水平阵无探测源时反处理混响抑制研究

在浅海环境中，主动声纳系统的性能严重受制于海底海面混响。时反处理可以有效提高信混比，但是目前绝大多数的研究均针对垂直线列阵。本项目以采用水平阵的主动声纳为背景，研究水平阵时反处理的信号聚焦和混响抑制的机理，通过建立水平阵时反声场的特性，揭示不同深度水平阵时反处理性能差异的本质，并据此补偿不同深度时反聚焦的性能损失。在此基础上深入研究迭代时反处理方法和时反算子分解算法，分析水平阵时反处理在浅海波导中的目标检测和回波信混比增强能力，提出无需探测声源的水平阵时反处理方法，开展海上实验验证并针对水声环境的小幅度变化进行稳健性处理研究，提高浅海环境中采用水平阵的主动声纳混响抑制能力，为无探测源水平阵时反处理在主动声纳系统的目标检测和信混比增强中的应用提供理论和技术支撑，以有效提升主动声纳系统的探测能力。

本项目以采用水平阵的主动声纳为应用背景，研究水平阵时反处理的信号聚焦和混响抑制的机理，提出了无需探测声源的水平阵时反处理方法，提高浅海环境中采用水平阵的主动声纳混响抑制能力。主要研究成果包括：（1）基于射线简正波理论提出了水平阵接收海底混响仿真方法，实现了对水平阵各阵元上混响波形的仿真。仿真结果与混响统计特性理论描述以及浅海实验观察到的混响特性相符，从而验证了所建模型的正确性以及仿真方法的有效性。（2）研究了浅海波导中水平时反线列阵的结构对其时反聚焦性能的影响。从对传播模态采样的角度出发，分析了水平线列阵的结构，主要包括基阵孔径、阵元间距和阵元数目对其时反聚焦性能的影响，并提出了可获得最佳时反聚焦性能的水平线列阵结构设计方法。（3）研究了浅海波导中水平时反线列阵的布放深度选择问题，给出了水平时反线列阵的最佳布放深度。对于实际应用中探测声源深度未知的情况，布放在海底附近的水平线列阵时反处理后在探测声源附近形成的聚焦声场的效果优于布放在其它深度上的水平线。通过简正波模型解释了以上结论的物理机制。（4）研究了水平阵接收的低频信号的模态结构，并在此基础上提出了基于水平阵模态分解的低频水声信号盲解卷处理方法，为进行混响背景中信号分离奠定了基础。（5）研究了利用水平时反线列阵在多个散射体情况下实现声能的选择性聚焦问题。提出了水平阵时反算子分解实现选择性聚焦方法。针对目标散射强度大于、等于和小于相应距离上海底散射体散射强度三种情况，通过分析水平线列阵时反算子分解产生的信号子空间结构给出了相应的水平线列阵激励权向量以实现声能的选择性聚焦。（6） 研究了浅海波导中无探测源水平线列阵时反混响抑制技术。分析了主动和被动混响置零方法及其改进方法在实际使用中存在的局限性，在被动时反混响置零方法及其改进方法的基础上提出了一种基于前后向平均的水平线列阵被动时反混响抑制增强信混比方法。该方法利用海底混响的短时平稳性，通过当前处理时刻前一时刻和后一时刻的混响子空间的平均估计当前处理时刻的混响子空间，克服了被动时反混响抑制方法在存在目标的情况下可能同时抑制海底混响和目标回波的局限性。海上实验验证了时反混响抑制方法的有效性。