浅海波导中简正波干涉使得声场水平相关随距离出现振荡, 利用声信号水平距离−频率干涉规律推导了不同阵元接收信号间的频移补偿关系式, 结合大孔径阵列阵元空间分布离散度高的特点提出适用于声源频谱缓变信号的定位方法。利用频移补偿量随声源位置的变化, 将两两阵元组合输出的模糊度平面叠加实现水平二维平面定位。仿真结果表明方法定位性能良好, 对环境参数失配宽容性好。频移补偿后的线性相位关系有效提高了接收信号间的相关性, 进而提升大孔径阵列的处理增益。阵列的孔径优势提高了空间分辨能力, 模糊度平面峰值−背景比高。海试数据验证表明, 10~80 km测距结果平均相对偏差为5.68%, 二维平面内定位结果平均距离偏差为0.78 km。

以高速垂向运动声源宽带连续谱噪声为研究对象, 基于射线理论分析了声场干涉现象的产生机理, 推导了干涉条纹的轨迹方程, 讨论了影响干涉结构特性的因素, 揭示了声场干涉结构的特性和规律。理论和仿真结果表明: 干涉周期与多途信号时延差成反比关系; 减小接收深度或增大接收距离可以提高干涉条纹的可观测性; 较大的海面起伏易使干涉条纹形成断点, 可观测性降低。湖试数据分析结果表明, 干涉条纹主要由直达声−海面反射声干涉条纹构成, 干涉条纹宽度和干涉周期随水平距离的增大而增大。该结果可为高速垂向运动声源运动状态分析、环境参数反演等提供参考。

提出了一种协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法来提高小孔径均匀直线阵的分辨力。该方法分析了具有不同阵元个数的阵列采集信号协方差矩阵之间的关系, 并根据该关系构建阵列扩展的优化算法, 利用小孔径实际阵列协方差矩阵拟合得到大孔径虚拟阵列的协方差矩阵。仿真分析与湖试数据处理结果表明, 将拟合协方差矩阵用于现有方位估计方法中能够降低波束宽度, 提高分辨力, 并且随着虚拟阵元个数增加, 目标分辨概率同步提高。当阵列孔径较小或环境信噪比较低时, 本文方法可用于提高方位估计性能。

基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型, 研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性, 给出了海面散射声传播损失−风速拟合公式以及一种快速声场预报方法, 可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明, 对于全年运行的水声设备, 当传播距离超过10 km时, 须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季, 在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。

提出一种使用协方差矩阵分解(CMD)的声矢量阵声压振速联合处理方法。该方法将声压振速互协方差矩阵分解为观测方位系数矩阵和剩余协方差矩阵, 将系数矩阵与导向矢量结合避免了观测方位的选择, 对剩余协方差矩阵进行奇异值分解并重构厄米特协方差矩阵, 最后对重构的协方差矩阵实施最小方差无失真响应(MVDR)方法处理。理论分析表明, 使用重构的协方差矩阵能够获得更高的阵处理增益。数值仿真结果验证了本文方法的计算量与Nehorai处理方法相近, 但较传统声压振速联合处理方法具有更高的阵处理增益和目标分辨能力。

研究了一种水下低噪声目标辐射噪声垂直嵌套阵测量方法。首先通过分析试验水域背景噪声和被测目标辐射噪声特性, 掌握不同测量频段的增益需求; 然后采用凸优化方法, 建立波导环境中超宽带、高稳健恒定束宽波束形成技术, 推导水下目标辐射噪声垂直嵌套阵测量及空间阵列信息处理方法; 最后研制垂直嵌套阵测量系统, 并开展湖上试验验证。研究结果表明该测量方法具有测量带宽大、稳健性高、测量不确定度低等优点, 辐射噪声测量不确定度约2 dB。

提出了基于改进频率差分(FD)技术的空间抗混叠波达方位(DOA)估计方法, 实现了阵元稀疏排布, 即在阵元间距远大于入射信号波长时, 存在栅瓣模糊情况下多水下声学目标的方位估计。首先, 确定目标方位角度搜索范围, 建立阵列信号处理模型, 对宽带信号不同频率成分之间进行频率差分处理, 从而降低信号频率以满足阵元稀疏排布阵列的空间奈奎斯特采样要求。然后, 基于投影子空间正交性检验(TOPS)算法构建一个对角变换矩阵, 利用对角酉变换矩阵正交性直接对阵列流形进行频率差分处理, 使其频率差分处理输出的信号个数与输入信号个数相等。最后, 进一步推导频率差分域等效目标方位与真实入射信号角度等价的条件, 并基于该等价条件进行频率筛选, 最终获得无模糊的空间方位谱结果。经仿真实验验证, 所提算法在信噪比为−10~20 dB范围内, 估计结果均方根误差低于0.1°, 有效抑制了栅瓣且受干扰强度影响较小。经海试数据验证, 所提算法可以有效估计出目标方位, 并避免空间混叠项干扰。所提空间抗混叠波达方位估计方法能够有效抑制栅瓣模糊, 提高目标方位估计精度, 且在强干扰条件下仍具有较好的角度估计性能。

提出了一种针对水中匀速直线运动目标的时空频信号变换方法。首先对接收信号作时频分析和频域波束形成, 根据选定的目标航向对频率−方位−时间三维信号空间中的接收信号进行由基阵坐标系到目标坐标系的视在方位变换, 使目标线谱信号由三维空间轨迹变换为变换域中对应平面切片上的二维轨迹, 该切片由频率与方位信息联合构成的轴和时间轴构成。研究结果表明, 该方法能够在变换后的信号空间中将目标线谱信号的三维轨迹转换为相应切片上的二维轨迹, 相比三维信号空间更容易获得多维信息联合处理的信号处理增益。

针对海洋中存在的强干扰和环境噪声导致水下目标方位估计算法性能剧烈下降的问题, 提出了一种子空间判决分析的强干扰抑制方法(SSJ), 可实现多个强干扰下的目标方位估计。根据常规波束形成粗估的目标角度区间, 利用目标−干扰−噪声子空间与导向矢量的相关性, 设置判决项和估计合适的判决阈值来分离和抑制样本协方差矩阵中的非目标信息, 降低干扰和噪声的输出功率, 同时提高输出信干噪比, 为增强阵列的目标方位分辨能力提供方法支撑。仿真和海试数据处理结果显示, SSJ方法可抑制目标角度区间外的强干扰和噪声, 明显降低了干扰的输出功率和目标主瓣附近的旁瓣级, 提高了目标方位角度的分辨力。相比于现有的子空间干扰抑制方法, 所提方法具有更加稳健的干扰抑制能力。

基于射线声学理论研究了水下稳态涡流场的声传播特性。首先, 根据移动介质中的程函方程, 推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组, 实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟, 获取了通过不同涡流场的声信号; 然后, 基于稳态涡流场的声传播特性, 构建了接收声信号相位与涡流场特征参数之间的映射关系, 通过数值仿真反演稳态涡流场特征参数, 仿真结果与理论值的相对误差在15%以内。仿真结果表明: 基于射线理论可以有效模拟声信号通过涡流场的声线轨迹及信号变化, 具有直观、计算效率高的优势; 随着涡环量增大, 涡流对声传播的影响更为明显; 利用声信号相位可实现对速度分布、涡核位置、涡环量等涡流场特征参数的估计。