[發明專利]一種基于傅里葉積分法的水下目標輻射噪聲測量方法

有效

• 申請號: 201810868064.1
• 申請日: 2018-08-02
• 公開（公告）號: CN108845307B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 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: G01S7/52
• 分類號: G01S7/52
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 華金

1.一種基于傅里葉積分法的水下目標輻射噪聲測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：設水下目標深度不變，目標與水面之間的距離為D₁，目標與水底之間的距離為D₂；建立N元垂直均勻直線陣ULA(ULA:uniform linear array)，且定義N元均勻垂直直線陣的幾何中心深度為D，水下目標和垂直陣幾何中心的水平距離為r，海深h為(D₁+D₂)，從而得到輻射噪聲信號直達波與垂直陣幾何中心水平方向形成的夾角即垂直到達角θ_dw：

步驟二：利用垂直陣進行輻射噪聲的采集以及獲得孔徑拓展后的虛擬陣列，包括以下子步驟：

子步驟一：利用N元均勻垂直直線陣采集輻射噪聲信號，得到N×L維的時域數據采樣矩陣x，L為快拍數；任意兩個陣元上接收信號的相關輸出y_i,j(τ)可表示為：

y_i,j(τ)＝E[x_i^*(t)x_j(t+τ)] (2)

其中，x_i(t)為第i個接收陣元上信號，i＝1,2,…,N，x_j(t)為第j個接收陣元上信號，j＝1,2,…,N，[]^*表示求共軛，E[]表示求時間平均，t表示時間，τ表示時延；

根據式(2)，對所有N個接收陣元上的信號進行兩兩互相關處理和自相關處理，N元ULA可獲得N²個互相關輸出，且N²個互相關輸出可看做N²個虛擬陣元上的輸出

子步驟二：對N²個虛擬陣元上的輸出進行去冗余處理，得到2N-1個虛擬陣元上的輸出，組成2N-1元虛擬ULA，陣元間距為d；

去冗余處理后的虛擬陣元的輸出為：

其中，i為N元接收陣列陣元編號，i＝1,2,…,N，j為N元接收陣列陣元編號，j＝1,2,…,N，m為編號i和j之差，m＝1-N,2-N,…,0,…,N-2,N-1；表示將滿足i-j＝m的所有互相關輸出求和；

根據式(3)，對N²個虛擬陣元上的輸出進行去冗余處理，最終可得到2N-1元虛擬ULA的輸出即：

其中，為去冗余處理后的虛擬陣元上的輸出，m＝1-N,2-N,…,0,…,N-2,N-1

子步驟三：對2N-1元虛擬ULA的采樣協方差矩陣做子陣平滑處理，得到處理后的協方差矩陣R_FBSS；

2N-1元虛擬陣列ULA陣列采樣協方差矩陣為：

其中：[]^H表示求共軛轉置；為2N-1元虛擬ULA的輸出；

劃分2N-Q個子陣，每個子陣陣元數為Q，則子陣平滑后的協方差矩陣R_FBSS為：

步驟三：使用最小方差無畸變相應MVDR(MVDR：minimum variance distortionlessresponse)波束形成器獲得加權向量w并反推出目標輻射噪聲源級：

子步驟一：利用MVDR波束形成器獲得加權向量w

MVDR波束形成器可表示為：

其中，a(θ_m)為Q×1維掃描向量：

θ_m∈[-90°,90°]，是波束形成器的指向角度，指向輻射噪聲信號的直達波與垂直陣幾何中心水平方向形成的夾角即垂直到達角θ_dw，f為陣列設計頻率，d為陣元間距，c為聲速；

對(7)式進行求解，獲得加權向量w；

子步驟二：通過加權求和得到Q元虛擬ULA的波束形成輸出，并反推出目標輻射噪聲源級

利用子步驟一得到的加權向量w加權求和并做傅里葉變換得到頻域輸出RSSL：

其中，FFT表示傅里葉變換，[]^H表示求共軛轉置，為子陣平滑處理后Q元虛擬ULA的輸出，為去冗余處理后虛擬陣元上的輸出，m＝1-N,2-N,…Q-N；

再利用該測量結果反推水下目標的輻射噪聲級SSL，即：

SSL＝RSSL+TL (9)

TL為傳播損失，按球面擴展定律計算，即：

TL＝20log(r) (10)

r為垂直陣幾何中心與水下目標的水平距離，由于Q元虛擬ULA陣列長度(Q-1)×d與r相比較小，各虛擬陣元上的傳播損失可近似為水下目標到垂直陣幾何中心的傳播損失。