基于非圆信号的UUV舷侧阵水下目标探测技术研究

Combined with the application of Unmanned Underwater Vehicle (UUV) flank array and with the signal integration of targets detection and communication, we will focus on the underwater target detection based on the non-circular signal to improve the performance of underwater target detection. By exploiting the non-circular property, the optimal design methods of transmitted waveform for underwater targets active detection will be proposed in this project and the methods of UUV flank array underwater target detection for the non-circular signal will be given. Also, the theory of Multiple-Input Multiple-Out (MIMO) array will be studied. The non-circular techniques will be proposed for DOA estimation by UUV flank MIMO array. Finally, the water tank and lake experiments will be conducted to evaluate the performance of these proposed methods. The achievements of this project can improve the performance of underwater targets detection for UUV flank array. All these achievements not only be used in acoustic homing system and sonar system, but also be extended for radar, navigation, and other related fields.

本项目密切结合无人水下航行器（UUV）舷侧阵对水下目标协同探测的迫切需求，及水下目标探测与通信一体化的应用背景，深入研究基于非圆信号的UUV舷侧阵水下目标探测技术，以提高UUV舷侧阵对水下目标的检测概率和参数估计分辨率等性能。研究非圆信号的非圆特性，提出UUV舷侧阵水下目标主动探测的发射波形优化设计方法，并提出基于非圆信号的UUV舷侧阵水下目标检测方法和参数估计方法；同时，结合多输入多输出（MIMO）阵列处理理论，提出基于非圆信号的UUV舷侧MIMO阵列高分辨率方位估计方法；最后通过仿真和实验验证相关方法的有效性，并根据实验结果完善和改进所提出的方法。本项目研究成果可有效提高UUV舷侧阵的目标探测能力，可广泛应用于声纳、声自导系统、水下网络、雷达、导航等相关领域。

结合UUV舷侧阵对水下目标协同探测的迫切需求，紧密围绕分布式水声网络定位与探测基础研究国家自然基金重点项目群，开展了基于非圆信号的UUV舷侧水下目标探测技术研究，顺利完成了计划的相关内容，包括：（1）针对宽带信号发射波束设计问题，在发射能量约束条件下提出了常规最小二乘波束图匹配方法。（2）针对非圆信号的特性，提出了提出了基于非圆信号的波束域Root-MUSIC方法。既可以避免常规域方法使用空间平滑所带来的阵列孔径损失，又可以在低快拍数下获得更好的方位估计性能。（3） 研究了非圆信号的特性，结合UUV舷侧MIMO阵列，提出了基于非圆信号的MIMO MUSIC目标方位估计算法。该算法在低快拍数下具有较好的目标方位估计能力。（4）研究了稀疏信号重构算法，针对UUV舷侧MIMO阵列，提出了一种基于稀疏信号重构的目标方位估计方法。仿真结果表明该方法的方位估计性能优于传统的方位估计方法。相关研究成果将有效提高UUV舷侧阵探测系统的目标探测能力，能满足提高我国水下目标探测能力的迫切需求，为水下目标探测与通信一体化技术，UUV协同探测奠定良好的基础。