[发明专利]一种矢量舷侧阵稳健波束形成方法

说明书

本发明提供一种矢量舷侧阵稳健波束形成方法，针对声呐自噪声影响舷侧阵系统探测性能的问题，基于矢量声呐阵列信号处理模式，设计空域矩阵滤波器抑制机械噪声和螺旋桨噪声等近场强干扰，利用对角减载运算滤除流噪声、海洋环境噪声和其他探测扇面内残余的非相关噪声，最后使用稳健波束形成算法对远场目标进行方位估计。本发明能够最大程度的有效滤除自噪声成分，增强输出信噪比和稳健性，进而提升系统的抗噪能力、空间分辨力和方位估计性能。

技术领域

本发明涉及一种矢量舷侧阵稳健波束形成方法，属于声呐阵列信号处理领域。

背景技术

舷侧阵声呐是固定安装在舰艇两舷侧、沿艇身纵向布置的两长线列阵。相较于艏部声呐，舷侧阵阵列孔径更大、工作频率更低、探测距离更远，不同于拖在艇后的拖曳阵声呐，舷侧阵对潜艇机动性没有影响、不存在阵型畸变与空间两重性问题。因此，舷侧阵在舰艇隐蔽性和机动性优势的基础上，还具有优越的远距离被动探测能力。然而，随着减振降噪技术的发展，水下目标探测难度不断增大，对舷侧阵声呐的低频探测性能提出了更高的要求。近年来，随着矢量水听器技术的发展，矢量声呐被广泛应用于水下各型声呐系统中，相较于传统声呐仅能利用声压信息，矢量声呐信号处理模式更为多样，且具有较强各向同性噪声抑制能力以及与频率无关的接收指向性，使得矢量舷侧阵可获得更为优越的低频探测性能。

舷侧阵声呐的低频探测性能与声呐自噪声和阵列孔径密切相关，声呐自噪声主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声，同时也还受到海洋环境噪声的影响。如图1所示，机械噪声是由舰艇主机辅机等振动经由船壳传递到水听器而产生的噪声，多集中在舰艇中后部，在舰艇低速运动时起主要作用；螺旋桨噪声包括空化噪声和螺旋桨叶片振动产生的噪声，来自于舰艇尾端，是舰艇高速航行时声呐自噪声谱的主要部分；而流噪声指以水听器表面湍流脉动为激励源激发出的噪声，随着航速的增加，流噪声愈发剧烈无法被忽略，且与海洋环境噪声一样，处于目标探测扇面内，故很难被滤除。由于声呐自噪声声级远大于远场目标信号，舷侧阵自噪声直接影响目标探测能力。通常传统舷侧阵阵列长度仅占艇长的1/3到1/2，为提高舷侧阵的低频探测性能，舷侧阵声呐阵列不可避免的要向后延伸，其阵列末端也必然要受到舰艇尾部的螺旋桨和主动力装置噪声的干扰。因此，亟需研究一套完整而稳健的波束形成方案，抑制舷侧阵自噪声干扰、突破舷侧阵空间尺度限制，以满足低频精准探测迫切需求。

针对舷侧阵的自噪声影响问题，提出基于矢量声呐的“空域矩阵滤波+对角减载运算”噪声抑制方案，算法流程如图2所示。传统舷侧阵分别在舰艇两舷侧布阵，通过左右舷判断目标来向，但对单侧阵列而言，传统舷侧阵仍存在左右模糊问题，当在空域对含噪信号进行处理时，其无法判断强信源来自探测扇面内的目标还是扇面以外的平台噪声，同样，利用空域矩阵滤波手段滤除自噪声时，传统滤波矩阵也无法在允许探测扇面内目标信号通过的同时抑制探测扇面以外的噪声干扰。而矢量舷侧阵具有无模糊测向优势，可去除传统舷侧阵左右模糊。因此，基于矢量舷侧阵的空域矩阵滤波技术可有效解决传统舷侧阵的自噪声抑制问题。

空域矩阵滤波概念于1996年由Vaccaro首先提出(Vaccaro R J,Harrison BF.Optimal matrix-filter design[J].IEEE Transactions on Signal Processing,1996,44(3):705-709.)，其思想是在阵元域将滤波矩阵与接收数据相乘，控制保留通带范围的信号数据，抑制阻带区域的背景干扰，达到突出通带内信号、提高信噪比、增强目标探测性能的目的。机械噪声与螺旋桨噪声多集中在舰艇中后部，通常处于舷侧阵探测扇面以外，故可将受自噪声强干扰影响范围划为阻带，采用空域矩阵滤波技术对机械噪声与螺旋桨噪声进行抑制。然而，流噪声与海洋环境噪声的相关半径很小，通常处于探测扇面内，无法通过空域矩阵滤波方法滤除。