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基于矢量水听器的信号处理算法

矢量水听器由声压和振速水听器复合而成,可以共点同步测量声场中的声压与振速信息,单个矢量水听器就能够对目标进行定向。为了进一步提高声纳的分辨力和作用距离,矢量阵的应用是大势所趋,矢量信号处理算法是其关键。
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产品描述

  矢量水听器由声压和振速水听器复合而成,可以共点同步测量声场中的声压与振速信息,单个矢量水听器就能够对目标进行定向。为了进一步提高声纳的分辨力和作用距离,矢量阵的应用是大势所趋,矢量信号处理算法是其关键。

  公司在相关矢量声纳设备研制工作的基础上,对基于矢量阵的信号处理算法进行了深入的研究,主要有:

  (1)矢量阵自适应波束形成算法

  声纳设备目标分辨和检测性能是最重要的性能指标。自适应波束形成算法具有比常规波束形成更强的目标分辨与检测能力,但是,传统自适应波束形成算法的灵敏度高、宽容性差。为了将自适应波束形成算法应用到矢量阵声纳,发挥其高分辨和检测性能强的优点,必须增加算法的宽容性,同时保持其良好的分辨性能。公司研究了对导向矢量误差宽容的自适应矢量波束形成算法,根据多通道大孔径柔性矢量线阵的特点,推导了秩亏情况下的宽容算法,并将其成功应用于矢量声纳项目,取得了令人满意的效果。

  图1和图2分别为常规波束形成和宽容自适应波束形成的仿真效果图,可以看到除了端射附近的镜像干扰以外,常规波束形成的历程图还出现了多个栅瓣。利用这样的历程图进行目标检测,势必会产生误判。在宽容自适应波束形成的历程图中几乎看不到任何栅瓣与镜像。

  

图1 矢量阵常规波束形成的方位历程图

 

  

图2 矢量阵宽容自适应波束形成的方位历程图

 

  (2)矢量阵栅瓣抑制算法

  对于矢量阵,目标镜像以及目标栅瓣的功率小于目标自身的功率,从而能在一定程度上克服左右舷模糊和实现欠采样布阵。当目标逐渐靠近端射方向时,目标镜像与目标自身功率的差异逐渐减小,矢量阵抑制镜像的能力降低。公司详细分析了矢量阵导向矢量的误差源,分析了矢量阵导向矢量的结构。充分利用导向矢量的镜像与栅瓣结构,在目标镜像与目标栅瓣处调节导向矢量的误差范围,利用失配效应降低镜像与栅瓣的功率,从而更好地克服左右舷模糊与栅瓣模糊。湖试与海试结果表明该算法的检测性能、分辨力以及抑制镜像和栅瓣的能力都优于常规波束形成和固定加载自适应算法。

  (3)矢量声场匹配算法

  声场匹配处理技术已在基于声压阵的声纳上取得了成功的应用,匹配处理的关键是有充足的信息,相比于声压阵,矢量阵可提供额外的质点振速信息,应用声场匹配技术具有天然的优势。公司在相关矢量声纳设备的研制基础上,对声矢量信息快速建模、匹配代价函数构建、高效搜索策略以及宽容性匹配等算法进行了深入研究,经过仿真及海试数据验证,取得了良好的效果。

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