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稳健波束形成与高分辨方位估计技术研究.pdf

稳健波束形成与高分辨方位估计技术研究

xl46512 2012-05-08 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《稳健波束形成与高分辨方位估计技术研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西北工业大学博士学位论文稳健波束形成与高分辨方位估计技术研究姓名:冯杰申请学位级别:博士专业:水声工程指导教师:孙超摘要摘要为了提高强干扰背景中弱目符等。

西北工业大学博士学位论文稳健波束形成与高分辨方位估计技术研究姓名:冯杰申请学位级别:博士专业:水声工程指导教师:孙超摘要摘要为了提高强干扰背景中弱目标信号的检测和方位估计性能改善声纳系统的远程感知能力本文结合水声技术国防科技重点实验室和水下信息与控制重点实验室基金项目针对实际应用环境从提高波束形成和高分辨方位估计方法的干扰抑制性能和稳健性两个方面系统深入地开展了理论与实验研究。主要研究内容包括:.针对被动声纳的实际情况提出了利用凹槽空域矩阵滤波去除基阵输出数据中的期望信号分量再求取自适应权的稳健自适应波束形成方法。该方法有效地缓解了系统误差引起的信号对消增强了自适应波束形成对系统误差的稳健性。计算机仿真结果验证了算法的有效性。.针对多阵元大孔径基阵提出了将零陷展宽技术与对角加载量优化技术相结合的方法以缓解存在快速运动强干扰时自适应波束形成性能的严重降低。并且应用此方法形成多波束进行数据的预处理以消除快速运动强干扰对波束域方位估计方法的影响。计算机仿真结果表明所提方法能够有效地抑制快速运动的强干扰提高了强干扰背景下对弱目标信号的检铡和方位估计性能。.针对当感兴趣的波束区域之外存在强干扰时基于波束输出的波束域高分辨方位估计方法在实际环境中的性能将下降问题提出在多波束形成时采用实测阵列流形进行低旁瓣波束优化的方法以减小干扰残余量对方位估计算法的影响。水池实验结果表明该方法能保证波束形成器在实际环境中形成期望的低旁瓣从而有效地抑制干扰正确地估计目标方位。.深入地研究了空域矩阵滤波器的设计方法及其在目标方位估计中的应用提出了基于二阶锥规划技术的自适应空域矩阵滤波器的设计方法。该方法能在保证通带设计精度的基础上在阻带区域形成零陷以实现对强干扰的抑制。其次提出了两种降维自适应空域矩阵滤波器的设计方法。计算机仿真结果表明采用自适应矩阵滤波器比采用非数据依赖的常规方法有更好的方位估计性能而且降维处理能在不显著降低估计性能的基础上显著减小计算负担。.提出了自适应插值空域矩阵滤波器的设计方法。该方法能够对任意结构基阵的输出数据进行虚拟插值变换使其具有均匀线列阵的牡征然后利用针对均西北工业大学博士学位论文匀线列阵的一些高效方法实现信源的解相干以及方位估计。同时此方法能自动地在于扰方位形成尖锐的零陷抑制强千扰提高对弱目标信号的方位估计性能。计算机仿真验证了此方法的有效性。.研究了基于恒定束宽波束输出和基于虚拟插值变换技术的宽带相干高分辨方位估计方法。通过采用凸优化技术设计恒定柬宽波束形成器和虚拟插值滤波变换矩阵有效地提高了设计精度且能够严格控制旁瓣或阻带衰减级低于期望值从而改进了基于恒定束宽波束形成和基于虚拟插值滤波变换技术的高分辨方位估计方法的性能。计算机仿真和湖上实验结果验证了所提方法的有效性。.研究了非相干宽带高分辨方位估计方法。针对不相关的目标信号采用自适应空域矩阵滤波器抑制感兴趣的目标区域之外的强干扰而针对相干目标信号将自适应虚拟插值矩阵滤波和空间平滑技术相结合在实现目标信号解相干的同时在干扰方位形成零陷以抑制强干扰。计算机仿真结果表明所提方法具有良好的干扰抑制性能能显著提高强干扰背景中对弱目标信号的方位估计性能。关键词:波束形成高分辨方位估计空域矩阵滤波稳健性自适应虚拟插值变换波束域一II.AbslractAbStraCtThepcrfbmanceofpassiVeacousticsig眦lprocessingtechniqueswouldbecomeVerelydeg豫dedwhcntheacoustjcsourceofinterestisobscuredbystronginterf毫rences.ToimproVeteperfb咖anceofpassiVeacouscicsigllalprocessingtcchniquesinpracticalacousticsituationsthisdisse呲ionsystematicallydeploystheoreticalandexperimentaIstudiesonb髓mfominganddirectionofarrival(DOA)estimationtechniquesinaspectsofenh卸cingtheabilityofsuppressingintcrf毫rcncesandthejrrobustness髂welJ.