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单矢量水听器线谱探测关键技术研究

摘要

随着矢量水听器研究的发展和小尺度水面无人平台的兴起，基于单矢量水听器的

被动线谱探测技术得到相关领域学者的普遍关注。单矢量水听器具有无需成阵即可完

成方位估计、指向性不随信号频率变化和小尺度便携等特性，适用于小尺度无人平

台，是未来海洋装备的重要组成部分。随着舰船降噪技术的不断升级，舰船辐射噪声

中线谱分量的信噪比逐年减少，这使得传统基于高信噪比的线谱探测方法的性能严重

下降。本文将围绕矢量水听器的声压通道和两个振速通道的幅相特性预校准、线谱检

测和方位估计方向展开研究，并针对性地提出解决方案。

针对矢量水听器通道幅度特性不一致的问题，本文基于三通道功率一致性校准了

其幅度特性系数，利用预实验在纯噪声环境下测得矢量水听器振速通道的平均功率，

利用该功率完成振速通道的幅度特性系数校准。然后将该矢量水听器置于有源声场

中，利用振速平均功率与声压平均功率一致的特性完成声压通道的幅度特性系数校

准。针对矢量水听器通道相位特性不一致的问题，本文基于特征分解完成对三通道相

位的校准，通过推导发现利用特征分解可以得到相位误差矩阵的估计值，从而完成对

三通道相位的校准。通过仿真实验，验证了通道校准前后对方位估计结果的影响。

针对低信噪比线谱检测问题，本文提出了基于单矢量水听器的交叉功率谱方法，

该方法基于声压振速通道联合处理的增益和线谱的相关性有效抑制了背景噪声。为防

止背景噪声不满足高斯分布导致常规自适应线谱增强方法迭代发散，本文提出了基于

最大相关熵准则的自适应线谱增强方法，该方法利用高斯核函数抑制异常值防止迭代

发散。通过仿真实验验证了两种信噪比增强方法的信噪比增强性能和可靠性，利用湖

试数据验证了两种方法的信噪比增强性能，同时比较了二者在不同场景下的特点。

矢量水听器声压和振速通道接收信号的高阶矩中含有额外声场信息，本文提出了

一种基于单矢量水听器的高精度方位估计方法，通过利用新增的额外声场信息提高单

矢量水听器方位估计的性能。该方法利用高阶矩中的额外信息实现了单矢量水听器等

效阵元数的扩展，将高阶矩引入解卷积最小方差无失真响应方位估计方法中得到高精

度的方位估计方法。通过仿真实验验证了本文所提方位估计方法的方位估计精度和可

靠性，利用湖试数据验证了该方法的方位估计性能。

关键词：单矢量水听器；被动声纳；低信噪比；线谱探测；通道校准

单矢量水听器线谱探测关键技术研究

ABSTRACT

Withthedevelopmentofvectorhydrophoneresearchandtheriseofsmall-scaleunmanned

watersurfaceplatforms,passivelinespectrumdetectiontechnologybasedonsinglevector

hydrophoneshasreceivedwidespreadattentionfromscholarsinrelatedfields.Single-vector

hydrophoneshavethecharacteristicsofbeingabletocompleteazimuthestimationwithout

forminganarray,havingdirectivitythatdoesnotchangewithsignalfrequency,andbeing

small-scaleandportable.Theyaresuitableforsmall-scaleunmannedplatformsandarean

importantpartoffuturemarineequipment.Withthecontinuousupgradingofshipnoise

reductiontechnology,thesignal-to-noiseratioofth