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低空目标声测无源定向理论与算法研究
作 者: 陈华伟
导 师: 赵俊渭
学 校: 西北工业大学
专 业: 水声工程
关键词: 声测无源定向 低空目标 时延估计 小尺寸基阵 矢量传感器 宽带阵列处理 波束形成 二维波达方向估计
分类号: V248.1
类 型: 博士论文
年 份: 2004年
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内容摘要
由于武装直升机等低空目标位于雷达探测的盲区活动,近年来采用声学探测方法受到了重视。低空目标无源定向是低空目标无源声探测系统研究中的一项关键技术。本文根据低空目标无源声定向的研究现状、存在的主要问题,对目前该领域的研究方法进行改进和完善的同时,在低空目标声测无源定向的新理论和新算法方面进行了深入研究。主要研究内容与成果如下: 1.研究了目标声源和声场特性。分析了低空目标声源的产生机理、目标辐射噪声在大气中的传播特性以及影响其传播的几个主要因素。对实测的直升机辐射噪声数据进行了分析,获得了目标辐射噪声谱特性。 2.研究了基于时延估计的低空目标声测无源定位理论与算法。针对广泛采用的平面四元十字阵定位方法存在的固有缺点,提出了基于五元十字阵的低空目标声测无源定位算法。推导了五元十字阵目标定位方程,分析了影响五元十字阵目标定位精度的主要因素,研究了时延估计误差、有效声速误差以及阵尺寸测量误差等对目标定位精度的影响,并分别进行了理论分析和数值计算。 3.结合低空目标无源声定向问题,主要研究了基于频域自适应滤波的时延估计算法和基于双谱的时延估计算法。(1) 分析了频域自适应时延估计算法的性能,推导了算法收敛的条件,揭示了算法达到稳态解时的本质。(2) 提出了基于维纳加权的频域自适应时延估计算法,对算法的性能进行了理论分析。为改善低信噪比时的时延估计性能,提出了一种改进算法性能的方法。采用实测的直升机辐射噪声数据进行了仿真,分别在静态时延和动态时延情况下验证了算法的有效性。(3) 研究了基于双谱的时延估计算法,提出了基于双谱切片的最小二乘时延估计算法。实测直升机辐射噪声数据的仿真表明,对于不相关和相关高斯噪声背景,该方法的性能均优于基于双谱的时延估计算法,并且计算复杂度也小于基于双谱的时延估计算法。 4.首次深入研究了基于压差式矢量传感器的低空目标声测无源定向理论与算法,为小尺寸基阵和低频条件下实现对低空目标的精确定向提供了一种新的技术途径。(1) 提出了基于二维压差式矢量传感器的低空目标声测无源定向算法。给出了算法的工程实现途径,从理论上分析了声场计算误差、通道幅度和相位不一致性等因素对算法性能的影响。采用实测的直升机辐射噪声数据对算
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全文目录
摘要 3-5 Abstract 5-11 第一章 绪论 11-22 1.1 研究背景及意义 11-12 1.2 研究历史及现状 12-19 1.2.1 水声无源定位技术发展概述 13-15 1.2.2 低空目标声测无源定位技术研究现状 15-19 1.3 本文主要研究内容 19-22 第二章 目标噪声源与声场 22-31 2.1 引言 22 2.2 目标噪声源 22-24 2.2.1 直升机噪声源 22-23 2.2.2 坦克噪声源 23-24 2.3 目标噪声传播特性 24-27 2.3.1 目标声场分布 24 2.3.2 传播衰减 24-25 2.3.3 多普勒效应 25 2.3.4 声场环境对目标噪声传播的影响 25-27 2.4 目标辐射噪声分析 27-30 2.4.1 目标噪声特性 27 2.4.2 实测目标噪声谱分析 27-30 2.5 本章小结 30-31 第三章 基于时延估计的低空目标声测无源定位算法研究 31-42 3.1 引言 31 3.2 平面五元十字阵目标定位算法 31-33 3.3 目标定位精度分析 33-41 3.3.1 时延估计误差对目标定位精度的影响 33-39 3.3.2 有效声速误差对目标定位精度的影响 