办isdis辩nationissuppomdbytheFlltldoftheKeyLaboratoryofUndenⅣatcrAcoustics粕dKeyLaborat叮ofUndenvaterSigllalProcessingandContr.Themaincon打.butionsareasfoIIows:.InthecaseofpassiVesonar’anoVeIapproachtadaptivebeamfomlerispmposedinwhichfirstlythedesiredsignalcomponentisattenuatedfbmincomingd。£asn印sho£sby£hespa“aJ玎豫撕x蜀J£erandthen|be雠i曲loflheadapljvebeamfo咖eriscomputed岱ingnltereddatasnapshots.TheapproachovercomesmedesiredsignalcancelIationproblemandthusmerobustllessagainstsystemerro陪isgfcatlypromoted.ComputersimulationrcsultsdemonstrateitsVaIidity..Inordertoalleviatetheperfb姗ancedegradationofadaptiVebeamfomlingmet}lo出intIlep辩senceoffaslmoVingslronginterf音rersarobustadapliyebcamfo珊ingaIgOrithmisprented.broadeningtcchniqueisusedt鲫ppress.mtc彘fellcesallddjagonalIoadingisemployedtenhallceitsrobustllessmeantime.Thisrob哪tadaptivebeamfo硼ercanalsobeu鹋dtoproVideh噜hqualitybe锄outputdatainbeamspacememods.ComputersimulationresultsshowtllatthepfoposedarithmhasagoodabilityofdetcctingandcstimatingtheDOAsofweakstatjonafysignalsundercircumstancesofstrongintc睡rences..AnefncientmemodtalleviatetheinfluenceofarraymismatcherrorsisproposedinwhichcanbratedarrayrnanifIdisemployedintheIo、vsideIobebeamp毗emsynthesisprocedurcinteorderthattllee矗ectofresiduaIimemrencesisweakened.Anechoictank“perimentaI陀su恼showthatc}ibratcda玎aymani白ldisabletabatethedistortionofbeampanemc卸sedbysystemenDrswhichguararItees卸expectcdlowlevelsidelobealldthereforetllealgorithmcangetbetterperfb肿anceofDOAestimation..Tledesignapproachofspatialma打ixfilternd“sapplicationinmeDOAestimationa陀studiedprofoundly.Duettheinsufficiencyofconvent{onalmatrixfilte璐thiscontrmutiondeveloPsadesignschemebasedonthesecondorderconeIII.