[發明專利]一種利用垂直陣LCMV波束形成的水下目標輻射噪聲測量方法

有效

• 申請號: 201810263824.6
• 申請日: 2018-03-28
• 公開（公告）號: CN108828522B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 劉雄厚;李曉彬;孫超;蔣國慶;張少東
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 華金

1.一種利用垂直陣LCMV波束形成的水下目標輻射噪聲測量方法，其特征在于，包括以下子步驟：

步驟一：在測量場中，目標在航行過程中的軌跡不變深度不變；建立N元均勻垂直直線陣，其中垂直陣采用等間隔布陣；其中N＝[10,100]，N為整數；設測量場的水深為h，垂直陣的陣列長度為[2,h/2]，單位為米；垂直直線陣接收目標輻射噪聲信號，得到時域數據采樣矩陣x，將時域采樣數據進行傅里葉變換后得到頻域輸出X，對X劃分出K個子帶X₁，X₂，X₃，...，X_k，...，X_K，求得每個子帶內的協方差矩陣S_k，k＝1,2,3…，K，即:

其中，L代表子帶內的快拍數，[·]^H表示共軛轉置；

對該垂直直線陣進行子陣平滑預處理，劃分N-Q+1個子陣，每個子陣陣元數為Q，利用第k個子帶頻域協方差矩陣S_k計算子陣平滑后的協方差矩陣為：

作為后續LCMV波束形成器的輸入；

步驟二：對水下目標的海面一次反射到達角、海底一次反射到達角進行跟蹤估計，公式如下：

其中，水下目標與水面之間的距離為D₁，水下目標與水底之間的距離為D₂，垂直陣幾何中心深度為D，水下目標和垂直陣幾何中心之間水平距離為r，海深為h(D₁+D₂)，海面一次反射與垂直陣幾何中心水平方向形成的夾角為海面一次反射到達角θ_sf，海底一次反射與垂直陣幾何中心水平方向形成的夾角為海底一次反射到達角θ_bf；

步驟三：使用線性約束最小方差法獲得直達波信號，反推出目標輻射噪聲源級，包括以下子步驟：

子步驟1)：將步驟二得到的海面一次反射角和海底一次反射到達角之間區域設為波束主瓣保形區域，保證區域內主瓣響應不隨頻率發生變化，針對波束主瓣建立約束矩陣，即：

C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一個Q×M維矩陣，v(θ_m)是陣列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f為該處理子帶的中心頻率，d為陣元間距，c為聲速；為保證區域內主瓣保形，采用如下的約束值：

子步驟2)：對第k個子帶采用線性約束最小方差波束形成法設計波束圖,則LCMV波束形成器可表示為：

min(w^H(θ)S_FBSSw(θ))

s.t.w^H(θ)C＝g^H

對上述公式進行求解，即可獲得第k個子帶的加權向量w，通過加權求和得到該子帶內的頻域輸出：

Y_k＝w^H(θ)X_k

子步驟3)：采用子步驟2)中的公式，獲得其他子帶內的波束輸出，各子帶輸出進行拼接，獲得直達波信號對應的功率譜。

2.一種利用垂直陣LCMV波束形成的水下目標輻射噪聲測量方法，其特征在于，包括以下子步驟：

步驟一：在測量場中，目標在航行過程中的軌跡不變，深度不變；建立N元均勻垂直直線陣，其中垂直陣采用等間隔布陣，N＝[10,100]，N為整數；設測量場的水深為h，垂直陣的陣列長度為[2,h/2]，單位為米；垂直直線陣接收目標輻射噪聲信號，得到時域數據采樣矩陣x，將時域采樣數據進行傅里葉變換后得到頻域輸出X，對X劃分出K個子帶X₁，X₂，X₃，...，X_k，...，X_K，求得每個子帶內的協方差矩陣S_k，k＝1,2,3…，K，即:

其中，L代表子帶內的快拍數，[·]^H表示共軛轉置；

對該垂直直線陣進行子陣平滑預處理，劃分N-Q+1個子陣，每個子陣陣元數為Q，利用第k個子帶頻域協方差矩陣S_k計算子陣平滑后的協方差矩陣為：

作為后續LCMV波束形成器的輸入；

步驟二：求取海面一次反射到達角θ_sf和海底一次反射到達角θ_bf，還可利用采集信號中高頻段子帶的協方差矩陣S_k進行垂直到達角估計，采用常規波束形成的加權向量w(θ)，在θ＝[-90°,90°]的垂直方向上掃描，獲得不同垂直角度上常規波束形成的DOA估計輸出P_CBF(θ)：

P_CBF(θ)＝w^H(θ)S_kw(θ)

根據上述公式繪出目標水平距離、垂直到達角二維圖，從圖中即可得到當目標位于不同距離時的海面、海底一次反射的到達角；

步驟三：使用線性約束最小方差法獲得直達波信號，反推出目標輻射噪聲源級，包括以下子步驟：

子步驟1)：將步驟二得到的海面一次反射角和海底一次反射到達角之間區域設為波束主瓣保形區域，保證區域內主瓣響應不隨頻率發生變化，針對波束主瓣建立約束矩陣，即：

C＝[v(θ₁),v(θ₂),...,v(θ_m),...,v(θ_M)]是一個Q×M維矩陣，v(θ_m)是陣列流形矢量：

θ_m∈[θ_bf,θ_sf]，m＝1,2,…,M，f為該處理子帶的中心頻率，d為陣元間距，c為聲速；為保證區域內主瓣保形，采用如下的約束值：

子步驟2)：對第k個子帶采用線性約束最小方差波束形成法設計波束圖,則LCMV波束形成器可表示為：

min(w^H(θ)S_FBSSw(θ))

s.t.w^H(θ)C＝g^H

對上述公式進行求解，即可獲得第k個子帶的加權向量w，通過加權求和得到該子帶內的頻域輸出：

Y_k＝w^H(θ)X_k

子步驟3)：采用子步驟2)中的公式，獲得其他子帶內的波束輸出，各子帶輸出進行拼接，獲得直達波信號對應的功率譜。