[发明专利]一种鱼雷自导波束锐化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有效提高鱼雷目标方位分辨能力的鱼雷自导波束锐化方法，属鱼雷声自导技术领域，适用于鱼雷自导目标精确定向、多目标分辨以及目标精细特征识别等。

背景技术

随着现代海战水下声对抗技术的快速发展，鱼雷的作战环境日益复杂，一方面，鱼雷声自导系统的工作扇面内可能同时出现多个目标或诱饵，使鱼雷自导面临多目标环境。另一方面，鱼雷通常不仅需要识别目标真假，而且需要提取大尺度目标不同部位声反射的多亮点特征，有效分辨目标不同部位的亮点，分析各亮点空间分布结构，实现精确目标识别。因此，鱼雷需要能够有效分辨同一海区分布于不同空间方位的多个目标或者同一目标体上分布于不同空间方位的多个声反射亮点，这种情况下，就要求鱼雷自导系统必须具有很高的多目标空间方位分辨能力。

鱼雷自导和声纳系统通常利用声基阵接收声信号并形成波束从而有效获取目标空间方位信息，波束宽度是影响目标方位估计精度的重要因素。一般地，对于位于不同方向波束的目标，可以根据波束方向确定目标方位，但对于位于同一波束内的不同目标，很难进行有效区分和精确定向。因此，鱼雷自导系统对空间多个目标或目标亮点的有效分辨与方位估计性能很大程度上直接取决于声基阵波束的尖锐程度。然而，鱼雷物理尺寸有限，波束特性极大受制于声基阵物理孔径和工作频率的影响。在工作频率一定的条件下，阵列波束宽度受到阵列的物理孔径限，常称“瑞利(Rayleigh)限”的限制，空间方位分辨能力有限。

文献“王永良，陈辉，彭应宁，万群.空间谱估计理论与算法.清华大学出版社,2004,82～211”介绍了阵列信号处理的高分辨空间谱估计方法，包括子空间分解类算法和子空间拟合类算法等。其中，子空间分解类算法可分为以MUSIC为代表的噪声子空间类算法和以旋转不变子空间(ESPRIT)为代表的信号子空间类算法，其通过对阵列接收数据的数学分解(如特征分解、奇异值分解、QR分解等)，将接收数据划分为两个相互正交的子空间，即与信号源的阵列流型空间一致的信号子空间和与其正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交特性构造出尖锐的空间谱峰，实现方位估计，提高估计精度。子空间拟合类算法包括信号子空间拟合和噪声子空间拟合，其相当于接收数据的子空间与实际信号导向矢量组成子空间之间的拟合，都可以归结为多维参数的优化问题。与子空间分解类算法相比，子空间拟合类算法估计性能更好，而且对相干源也能有效估计，但运算量更大。总之，这些高分辨空间谱估计方法主要利用声基阵各阵元接收信号数据协方差矩阵的信号和噪声子空间特性，通过复杂的矩阵运算求解空间声源的入射方向，其特点是在一定的基阵物理孔径条件下，可以获得突破“瑞利限”的空间方位分辨力，因此，这些方法是有效提高声基阵对空间不同方位目标分辨能力的重要途径之一。但是，这些方法要求的信号干扰比高，运算复杂，对信号源数目、相关性等比较敏感，信号源数目未知或信源相关性强都可能极大影响这些方法进行不同目标分辨的有效性，因此，在实际工程应用中的稳健性不理想。同时，这些方法计算量很大，难以满足鱼雷对目标信号的实时处理要求，在鱼雷自导实际工程应用中受到极大限制。

文献“申请号为6021096的美国发明专利Schlieter H,Eigenbrod H.Method for the formation of radiated beams in direction finder systems.2000,2”公开了一种超波束(Hyper beam)锐化方法。该方法将声基阵分为左、右半阵，并利用左、右半基阵分别形成空间相同主轴方向的左、右分裂波束，通过左、右分裂波束信号和与差的非线性运算，形成空间与分裂波束相同主轴方向的新型超波束，并可通过调节超波束计算中的非线性因子实现对超波束形状主要指标的调节和控制。因此，该方法特点是通过声基阵左、右半阵分裂波束信号的非线性运算处理实现波束锐化，与传统的常规波束形成方法相比，其可以有效锐化波束主瓣，同时可大大降低波束旁瓣，提高目标方位分辨能力。但是，该方法仅适用于单目标环境，对于多目标环境，其波束锐化与目标方位分辨能力不具明显优势。也就是说，对于只存在一个目标的情况，该方法可以在目标所在方向形成尖锐的波束，精确指示目标的空间方位；但对于同时存在两个或多个目标的情况，该方法难以分辨各个目标的空间方位。

发明内容