西北工业大学博士学位论文programming(SOCP).Theapproachc趴formsinstopbandtosuppressstrongjnterfcrcnceswhilegu啪meelhedesjgnaccuracyoflhepassband.Fnnhe珊ore咖dimensionali修reducedadaptivespatialmatrixfilterarcdevelopedinordertorcducecomputationsignificantIyalthecostofminordegradationofestimationperfbrmance..Adesignapproachofadaptjyeinterpolationspatjalmatrixfiltcrispresented.Tbtheoutputda协ofarmyswitharbitm呵geometrythisapproachisabletodosomevirtuaIinterpoIationtransfo咖swhichleadtocharacteristicsoftheoutputdataofunifonnlineararray(ULA)andultimatelytotheempIoymentofmethodssuitabletoULA.Theapproachcanformde印nulIsintedifectionsofinterferersandgetbe雠rperformanceofDOAestimation.ComputcrsimulationresulfsprVeitsvalidity..Thebroadbandcoherenth追hresoIutionDOAestimationmethodsbasedontlleconstantbeamwidthbeamfomlingandontheVirtualinterpolationtechniqueares£udicdr{espectjveJy.Bomofthemaredesignedthroughtheconeopcimizacfontechniquewhichconsequentlypromotemedesignaccuracy’andhenceimproVeperfbmancesofbommethodsinhighrcsIutionDOAestimationsign湎cantly.BothComputersimulationresultsandIakeexperimentsshowthattheproposedalgorithmscanenhancethepe响rmanceOfDOAestimation..Inthecaseofincohe『ems培nalsmeproposedalgorithmempIoysmeadaptivespatialmatr奴ltcrtsuppressinterfbrenccsoutsldetheareaofinterestandincaseofcoherentsignalstheproposedalgorithmcombinesmeadaptivevirtuaIinterpolationma”ixandthespatialsmoothingtechniquethusformssmthedircctiOnsofinterfbrerstsuppresstheminthemeantimefdealingwiththecohercntproblem.ComputersimulationresunsshowthatmeproposcdschemehasadesirabJeperfo咖anceinsupprcssinginterl.ercncestIIusenhancetheabiIityofestfmatingtheDOAsofweakstationarysignaIsundercircumstancesofstronginterfcnces.KeyWOrds:beamfo咖inghighrcsoIutionDOAestimationspatialmatrixfll把ringrobustnessadaptiVebeamfo硼ingVir“JaIinterpolationtransfombemspace.一IV.西北工业大学学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名:毖指导教师签名:。石年月p牛日妒年西北工业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果不包含本人或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人学位论文与资料若有不实愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名:饧标。口。莎年D月d乒日第一章绪论第一章绪论水声基阵信号处理研究的主要内容就是在充分利用基阵的先验信息(例如阵形、阵元特性等)的基础上提取信号场的有用信息它无论在民用还是军事领域都有着广泛的应用。