39-40 3.3.3 阵尺寸测量误差对目标定位精度的影响 40-41 3.4 本章小结 41-42 第四章 声测无源定位中的时延估计算法研究 42-61 4.1 引言 42-43 4.2 时延估计算法概述 43-45 4.2.1 广义相关时延估计算法 43-44 4.2.2 相位数据时延估计算法 44 4.2.3 基于自适应滤波的时延估计算法 44-45 4.2.4 基于高阶统计量的时延估计算法 45 4.3 基于维纳加权的频域自适应时延估计算法研究 45-55 4.3.1 频域自适应时延估计算法 45-48 4.3.2 基于维纳加权的频域自适应时延估计算法及其改进 48-51 4.3.3 仿真实验与分析 51-55 4.4 基于高阶谱的时延估计算法研究 55-60 4.4.1 基于双谱的时延估计算法 56-57 4.4.2 基于双谱切片的最小二乘时延估计算法 57-58 4.4.3 仿真实验与分析 58-60 4.5 本章小结 60-61 第五章 基于矢量传感器的低空目标声测无源定向算法研究 61-87 5.1 引言 61-62 5.2 基于二维压差式矢量传感器的低空目标无源声定向算法研究 62-74 5.2.1 目标声场振速与声压之间的关系 62 5.2.2 二维压差式矢量传感器目标定向原理 62-65 5.2.3 声场计算误差对目标定向性能的影响 65-67 5.2.4 通道相位幅度不一致性对目标定向性能的影响 67-70 5.2.5 数值计算与分析 70-73 5.2.6 与基于时延估计的无源声定向算法的性能比较 73-74 5.3 基于矢量传感器复声强测量的低空目标二维波达方向估计 74-85 5.3.1 算法原理 74-75 5.3.2 基于三维压差式矢量传感器的低空目标二维DOA估计 75-78 5.3.3 声场计算误差对目标二维DOA估计性能的影响 78-81 5.3.4 数值计算与分析 81-84 5.3.5 通道相位幅度不一致性对算法性能的影响 84-85 5.3.6 与基于时延估计的无源声定向算法的性能比较 85 5.4 本章小结 85-87 第六章 基于声矢量传感器阵的宽带无源定向算法研究 87-114 6.1 引言 87-88 6.2 声矢量传感器阵的宽带阵列信号模型 88-90 6.2.1 单声矢量传感器的信号模型 88-89 6.2.2 声矢量传感器阵的宽带阵列信号模型 89-90 6.3 声矢量传感器阵宽带相干信号子空间最优波束形成 90-105 6.3.1 声矢量传感器阵宽带聚焦 90-94 6.3.2 声矢量传感器阵宽带最优波束形成算法 94-96 6.3.3 仿真实验与分析 96-102 6.3.4 阵列误差对算法性能的影响 102-105 6.4 基于声矢量传感器阵的宽带相干源二维DOA估计 105-112 6.4.1 声矢量传感器阵的阵列信号模型分解 105-106 6.4.2 声矢量传感器阵宽带相干源二维DOA估计算法 106-109 6.4.3 仿真实验与分析 109-112 6.5 本章小结 112-114 第七章 全文总结 114-118 7.1 全文工作总结 114-116 7.2 对今后工作的展望 116-118 附录A 通道相位不一致性引入的矢量传感器声强测量误差 118-120 附录B 通道幅度不一致性引入的矢量传感器声强测量误差 120-122 附录C 三维压差式矢量传感器的复声强测量误差 122-124 参考文献 124-134 致谢 134-135 攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励 135-138 西北工业大学学位论文知识产权声明书 138 西北工业大学学位论文原创性声明 138
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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 科学探测设备与仪器 > 探测设备与仪器
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