小尺寸矢量阵低频校准方法研究

摘要

潜艇安静化发展势头迅速，迫使声呐基阵在工作频段、作用距离、抗干扰能力等方面寻求突破。传统声呐基阵通常按照半波长布阵原则设计，其阵列孔径与角度分辨力之间相互制约，用于低频工作的声呐阵列动辄数百米上千米，使用不便，制作与维护成本也大幅提高。矢量传感器能够在空间单点处获得与频率无关的指向性增益，方便向低频段扩展以提升作用距离。然而目前在绝大多数的声矢量阵设计中，只是将传统的声压阵作了简单扩展，所得波束性能仍然受制于阵列孔径，未能充分发挥矢量传感器在低频段的性能优势。
　　为了解决声呐基阵低频远距离探测性能与阵列孔径之间的矛盾，本文提出了一种小尺寸矢量阵的设计方法，并针对其实现过程中的关键技术进行了重点研究。文章从多极子理论出发，利用差分原理设计小尺寸矢量阵，因而能利用很小的空间尺寸，获得与频率无关的高阶波束，在充分发挥矢量传感器性能的同时解决阵列孔径对基阵性能的限制。小尺寸基阵性能优异但实现困难。当基阵安装在工作平台或载体上时，基阵周边的这些结构体将作为声散射体对接收信号产生畸变，导致算法失效;同时，小尺寸基阵对阵列误差敏感，基阵性能受基元不一致性影响严重，且在有限空间低频校准又有其特殊困难。针对这些关键问题，本文提出了小尺寸矢量阵系统的低频校准方法，保证了小尺寸基阵性能的充分发挥。所研究成果突破了其工程实现难点，并为本类型基阵在水声领域的实际应用提供了成功案例。具体研究内容分为如下几个部分:
　　(1)小尺寸基阵布阵理论与性能分析的研究
　　根据多极子布阵理论，建立了基于多极子概念的小尺寸矢量阵波束形成算法，推导了各多极子组合方式的加权系数表达式。矢量传感器的应用，可以从而理论上减小高阶运算误差;或者以相同个数的矢量基元构建更高阶的多极子形式。通过对波束图、阵列增益和阵列稳健性的建模与仿真分析，探讨了基阵参数的选取原则，给出了合适的参数选取范围。所设计基阵的基元之间排列紧密，因此能够在获得与传统阵列相同指向性增益的同时节省90％以上的阵列尺寸，突破了阵列孔径与基阵性能之间的限制。
　　为了评估典型环境下的基阵性能，采用简正波模型对阵列信号进行模拟，并由此分析了浅海波导引起的声信号畸变特征。结果表明，由于基阵尺寸很小，各基元受波导影响情况基本相同，因而对成阵技术影响很小，即本文所设计基阵具有很高的环境适应性，同时，可将所研究基阵看做一个整体进行系统分析。为了分析阵列误差对基阵性能的影响，建模了幅相误差下的多极子波束形成算法，分析了幅度和相位误差量对波束图的可能影响，并为后期的基阵校准精度提供参考。
　　(2)结构体散射影响下的低频声场建模与相应的基阵系统校准方法
　　结构体形状不同，引起的声场畸变特性也不相同。文中针对典型的声呐平台结构进行分析，分别讨论了球壳形、圆板形和两者共同作用时的声场畸变特征。针对具有解析解的球壳形结构，利用分离变量法对其周围声场进行建模;针对薄圆板，利用Kirchhoff积分公式进行散射场的近似求解;而针对球壳形散射体和薄圆板共同存在的情况，则利用有限元方法进行数值计算。结果表明，在低频小掠射角情况下，不同柱对称结构体造成的声场畸变具有相同特征，并由此建模了任意柱对称散射体周围的接收矢量场模型，解决了复杂结构体周围散射场的表征问题。
　　利用最优拟合的思想，通过基阵实际波束输出与期望波束输出间的合理拟合，提出了散射体周围小尺寸矢量阵的波束形成算法。过程中针对矢量通道信号的特征进行了算法可行性讨论。最后提出利用测量与校准相结合的形式，将小尺寸基阵看作一个高阶传感器，并将其输出的高阶指向性图和指向性增益作为校准依据。由此，可实现小尺寸基阵的整体校准工作。算法分析和实验结果表明，所提方法不但能解决平台下小尺寸矢量阵的应用问题，还能提升基阵的稳健性能。
　　(3)水池等有限空间环境下的小尺寸基阵低频校准算法。
　　大多情况下，基阵校准需要在不具备远场条件的室内水池环境中进行。文中考虑到有限空间测量条件的限制，提出了水池空间中的基阵低频校准方法。引入暂态段信号测试技术，从传感器物理机理出发建模了暂态段信号的特征，并分析了可行性，突破了水池的低频工作下限。而为了补偿暂态近场校准中基元的偏心旋转效应，重新建模了水池中的理论阵列流形矢量，指出了其与常规阵列流形间的本质区别。最后提出了水池环境下基元不一致性误差的校准方法，在充分考虑小尺寸矢量阵特点的同时克服了测试空间的影响，使水池条件下的基阵低频校准问题成为可能。
　　(4)进行了成品系统的外场实验验证工作
　　利用所制作的五元小尺寸矢量阵进行了功能验证实验，分别从目标检测、定向，以及阵处理增益几个方面进行展示，以说明文中所提波束形成算法及低频校准技术的有效性。试验结果表明所设计的小尺寸基阵利用孔径不大于1m的小型基阵，稳定实现水下低频远距离目标的探测与定向，突破了水声领域低频声探测的瑞利限，为声呐基阵设计提供了新思路。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1立题背景与意义