随着水声对抗环境的日益复杂要求新一代的声纳设备具有检测弱信号、精确估计目标参数的能力这对水下阵列信号处理的方法和手段提出了更高的要求。阵列信号处理的根本任务就是消除接收信号中的干扰和噪声以便获得信号的有用信息。波束形成是阵列信号处理的主要组成部分是现代声纳的核心是声纳具有良好的战斗技术性能的基础。而方位估计则是声纳系统的主要功能之一。针对以上两个声纳基阵信号处理的关键技术:波束形成和方位估计本文从提高它们的稳健性和干扰抑制性能两个方面开展了深入的研究以提高算法在实际环境中对弱目标信号的检测和估计性能进而增强声纳系统的远程感知能力。.研究背景及意义潜艇具有良好的隐蔽性和较强的突防能力是各国海军的重要作战力量。声纳作为对潜艇进行检测、定位、识别和跟踪的主要设备它的发展一直与潜艇的发展紧密联系在一起。随着科学技术的进步潜艇和声纳技术都得到了迅速发展。为了躲避声纳的探测自世纪年代开始美国和前苏联等国就开始有计划地对潜艇降噪工作进行重点研究经过年的努力取得了重大突破潜艇的辐射噪声越来越低与先前相比噪声平均下降了dB【Mal。目前一艘常规动力潜艇的噪声级已由世纪年代的~dB降到~dB相当于级海况的自然噪声级而美国“海狼”级核潜艇的噪声级则降至dB左右与海洋背景噪声大致相同。潜艇隐身技术的进步对声纳的作用距离提出了严峻的挑战使得被动声纳的作用距离从~loo千米下降到不足l千米lMa】。另外作为舰船辐射噪声的背景海洋环境噪声极其复杂因时间和地理位置的不同而变化特别是在地理条件复杂的近海海面交通、近岸工业和航空活动等导致交通噪声和离散杂波的干扰大大增加使得待检目标信号受到污染严重影响目标检测与目标定位。如何在远距离、低信噪比的情况下对目标进行有效的检测与精确估计是西北工业大学博士学位论文水声信号处理中迫切需要解决的问题。纵观各国海军对未来水下战争的评述无不把对远程和超远程目标的探测作为先敌发现、克敌制胜的重要途径。水下目标远程探测、目标跟踪和识别是各国海军的重点研究领域也是衡量海军武器装备性能的重要指标战术上声纳不仅要发现目标更主要的是要准确和实时地确定目标的方位。声纳远程探测的距离、精度和可靠性以及对目标信号的提取和识别能力主要取决于水声基阵信号处理技术的能力其中关键技术是波束形成和波达方位(DOA:DircctionofA玎ivaI)估计而DOA估计在很多情况下是以波束形成技术为基础的。研究波束形成技术使其能有效地抑制干扰将有助于提高基阵输出信噪比从而增大声纳作用距离。而对高分辨DOA估计算法的研究将有助于提高多目标的检测、跟踪性能进而提高被动声纳检测弱信号的能力改善声纳系统的远程感知力。针对提高被动声纳检测弱信号的能力问题国内外从不同角度进行了大量而深入的研究【忱。”主要的研究技术途径有:匹配场信号处理超低旁瓣波束形成和自适应噪声抵消等。超低旁瓣波束形成和自适应噪声抵消对噪声和干扰的抑制有很大的价值但当前遇到不少技术困难。主要表现在(I)随着水声及水声对抗环境的日益复杂以及各种新型传感器及其布阵形式的出现现有的波束形成技术已经越来越不能满足期望的性能要求。()一些现有的算法还需要进一步完善以适应实际情况如:波束域高分辨算法通常只考虑感兴趣的波束区域内信号的方位估计问题而对波束区域之外的强干扰对方位估计性能的影响缺乏必要的研究。()常规的波束形成和方位估计算法特别是高分辨算法通常都是在理想(已知)阵列流形和自由空间传播模型的假设条件下工作的但实际系统中总是存在误差包括采样数据序列有限引起的协方差矩阵估计误差和各种系统误差如阵元幅相误差、阵元位置误差、阵元之间的互耦、通道频率特性失配等。误差使得实际的基阵模型与理想模型失配从而使基于理想阵列流形设计的波束形成器和方位估计算法在实际的应用中性能严重下降。()由本舰的螺旋桨及其引起的海水空化、湍流噪声和干扰源的运动等因素使得基阵接收的噪声是时域非平稳、空间各向异性的而各种高分辨算法的噪声模型是平稳高斯白噪声过程所以噪声模型的失配将导致波束形成和高分辨算法的海上实用性能变差。波束形成和目标方位估计算法的稳健性研究在国内外都受到极大的重视算法的稳健性是算法能获得实际应用的前提。现有波束形成和DOA估计算法必须..第一章绪论针对实际情况作进一步的改进才有可能应用于海上复杂环境。因此提高波束形成和方位估计算法的稳健性是目前所面临的主要任务之一同时也是提高强干扰噪声背景中弱目标信号检测性能的有效手段。本文的研究工作就是在常规布阵理论基础上借鉴其它领域中阵列信号处理的新概念和新技术针对声纳基阵使用的特定场合寻求有效的理论与方法解决满足特殊要求的声接收基阵波束设计和方位估计的关键问题通过理论研究和数值分析提出几种对信号模型稳健的波束形成和DOA估计算法从而为提高海军装备的水中目标远程感知能力提供理论和应用基础。.