【摘要】：港口航道、島嶼要塞以及我方重要軍事設施是敵方潛艇實施封鎖作戰(zhàn)的重點區(qū)域,為了能夠突破封鎖、保衛(wèi)安全需實現(xiàn)對敵方潛艇遠程預警探測。岸基警戒聲納主要目的是為了實現(xiàn)對重要區(qū)域的安全警戒。早期的岸基聲納由標量長線陣組成,隨著矢量水聽器技術的發(fā)展,由矢量水聽器構成的矢量岸基聲納具有更高的探測能力和探測效率。與常規(guī)聲壓水聽器陣相比,在同等數(shù)量的陣元條件下,矢量陣可以獲得更多的獨立通道數(shù)據(jù),這為矢量陣信號處理帶來了更大的陣增益、左右舷分辨及旁瓣抑制的能力。矢量陣在帶來各種優(yōu)勢的同時也會帶來了一系列的問題。1、長線陣利用陣列的大孔徑實現(xiàn)了更高的探測精度,但高分辨力會限制信號處理中可用的積分時間,這時形成的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣往往是不滿秩的,因此會影響自適應波束形成算法性能。同時由于矢量陣獨立的數(shù)據(jù)通道是常規(guī)聲壓陣的4倍,這在為矢量陣帶來可觀陣增益的同時,也增大了數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的維度,會導致算法運算量幾何數(shù)量的增加,這在實時處理系統(tǒng)中是不可容忍的。2、矢量陣的導向向量是由振速通道的導向向量和聲壓通道的導向向量構成,每種導向向量針對的誤差源往往是不同的。寬容自適應波束形成算法應用于矢量陣時,如何設計不同的導向向量誤差約束便成為一個新的問題。3、岸基警戒聲納主要目的是為了探測對我方不利的水下危險目標,因此近距離水面船只均為不被關注的干擾目標,但水面船只會嚴重降低岸基警戒聲納對水下目標的預警探測效率。4、在頻帶資源有限的水聲信道,碼分多址和空分多址是首要考慮的多址方式。水聲信道頻帶窄,碼分多址的偽隨機序列階數(shù)較低,當用戶容量較大時面臨著偽隨機序列數(shù)目有限等問題。同時單通道接收機接收信噪比低,且信道均衡器易受信道時空變化的影響。論文將結合矢量陣自適應波束形成算法研究,嘗試解決水聲通信面臨的上述問題。本文在研究過程中以岸基矢量陣聲納為背景,在現(xiàn)有研究成果的基礎上圍繞寬容自適應波束形成、強干擾抑制、矢量信號處理等內(nèi)容,探索提升岸基矢量陣聲納的探測性能、干擾抑制能力以及被動通訊的方法:首先,在MVDR(Minimum Variance Distortionless Response)、RCB(Robust Capon Beamformer)等算法的基礎上,針對自適應波束形成算法如何在有限數(shù)據(jù)情況下的應用展開了研究。提出了一種適用于長線陣的改進RCB算法,并對算法的各項性能與傳統(tǒng)方法進行了分析對比。該方法的優(yōu)勢在于:(1)在有限快拍數(shù)據(jù)的情況下,保持了RCB算法的分辨力高、干擾抑制能力強和寬容性高的特點;(2)由于算法通過奇異值分解代替矩陣求逆,因此該算法計算量小,適合工程應用。其次,針對岸基矢量陣聲納存在的問題,結合矢量水聽器的特點,本文提出了三種自適應波束形成算法。一是將標量改進RCB算法拓展到矢量陣中使用;二是利用矢量水聽器陣列的加權向量可以拆分為陣列加權向量和矢量加權向量的特點,針對不同情況選用合適的加權向量進行方位估計,進而提出了一種矢量權分解RCB算法。三是將矢量權分解RCB算法結合波束域波束形成理論,提出了一種波束域矢量權分解RCB算法,在保證算法性能不會大量損失的情況下,大大降低系統(tǒng)運算量。通過仿真數(shù)據(jù)對各種算法的性能進行了分析;利用海上試驗數(shù)據(jù)對各算法進行比對分析,可以證明矢量權分解RCB算法和波束域矢量權分解RCB算法比傳統(tǒng)算法具有更高的處理增益。再次,針對岸基矢量陣在實際應用中會被大量的近距離強干擾目標所困擾的問題,本文在H.cox的MRABF(Multi-Rate Adaptive Beamforming)強干擾抑制算法的基礎上提出了一種基于寬帶目標篩選的強干擾抑制算法。算法解決了MRABF算法中未考慮的海洋信道起伏以及目標輻射噪聲頻率分布特性的問題,提升了算法的穩(wěn)定性以及實際可用性。通過數(shù)據(jù)仿真證明算法能夠?qū)?5dB差異的強干擾進行抑制。為了說明算法的通用性,并將改進算法應用于三元舷側陣的干擾抑制及尾流區(qū)域的干擾抑制。最后,圍繞矢量陣列信號處理方法在水聲通信中的應用開展研究。主要針對水平長線陣和垂直陣兩種陣型進行討論,采用RCB自適應波束形成算法進行穩(wěn)健波束輸出,利用水平長線陣的處理增益提高水聲通信的作用距離。提出了基于混沌正交組合序列的M元碼分多址水聲通信方法,在保證多址能力以及通信穩(wěn)健性的基礎上,提高了擴頻系統(tǒng)的通信速率。基于高分辨率、強干擾抑制波束形成方法,探索了基于陣列的空分多址的多用戶水聲通信。另外,采用垂直陣列的形式在垂直方向進行波束形成,利用空間濾波的思路進行多途信道的抑制,嘗試簡化水聲通信接收端解調(diào)與信道均衡的復雜度,完成應用基礎研究。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U674.76;U666.7
【圖文】：

第 1 章 緒論岸基聲納第二次世界大戰(zhàn)期間，美國海軍為了應對納粹德國的潛水艇襲擊給美國艦損失，開始研制水下被動監(jiān)聽系統(tǒng)(Sound Surveillance System ,SOSUS)來偵和艦只[79-81]。經(jīng)過長時間研制，SOSUS 系統(tǒng)的真正應用已到了冷戰(zhàn)時期該系統(tǒng)的最初意圖是跟蹤蘇聯(lián)潛艇，這些潛艇必須穿過缺口才能進一步攻。第一套“SOSUS”便布放于格陵蘭、英格蘭和冰島間的海上區(qū)域，其被稱為格陵蘭島、冰島和英國，這三個地區(qū)名字的縮寫。這也是前蘇聯(lián)潛艇進入之路。

衡器需要設置其濾波器抽頭系數(shù)場景，信道多途擴展較大且具有雜度等都收到影響，如何利用垂穩(wěn)健性至關重要。論文將結合矢矢量陣聲納面臨亟需解決的問題的基礎上，提出了幾種算法去解水聲工程中的應用為基礎，岸基在的問題展開相關研究工作。岸位探測，同時要完成被動通訊、信號處理流程為線索，重點關注應用展開分析。

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本文編號：2728576