示共轭转置；

对该垂直直线阵进行子阵平滑预处理，划分N-Q+1个子阵，每个子阵阵元数为Q，利用第k个子带频域协方差矩阵S_k计算子阵平滑后的协方差矩阵为：

作为后续LCMV波束形成器的输入；

步骤二：求取海面一次反射到达角θ_sf和海底一次反射到达角θ_bf，还可利用采集信号中高频段子带的协方差矩阵S_k进行垂直到达角估计，采用常规波束形成的加权向量w(θ)，在θ＝[-90°,90°]的垂直方向上扫描，获得不同垂直角度上常规波束形成的DOA估计输出P_CBF(θ)：

P_CBF(θ)＝w^H(θ)S_kw(θ)

根据上述公式绘出目标水平距离、垂直到达角二维图，从图中即可得到当目标位于不同距离时的海面、海底一次反射的到达角；

步骤三：使用线性约束最小方差法获得直达波信号，反推出目标辐射噪声源级，包括以下子步骤：

子步骤1)：将步骤二得到的海面一次反射角和海底一次反射到达角之间区域设为波束主瓣保形区域，保证区域内主瓣响应不随频率发生变化，针对波束主瓣建立约束矩阵，即：

C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一个Q×M维矩阵，v(θ_m)是阵列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f为该处理子带的中心频率，d为阵元间距，c为声速；为保证区域内主瓣保形，采用如下的约束值：

子步骤2)：对第k个子带采用线性约束最小方差波束形成法设计波束图,则LCMV波束形成器可表示为：

min(w^H(θ)S_FBSSw(θ))

s.t.w^H(θ)C＝g^H

对上述公式进行求解，即可获得第k个子带的加权向量w，通过加权求和得到该子带内的频域输出：

Y_k＝w^H(θ)X_k

子步骤3)：采用子步骤2)中的公式，获得其他子带内的波束输出，各子带输出进行拼接，获得直达波信号对应的功率谱。