研究历史及现状水下基阵信号处理是对水昕器基阵接收到的声信号实现空域滤波的过程用以提高目标探测的距离和方位估计的精度。与传统采用单个水听器相比基阵处理具有灵活的波束控制、高的信号增益、强的抗干扰能力及好的空间分辨能力等优点受到人们的极大关注【邯】。水声基阵信号处理涵盖的内容非常广泛本节将围绕基阵的波束形成与方位估计算法的于扰抑制性能和稳健性方面的研究历史和现状作一简要评述。.波束形成技术在声纳系统中对声信号的处理是从水听器基阵开始的。水听器基阵除了完成把声信号转换成电信号的任务之外通常还要具有如下的功能:)抑制环境噪声提高接收信号的信噪比)实现对目标信号波达方向的估计)能独立检测和分辨多个不同方位到达的平面波信号。这些功能的实现传统上需要依靠波束形成。常规波束形成的目的就在于选取一个适当的加权向量以补偿各个阵元上的传播延时从而使某个期望方向上的信号到达基阵是同相的进而在该方向上产生一个空间响应的极大值。若和时域的滤波器作类比则可以把波束形成器看作是空域的滤波器【vB船J而波束图则是该滤波器的空间频率响应。常规波束形成(CBF:ConventionalBeamfornling)加权向量的设计仅利用了基阵的结构信息它具有运算简单、适应性强的优点但它无法对空间中其它方向入射的干扰进行有效抑制Iood。然而在实际应用中接收的信号不仅被环境噪声所淹没同时还夹杂着来自不同方向上的多种干扰。为了提高强干扰噪声背景中对弱目标信号的检测性能需要使用能在干扰方向形成较大衰减的波束形成方西北工业大学博士学位论文法以便于有效地抑制干扰提取期望信号。当前能有效地抑制干扰的波束形成方法主要有基于低旁瓣波束优化的波束形成和自适应波束形成。一.低旁瓣波束优化的常规波束形成为了提高常规波束形成的干扰抑制性能一般要求波束具有低的旁瓣级以利于有效地抑制旁瓣区域内的干扰【蝎K州降低系统的虚警概率这往往要通过波束的低旁瓣优化设计来实现。在窄带波束形成中最为经典的是Dolph.chebyshev法ID“”该方法在给定主瓣宽度的条件下能获得最低的旁瓣级或者在给定旁瓣级的条件下能够得到最小的主瓣宽度。Taylor提出了适用于连续线阵【对】的旁瓣约束方法该方法约束最大旁瓣高度并获得远离主瓣方向逐渐下降的旁瓣。E.ott对Taylof方法进行了改进使旁瓣高度能根据需要进行特殊设计删。Hansen对这一类波束图设计旁瓣控制方法进行了总结【“釉舶。但是这些方法都只适用于由各向同性阵元组成的均匀线列阵或者特定形状的基阵。对于任意结构的基阵存在两类主要的旁瓣控制优化波束形成方法。第一类是基于自适应阵原理的方法。基于该原理马远良最先提出了适用于任意结构形状传感器阵方向图的最佳化方法lMas】。此方法通过在旁瓣区域人为放置若干合适强度的虚拟干扰源的方法能够获得期望的低旁瓣。基于同样的原理Olen等人提出了静态波束图的数字综合方法【c州该方法对旁瓣区域内干扰源强度的自适应调整做了进一步的讨论。随后许多学者对这种方法进行了改进提高了算法的收敛性能和设计精度【wBM“YwYMs。第二类方法需要借助于期望波束并使用优化方法例如使用二次规划方法IN联‘Nz。zsz在设计中使设计波束与期望波束的误差平方和(或范数)最小达到波束优化的目的。该类方法通过设定不同的期望波束实现第一类方法所能达到的设计效果且比第一类方法更为灵活。在设计时这些方法通常都基于理想基阵模型的假设条件但是在实际的系统中由于阵元位置误差、阵元方向性各异以及电路和传输系统所引入的误差使得实际的基阵模型与理想基阵模型失配从而使根据理想基阵模型设计的低旁瓣波束形成器在实际中会产生波束图畸变特别是旁瓣大幅度升高不能有效地抑制来自旁瓣区的干扰增加了系统的虚警概率。而且低旁瓣设计还会带来主瓣的展宽和阵增益的下降【U“”J这也是我们所不希望的。.第一章绪论二.自适应波束形成提高波束形成干扰抑制能力的另一种有效措施是采用自适应波束形成技术其中最为典型的是capon提出的最小方差无畸变响应(MvDR:MinimumVarianceDisto币onlessRcsponseBeamfoming)波束形成技术【o印“掣。它在保持波束指向方向信号无失真的条件下透过使基阵输出功率最小来实现对干扰的有效抑制具有较好的方位分辨能力和较强的干扰抑制能力。设计自适应波束形成器的传统方法通常假设基阵输出数据中不含期望信号分量【RMMM。砷这时波束形成对阵列系统误差和协方差矩阵估计误差具有较强的稳健性扣。。】。但是在被动声纳情况下观测数据中不可避免地包含期望信号。而且在实际情况下受到方向向量误差、有限次快拍数据引起的协方差矩阵估计误差阵元位置及阵元幅相误差等因素的影响导致基阵模型失配使自适应波束可能将信号误当作干扰进行抑制导致信号对消造成旁瓣升高和波束图畸变姻。