潜艇可在水下执行各类复杂任务,是公认的战略性武器,其辐射噪声是评估潜艇声隐身性能的重要途径,是水下作战的重要问题。近年来,随着减振降噪技术的不断发展,潜艇辐射噪声级逐渐降低,甚至已接近海洋背景噪声,给水下目标辐射噪声测量技术带来了严峻考验,如何实现潜艇宽带辐射噪声的精确测量与分析是迫切需要解决的问题。矢量水听器可同时拾取声场中的声压和振速信息,具有与频率无关的接收指向性和较强的噪声抑制能力,可有效提高水下目标辐射噪声测量性能。锥形体积阵相比常用的线阵、面阵以及圆柱体积阵等测量阵,不仅可同时提供水平和垂直方向波束图,还能根据其不同孔径子阵实现更宽频带范围的宽带辐射噪声测量。因此,开展基于矢量锥形阵水下目标辐射噪声测量具有重要意义,成为近年来研究学者的关注热点,存在许多问题需要解决。一方面,潜艇辐射噪声是由连续谱和线谱组成,而阵列的指向性是随频率变换的函数,在测量阵列确定的情况下,其波束宽度随着频率的降低而变宽,导致潜艇辐射噪声测量结果发生频率畸变,因此研究锥形测量阵宽带恒定束宽波束形成技术以实现宽带辐射噪声测量具有重要意义;而且在辐射噪声测量中,锥形测量阵需要在测量带宽内满足指定恒定束宽波束的主瓣宽度,主瓣过窄或过宽均不能满足测量需求。另一方面,潜艇在高速行驶等情况下,其辐射噪声频率范围将向低频段发展,为了满足测量所需增益和恒定束宽波束宽度,阵列孔径势必较大,但大孔径阵列会导致阵列布放、回收困难,如何在不改变测量阵尺寸的条件下实现低频宽带辐射噪声测量是当下潜艇辐射噪声测量中另一亟需解决的问题。围绕上述问题,本文开展了基于矢量锥形噪声测量阵及低频扩展技术的恒定束宽波束形成方法研究。主要内容包括以下几个方面:1、提出了基于矢量双锥阵的恒定束宽波束形成方法。该方法首先建立了阵元域矢量双锥型阵列模型,引入矢量水听器构建矢量双锥阵,提高了双锥测量阵的噪声抑制能力。通过恒定束宽波束形成技术,计算不同子阵频率加权系数,实现双锥型阵列恒定束宽波束形成,解决了双锥型辐射噪声测量阵恒定束宽波束问题。为降低俯仰角方向波束主瓣宽度和提高测量阵空间增益,提出了模态域双锥型阵列恒定束宽波束形成方法,该方首先在垂直方向增加圆阵层数,构建模态域双锥型阵列模型,再将双锥阵进行模式空间变换成虚拟平面阵,并划分成高、低频子阵,从而对子阵进行频率加权来获得恒定束宽波束图,解决了俯仰角波束空间增益低的问题。为进一步提高双锥阵型阵列恒定束宽波束形成方法的辐射噪声测量性能,提出优化双锥阵恒定束宽波束形成方法,该方法根据连续阵列波束方程推导出最佳阵元位置并计算波束加权系数,解决了模式空间转化中子阵的高频混叠问题,进一步提高了双锥测量阵空间增益。最后对不同双锥型阵列恒定束宽波束性能进行了仿真研究,验证了所提方法的有效性。2、提出了“复耳”恒定束宽低频扩展波束形成方法。该方法首先研究了奥米亚棕蝇听觉系统的响应特性,建立仿生听觉系统模型和运动方程,给出了线阵、圆阵的复耳束形成矩阵,实现了线阵与圆阵的复耳波束形成。为了在不改变测量阵尺寸的条件下,解决低频宽带辐射噪声测量的问题,提出了复耳恒定束宽低频扩展波束形成方法。该方法结合阵元域和模态域双锥型阵列模型特点,构建双锥阵水平和垂直方向复耳波束形成矩阵以降低低频宽带波束的主瓣宽度,再引入恒定束宽波束形成方法计算频率加权系数,获得窄主瓣、低旁瓣的恒定束宽波束。其次,进行了复耳恒定束宽波束主瓣与复耳参数的研究,给出了波束主瓣宽度与复耳参数的变化曲线。所提方法提高了双锥测量阵在低频宽带的恒定束宽波束空间增益和辐射噪声的测量能力,根据选取参数得到实际辐射噪声测量所需的波束主瓣宽度。仿真结果表明与传统恒定束宽波束形成方法相比,复耳恒定束宽低频扩展波束形成方法在不改变测量阵尺寸的条件下,以较高的空降增益、合适的恒定束宽波束宽度扩宽了低频辐射噪声测量频段,而且复耳的矢量锥阵相比复耳的声压锥阵具有更低的旁瓣、更高的空间增益以及更高的低频辐射噪声测量性能。3、开展了噪声测量锥形矢量阵成阵及恒定束宽波束形成试验研究。设计了双锥型矢量组合阵、双锥型麦克风阵列的测试系统,并根据本文研究内容,开展了双锥型矢量组合阵和双锥型麦克风阵列恒定束宽波束形成、线阵圆阵复耳波束形成以及双锥型阵列复耳恒定束宽波束形成试验研究,试验结果与仿真基本一致,验证了本文所提算法的有效性和可行性,为自由场环境下潜艇辐射噪声测量的工程应用提供了一定的试验基础和指导。