1．2小尺寸基阵布阵理论国内外研究现状

1．2．1声压传感器为基元的小尺寸基阵

1．2．2矢量传感器为基元的小尺寸基阵

1．3小尺寸矢量阵低频校准方法研究现状

1．3．1基阵固有误差的校准方法

1．3．2结构体散射效应的修正方法

1．4论文主要研究内容

第2章小尺寸矢量阵多极子波束形成技术

2．1引言

2．2多极子布阵理论及其波束形成算法

2．2．1信号模型与多极子布阵理论

2．2．2多极子波束形成算法

2．3算法性能分析

2．3．1差分近似与波束图分析

2．3．2多极子及基阵处理增益分析

2．3．3算法稳健性分析

2．4浅海波导适用性分析

2．5误差模型下的算法讨论

2．5．1幅相误差对声压通道组合波束的影响

2．5．2幅相误差对矢量通道组合波束的影响

2．5．3算法的信干比需求

2．6本章小结

第3章小尺寸矢量阵系统校准方法

3．1引言

3．2散射体周围的声场低频特性研究

3．2．1球形壳体周围的散射场模型

3．2．2薄圆板周围的散射场模型

3．2．3任意柱对称散射体周围的散射场模型

3．3散射体影响下的小尺寸矢量阵波束形成技术

3．3．1无散射时基阵波束形成算法

3．3．2散射体影响下的矢量阵波束形成算法

3．3．3算法仿真

3．4小尺寸矢量阵系统校准方法

3．4．1小尺寸矢量阵低频测量与校准

3．4．2小尺寸矢量阵系统校准仿真分析

3．5系统校准方法性能分析

3．5．1指向性指数分析

3．5．2算法稳健性分析

3．6系统校准方法实验验证

3．7本章小结

第4章小尺寸矢量阵水池低频校准方法

4．1引言

4．2远场条件

4．3水池低频测量技术

4．3．1暂态段信号建模

4．3．2暂态段信号特性分析

4．4小尺寸矢量阵水池校准方法

4．4．1基阵接收信号模型

4．4．2小尺寸矢量阵水池校准方法

4．5水池校准模型合理性分析

4．5．1模型假设分析

4．5．2模型特征对比

4．6实测结果分析

4．7本章小结

第5章基阵功能验证实验

5．1实验概况

5．2信号检测

5．3空间谱估计与目标定向

5．3．1定向算法

5．3．2空间谱与方位估计结果

5．4阵增益分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