酗YU跏WA此时传统的自适应波束形成器难以给出令人满意的输出信干噪比(sINR:signalto.Intem佗nceand.NoiseRatio)lJabKU。除了基阵模型误差外由于扰源的运动和基阵平台的运动或震动所引起的数据非平稳性是引起自适应波束形成性能降低的另外一个重要原因【osBoN聃’“ay。”。特别是在被动声纳的情况下为了提高目标分辨能力和获得较多的阵增益以便能提高强干扰噪声环境中对弱目标信号的检测性能发展的趋势之一就是采用多阵元大孔径基阵‘。o棚】。但在浅海环境下背景噪声主要由快速运动的水面舰船组成由于大L径基阵形成的波束较窄在获得满秩的采样协方差矩阵的采样时间内这些舰船的方位变化通常会达到几个波束宽度。而且多阵元大孔径基阵通常要求较长的采样时间lGGLMGJ因此快速运动的干扰导致严重的“快拍失效”当传统的自适应波束形成方法的权向量不能足够快地适应非平稳信号时其波束形成性能将急剧降低f。蚬c。峨GN媳vGL。疆”o‘渊。另外由于干扰源的快速运动自适应波束形成需要更多的自由度以抑制运动强干扰而在给定可用的快拍时间内自适应波束形成不能形成足够多抑制强干扰的零陷此时弱目标信号将被干扰掩盖【soo】.为了提高自适应波束形成算法对基阵模型误差的稳健性稳健自适应波束形成算法近年来成为研究热点【va粥Gc巾。目前在有限次快拍和系统误差存在情况下提高自适应波束形稳健性的方法主要有:()对角加载方法【t。郴ⅧhTB”o”。此方法是存在基阵方向向量误差和西北工业大学博士学位论文有限次快拍情况下最常用的一种稳健波束形成算法。该方法通过给协方差矩阵的对角线元素增加较小的加载量来使协方差矩阵的噪声特征值的扩散程度减小从而减小噪声特征向量对自适应权向量的影响提高了对系统误差的稳健性减小了波束图畸变。但是该方法会使自适应波束图的零陷变浅使得干扰抑制能力有所降低。面且在没有先验信息的情况下对角加载量难以确定。()线性约束最小方差(LCMV:LinearConstrainedMinimumVariance)方法【F町矧。该方法通过旌加多个线性约束来减小算法对基阵方向向量误差及波束指向误差的灵敏度。但缺点是要损失阵列的自由度。并且使运算量加大。()基于特征空间的波束形成方法【’。r。。一。LATH。。这种方法的关键是将基阵扫描向量投影到信号加干扰子空间上用投影后的扫描向量代替有误差的扫描向量。此方法对方向向量误差具有较强的稳健性但由于需要子空间分解因此需要确切已知声源的个数且仅适用于高信噪比和点信号源的情况【HN”o。b】。另外一种特征空间的波束形成方法是正交投影方法‘肿A这种方法首先求得干扰子空间最后把扫描向量向干扰子空间的正交补空间投影以得到自适应权。由于自适应权与干扰子空间正交所以该方法有较好的干扰抑制性能同时有较快的收敛速度和较强的稳健往。但在被动声纳中单纯的干扰子空间很难得到。文献【CL】提出通过修改协方差矩阵来消除期望信号分量以获得干扰子空间但这种方法需要对信号和干扰方位进行预估计。()盲波束形成方法【”wML。盲波束形成不需已知阵列流形和信号的DOA估计所以对基阵方向向量误差有较强的稳健性但足通常需要利用信号的高阶累积量或循环平稳特性且计算复杂。()零陷展宽方法。零陷展宽方法可以通过方向约束【”咖】、导数约束【EctG”域协方差矩阵加权法(cMT:covarianceMatrixTaper)(RGvt知例来实现。CMT方法将干扰看作空间扩展信号用空间扩展信号的空间相关矩阵对原协方差矩阵加权得到增强的协方差矩阵由此得到的权向量能加宽零陷Zatma“证明了导数约束是CMT的特例四删。但CMT类算法会遇到加载量确定问题而且使得阵增益和空间分辨能力有所降低【Mjcoon孔。()贝叶斯(Bayesian)宽容自适应波束形成方法v”们。利用经典检测理论中的贝叶斯准则、MAP(MaximumPsterio“ProbabiI时)准则来提高波束形成对指向误差的宽容性。Bayesian方法在高SNR时退化为MVDR算法低SNR时在信号真实方向附近具有稳定增益可以防止目标信号被抑制。该方法的缺点是计算较为复杂。.第一章绪论但是所有这些方法都是对某些实际情况中存在的某一种或几种误差具有稳健性如贝叶斯方法对指向误差的宽容性较好但对信道误差的宽容性较差所以对各种误差均具有较好稳健性的自适应波束形成算法成为新的研究方向。Gershman等人【””“】提出当确定方向向量的值域为某个误差集合时稳健波束形成可表述成一个二阶锥规划tSOCP:SecondOnderConvexProgramming)问题可以利用标准的内点算法软件来求解权向量如SeDuMi凸优化工具包【s邶但是其优化过程计算很复杂离实用还有一定距离。Lorenz【LB荆用椭球来覆盖方向向量的值域权向量的寻优过程比SOcP法简单采用拉格朗日乘子法但不确定椭球的模型构造较为复杂。