船舰辐射噪声能够反映水下运动目标螺旋桨转速、动力系统组成及目标航行方式等相关信息,这些信息可以用来进行水下目标的检测、跟踪和参数估计,对水下目标探测与识别有重要意义。由于海洋环境的复杂性,辐射噪声在复杂的时-空-频随机多变的海洋信道中传播时,目标信号往往发生了畸变与时延,并淹没在背景噪声当中,这对船舰辐射噪声的检测带来非常大的困难与挑战。本文针对船舰辐射噪声在大孔径阵列接收中的信号失真问题,开展水声目标信号高保真阵列处理技术研究,系统分析了大孔径阵列处理中信号失真成因,提出了高保真波束形成方法,完成了高保真阵列处理系统设计。论文的主要研究工作如下:1、阵列信号处理的目的是为了获取更高信噪比的目标信号,阵列处理中远场模型失配、阵元间幅相加权不一致性、目标方位估计误差以及阵列畸变等不利因素直接影响阵列处理性能。本文详细分析了目标方位估计误差对高保真信号恢复的影响;讨论了近场目标的球面波传输模型,推导出采用平面波假设产生的时延误差;介绍了阵列幅相误差模型,分析了多阵元各通道幅度加权不一致和相位加权不一致对信号恢复的影响;研究了平台机动等因素造成的阵形畸变,建立了模拟阵形畸变的圆弧模型和正弦模型,分析了阵形畸变对高保真阵列信号处理的影响;研究了背景中强干扰因素对目标跟踪和特征参数提取的影响。2、针对频率色散引起的目标特征失真问题,研究了一种基于DFT插值的均匀阵恒定束宽波束形成方法。为进一步提高恒定束宽波束形成器的工作频率范围,将连续线阵模型引入到实际线列阵中,推导出具有频率不变特性的非均匀阵设计方法,实现了具有频率不变特性的宽带波束形成器,以此在宽频率范围内获得高保真的目标特征信号。3、针对大孔径拖曳阵形畸变导致的目标特征失真问题,提出了一种基于强线谱方位矢量估计的高保真阵列处理阵形校正方法,该方法通过窄带强线谱寻找最优方向矢量,并将方向矢量转换为宽带阵列的时延量,利用该时延量可实现精确时延补偿,因此基于本方法的波束形成器将具有更好的信号保真度。研究出强线谱选取准则和相邻阵元间相位连续性处理方法,通过仿真实验和真实海试数据实验验证了算法的有效性与实用性。4、提出了一种基于多核DSP的高保真波束形成实时处理系统设计方案。针对实际应用中存在的强干扰、拖曳阵形畸变和频率色散问题,该方案实现了自适应广义旁瓣相消、线谱方位矢量估计和恒定束宽波束形成等技术的联合处理,有效抑制了强干扰、阵形畸变和频率色散对目标特征的影响,获得了高保真的目标辐射噪声信号。