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直线阵潜艇噪声源高分辨定位识别方法研究

陈欢  
【摘要】:潜艇的声隐身性能是衡量潜艇的安全性和作战性能的重要指标。辐射噪声是各种无源声呐和声学武器探测潜艇的主要目标信息,是破坏其声隐身性能的主要因素,自噪声则直接影响本艇声呐站的工作性能,因此降低潜艇水下噪声具有重要意义。为了有针对性地开展噪声控制,同时为潜艇声学设计中的噪声指标提供实际依据,开展噪声源识别分离技术研究,查找系统中的主要噪声源及确定各类噪声源的贡献具有重要意义。随着减振降噪技术的发展,以往的噪声源定位识别方法和分析手段已无法有效获得噪声源信息,因此研究适用于潜艇大尺寸、复杂系统,同时便于工程实施的噪声源近场定位识别方法,成为潜艇噪声控制和减振降噪技术的关键。 本文首先阐述了近场声聚焦技术在噪声源定位识别方面的优势,在回顾近场声聚焦技术理论发展及其工程应用研究的基础上,以线列阵近场声聚焦技术在潜艇噪声源定位识别上的应用为研究背景,对测量面为平面和柱面的噪声源近场高分辨定位识别方法、及能抑制基阵灵敏度误差和相位误差的稳健噪声源近场定位识别方法等方面进行了系统、全面的理论和试验研究。 本文首先以基阵近场理论为基础,从理论上阐述了近场声聚焦的基本原理,并给出均匀线列阵聚焦空间分辨率的计算公式,分析测量距离和基阵孔径等参数对聚焦空间分辨率的影响,并针对近场聚焦的空间混叠问题提出了定位模糊判决方法,可以用于指导基阵的阵形设计。 本文针对常规近场聚焦波束形成和MVDR近场聚焦波束形成等定位识别方法的不足,重点研究了基于幅度相位联合补偿的MVDR、MUSIC近场聚焦波束形成方法。该方法可以实现噪声源相对强度估计,且在一定条件下可以有效降低信号频段和测量距离对算法性能的限制,提高基阵在低频段的聚焦空间分辨率,在高频段具有更强抑制空间混叠能力,具有更低的旁瓣级,及更强的抗干扰能力,更小的声源强度估计误差,更高的定位精度。针对极值搜索类算法不适用于相干源近场定位识别问题,提出了基于最大似然估计相干源近场高分辨定位识别方法,并利用遗传算法寻求最大似然估计全局最优解。该方法具有较高定位精度,且仅利用小孔径基阵就可实现相干源近场高分辨定位,同时不受阵列几何结构的限制。针对近场声聚焦技术难以实现端射方向噪声源定位识别问题,提出了基于虚拟旋转变换技术的端射方向噪声源近场定位识别方法,分析虚拟阵列孔径、测量距离、信噪比、观测区间等参数对算法性能的影响,并给出该方法的具体应用条件。 本文针对潜艇辐射噪声的宽带连续谱成份,研究了基于子带分解和聚焦变换技术的宽带噪声源近场高分辨定位识别方法。该方法将子带分解和聚焦变换技术,与幅度相位联合补偿的极值搜索类算法有效结合,从而可实现宽带非相干源和相干源的相对强度估计和声源空间位置估计,并对上述方法的空间谱特性、定位性能和聚焦空间分辨率进行了对比分析。 本文研究了适用于潜艇模型的测量面为柱面的噪声源近场高分辨定位识别方法,并对算法的性能进行详细分析。为解决线列阵近场定位中的左右舷模糊问题,提出矢量声压组合基阵的柱面近场高分辨定位识别方法,该方法通过在声压基阵中配置单只矢量水听器,将矢量水听器与柱面高分辨近场定位识别方法的优势成功结合,在实现水下噪声源近场高分辨定位识别的同时,利用矢量水听器单边指向性,去除近场定位中的左右舷模糊,同时对算法的舷侧模糊压制能力、声源相对强度估计误差等性能进行对比分析。 本文研究了阵列流形失配下的稳健噪声源近场定位识别方法,该方法可以准确获得所需要的对角加载值,抑制阵列流形失配对基于幅度补偿的MVDR近场聚焦波束形成性能的影响,提高定位识别方法的稳健性,对算法的性能进行了详细的对比分析。提出了基于单辅助矢量水听器的基阵误差校正方法,利用精确校正的单只矢量水听器作为辅助基阵,可以在远场或近场对声源空间位置和基阵误差进行无模糊联合估计,只需要参数的一维搜索,运算量小不存在参数联合估计的局部收敛问题,分析了信噪比、声源空间位置等参数对校正结果的影响。 本文开展了消声水池试验和实艇海试测量试验,验证了本文算法的有效性,理论分析结果和试验数据处理结果基本一致,为噪声源近场高分辨定位识别方法下一步的实际工程应用提供了试验基础。


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