Li【LsLw等人利用观测数据作为信号方向向量的似然估计并代替理想的方向向量提出了广义对角加载的自适应波束形成算法。该算法中对角加载量可以随期望信号功率的变化而调整但加载量增大时会导致算法对强、弱干扰抑制的灵敏度有不同程度的降低【cL】。文献【sGL】提出了所谓负加载量的稳健方法但是加载量的确定仍是一个问题。..高分辨方位估计技术在被动声纳阵处理技术中首要的任务是辨识声源数目并确定其方位。方位估计可以为自适应干扰抵消算法提供干扰方位信息战术上声纳利用高分辨方位估计方法可以分辨敌方远程舰艇编队使武器系统的精确打击成为可能。常用的方位估计技术主要有波束形成方法和高分辨方位估计方法。由于常规波束形成易于实现、稳健性好及对信号之间的相干性不敏感现代声纳系统多采用这种技术预成多波束来实现对目标方位的估计。但常规波束形成的角度分辨能力受瑞利极限的限制【汹卵‘”们分辨能力较低。近几十年来涌现出来的各种阵元域高分辨方位估计方法如MusIc算法”‰、EsPRIT算法‘RK神。】和加权子空间拟合算法(wsF:wifghtcdSubspeFm衲g)f州’’’弧’。州从理论上突破了常规波束的瑞利限获得了超过常规波束形成的角度分辨能力受到人们的广泛关注。近年来国际上一些针对声纳系统的海上高分辨方位估计实验也时有报道BR恤o“但在实际系统中获得成功应用的范例却一直未见公开报道。主要的原因有:)高分辨算法的运算量高于常规方法不利于对信号方位的实时估计)高分辨算法对基阵的输入端的信噪比有较高要求在信噪比较低时高分辨算法的性能会急剧下降。提高算法在短数据低信噪比条件下的性能是高分辨阵列处理的研究重点也是实现中远距离、弱信号检测与估计必须解决的问题)对..西北工业大学博士学位论文基阵模型误差具有较大的敏感度很小的阵列流形误差都将导致高分辨算法性能的严重恶化‘‘”’】)相干源问题在水下信号处理中经常遇到如浅海中的多途效应智能干扰等。相干信号会导致高分辨子空间类方法的分辨性能严重下降使水声系统无法正常工作【DJ”l。)信号非平稳等情况下性能会急剧下降甚至给出错误估计口s”J。针对上述问题研究者们想方设法对高分辨技术加以某种改进以便其能在实际系统中获得应用。一波束域高分辨方位估计波束域高分辨方位估汁技术不同于直接采用基阵阵元输出的传统阵元域高分辨方位估计技术它具有运算量小、分辨所需的信噪比门限低以及对阵元误差不敏感等优点【。Lw“。得到了大量研究【oMTvYwsb已成为高分辨方位估计技术发展的一个重要方向。而且波束域处理可在现役装备原有多波束系统上直接使用避免了对现有水声系统的较大改造或者重新设计。因此在水下多波束系统基础上应用高分辨处理的理论和方法具有重要的实用价值和应用前景‘朋醛缁l。波束域高分辨方位估计的思想早在年就被提出【。Bienvenu和Kopp考虑到常规波束形成对阵元误差的较大的宽容性提出在应用高分辨技术之前先用波束形成器对阵元域数据进行预处理以减小高分辨方法对阵元误差的灵敏性。这一思想的提出掀开了高分辨技术发展新的一页。Byme和stle考虑到当环境噪声空间相关时以特征分解为基础的高分辨方法的方位谱很不稳定而通过波束形成器在所感兴趣的空间区域内就可得到稳定的方位估计。他们从这~角度提出了在进行高分辨方位估计之前首先用波束形成器对阵元域数据进行预处理【B州。在文献BL】和Bs】中作者同时还指出了经过波束形成对阵元域数据进行降维处理后的~个显而易见的优点就是减轻了运算负担从而提高了采用多阵元大孔径基阵进行方位估计的实时性【。。波束域高分辨估计方法提出后针对MuSIC算法许多学者在这一领域作了大量卓有成效的研究工作‘Lw。”.‘。KzⅧ对波束域MUSlC方法的性能作了较为系统的分析。结果表明波束域处理降低了数据维数减小了运算负担降低了分辨信噪比门限提高了分辨率波束域处理成为实现高分辨估计的有效途径。随后一些学者把波束域高分辨估计的思想应用到新的高分辨方法中提出了多种方法。典型的有波束域Root.MusIc【z”‘t。一甜波束域EsPRIT(。M矧波束域IQML【Tv吲波束域wsFf。a'。b】、波束域IMP【sYB..第一章绪论QI等。与此同时波束域高分辨估计研究的另一熟点集中在最佳波束形成矩阵的选择上Anderson第一次系统地阐述了波束形成矩阵的选取准则‘“删孔并给出了几种行之有效的方法。随后Li等人在研究波束域高分辨算法性能的同时也研究了方位估计的均方误差最小的波束形成器的设计准则LL“和Anderson的研究结果表明无论怎样选取波束形成矩阵波束域方位估计的克拉.美罗界总是大于等于阵元域的。近几年波束域高分辨估计技术受到了高度重视人们从声纳、雷达、通信等多种领域研究波束域高分辨估计的优点并积极将其研究成果推向实际应用【LL’啪Yws札YsT。