线谱是水下航行器辐射噪声谱的重要组成部分,其强度远高于宽带连续谱,是被水声设备探测和识别的关键。而由水下线谱辐射噪声源与接收水听器之间相对运动形成的多普勒特征,隐含着水下运动声源的参数信息。本文对水声信号的多普勒特征分析及其参数估计方法进行了深入研究。在此基础上,重点研究了基于多普勒特征的水下航行器低频线谱噪声源定位识别和水下运动目标被动测速测距技术。本论文具体研究内容及创新点包括:1.研究了单水听器识别水下航行器低频线谱噪声源位置的方法。针对现有单水听器通过特性法识别水下航行器低频线谱噪声源位置精度不高的问题,提出了基于多普勒频移特征分析的水下低频线谱噪声源定位识别方法。首先,结合Chirp-Z变换,给出了基于多项式调频变换的瞬时频率估计的窄带细化算法,快速精确地提取出水听器接收信号的多普勒频移特征;其次,通过交点法或最小二乘法进行正横时刻估计;最后,参考已知声源获得低频线谱噪声源在水下运动航行器表面的辐射位置。仿真分析和海上试验验证了多普勒频移特征分析定位识别方法的有效性。2.针对单水听器多普勒频移特征分析法识别水下航行器低频线谱噪声源位置需要先验参数的问题,提出了基于多普勒频移变化率特征分析的水下低频线谱噪声源定位识别方法。推导发现接收信号的多普勒频移变化率在正横时刻处具有极小值。通过基于多项式调频变换的迭代算法估计多普勒信号的等效高阶多项式相位信号的系数,继而获得多普勒频移变化率后估计出正横时刻,再参考已知声源可知低频线谱噪声源在水下航行器表面的位置。此外,还提出了一种新的时频分析方法-L相位分布,并给出了其基于S-Method的快速实现算法,可直接获得多普勒频移变化率特征,进而实现对水下低频线谱噪声源的定位识别。仿真分析和海上试验验证了多普勒频移变化率特征分析定位识别方法的有效性。3.研究了圆环阵识别水下航行器低频线谱噪声源位置的方法。针对单水听器定位方法不能识别频率相同或相近线谱噪声源位置的问题,提出了阵列处理与时频分析相结合的波束域时频分析定位识别方法。首先,利用小孔径圆环阵的超指向性波束形成,将各低频线谱噪声源匀速通过正横位置附近时产生的多普勒信号在时域上分离。其次,分别使用窄带细化的伪Wigner-Ville分布和Chirplet变换两种时频分析方法对波束输出的近似线性调频信号进行处理,得到各噪声源信号的时频图像。最后,转换时间坐标到空间并参考已知声源,即可识别低频线谱噪声源在水下航行器表面的辐射位置。该方法联合利用了空时频三维信息,可以有效地解决聚焦波束形成法识别水下低频线谱噪声源时孔径受限的问题。数值仿真验证了波束域时频分析定位识别方法的有效性。4.研究了单水听器对水下运动目标测速测距的方法。针对经典的窄带被动测速测距方法的两个基本步骤,提出了一种改进的水下运动目标测速测距方法。首先,在分析多普勒信号Wigner-Ville分布形成自交叉项原因的基础上,引入了一种时频变换—匹配Wigner变换。该变换通过泰勒级数扩展的傅立叶旋转因子来匹配双线性信号核,可以对多普勒信号分析得到能量聚集度满意的时频分布,且能够抑制自交叉项干扰。基于匹配Wigner变换,可以有效地实现多普勒频移的估计。其次,推导发现多普勒信号的Wigner-Ville分布在正横时刻处具有峰值。因此,可通过峰值提取精确获得正横时刻值,从而将二维非线性最小二乘求解问题降为一维。海上试验数据验证了改进方法的有效性。