有赖于恒定束宽波束形成的宽带波束域高分辨方位估计的研究起步较晚但也已提出了多种宽带恒定束宽波束形成方法IGodw“w。年Lee基于宽带阵提出了一种用恒定束宽技术进行目标方位估计的方法【L”随后ward等人系统阐述了宽带恒定束宽波束的理论及其设计方法【”‘w】并且进一步细化了宽带恒定束宽波束形成方法中FIR滤波器设计问题【wKw蛔。在这些工作基础上Ward。Ding和Kennedy一起在年应用恒定束宽技术实现了宽带波束域高分辨方位估计【woK引由此开始了宽带波束域高分辨理论、方法的研究。目前宽带波束域处理己在声纳、水下自导、雷达等领域引起人们的关注。无论是窄带还是宽带的波束域高分辨方位估计方法都采用了降维处理维数的降低显著地减小了波束域方法的运算量。从另一方面看维数的降低本质上使得基阵观测的空间区域变小了。xu的研究指出当用于方位估计的波束区域之外存在目标源或干扰源时会对波束区域之内目标方位的估计造成影响!xB叫但是他并没有给出解决的办法。通过研究发现干扰源越强对波束区域之内目标方位估计的影响也就越严重。为了提高干扰抑制能力引入了基于低旁瓣波束优化的波束域高分辨方位估计方法【wb’w渊该方法显著地减小了干扰对方位估计的影响但低旁瓣波束对系统误差比较敏感而且会带来主波束展宽和阵增益下降【U“矧。于是杨益新将自适应波束形成方法应用到波束域在多波束形成时利用MVDR波束形成器来抑制干扰取得了较好的干扰抑制效果和方位估计结果【Ya呻owSo捌。但在多波束形成时由指向误差引起的信号对消和波束图畸变则依靠固定对角加载来缓解当感兴趣的方位区域内的两目标信号功率不等和信号功率变化时依然存在加载量的确定问题。二.基于空域矩阵滤波处理的高分辨方位估计方法随着阵列信号处理技术及基于DsP等硬件处理系统的发展具有优良的短数西北工业大学博士学位论文据滤波【“】和空域信号分离特性的空域矩阵滤波器受到关注【。“wL‘广泛地应用于声纳雷达等阵列信号处理领域f”删。”一。MM神N啪.空域矩阵滤波是一种能让空间感兴趣方位或区域的信号通过并抑制其它方位或区域的干扰和噪声的信号处理方法【v“M渊。从原理上可以将空域矩阵滤波看作是一种特殊的多波束形成器。但与波束形成器不同的是空域矩阵滤波器将整个观测空间通过线性变换(矩阵滤波)投影到一个较小的子空间(感兴趣的空间区域)使得从该子空间内入射的信号尽量无失真通过同时抑制其它空间入射的信号(干扰)和噪声。因此能够分离期望和不期望的声源信号【哆】。作为~种特殊的波束形成器空域矩阵滤波器的功能同样是执行数据预处理以便净化数据和提高后续处理方法的性能。可见空域矩阵滤波器的设计性能将对后续处理方法性能的发挥起着极其关键的作用。到目前为止许多学者对空域矩阵滤波器的设计问题进行了深入的研究提出了许多有效的设计方法。较为典型的设计方法有基于凸优化技术I”“wLYM“Ml和基于最小二乘技术【M枷l来设计空域矩阵滤波器它们从不同方面改善了空域矩阵滤波器的设计性能。随着空域矩阵滤波器设计方法的发展和设计性能的提升空域矩阵滤波器的应用得到了迅速发展从单纯的目标方位估计应用发展到匹配场降噪【”Hl””M们多声源定位及地声反演‘M神。HMt氰“。等。然而在被动声纳基阵处理技术中由于水声设备降噪技术的发展极大地减小了目标(如潜艇)的辐射噪声强度这种低强度目标信号往往被强的干扰背景所掩盖这使得利用辐射噪声作为检测信号的现有声纳系统的作用距离急剧降低。实现强干扰背景中弱目标信号的检测是当前被动声纳系统所面临的任务之一。但现有的空域滤波器的设计方法都不依赖于基阵的实际输出数据其干扰抑制性能受阻带衰减幅度限制当感兴趣的通带区域之外(阻带)存在强干扰时空域矩阵滤波后干扰残余量将会严重影响后续处理方法的性能【””M引但已有的研究考虑这个问题较少。兰.基于虚拟插值变换处理的高分辨方位估计方法相干源高分辨方位估计问题是子空间类方法所面临的难点问题。当信号源完全相干时基阵输出数据协方差矩阵降秩使得信号子空问的维数小于信号源个数。也就是说信号子空间“扩散”到了噪声子空间这会导致某些相干源的方向向量与噪声子空间不完全正交从而使得基于子空间的方位估计方法无法正确估计信号源方位。在相干源情况下正确估计信号源方位的核心问题是如何通过一.第一章绪论系列处理和变换使得信号协方差矩阵的秩得到有效恢复。Evans和shan等提出的空间平滑技术在解决子空间类方法的相干源问题上做出了重大贡献【目wK‰。sw。除了空间平滑法外还有w.IIi狮s和P.Iai等提出的改迸的空间平滑技术【’ⅣM‘bRH。oo蛳Cadzow等提出的基于信号特征向量的方法I。KS州Di的矩阵分解法【Kung提出的Toeplitz近似法I。LFt。‘“等。虽然这些方法的途径不尽相同但均能有效地解决相干信号源使得基阵输出数据协方差矩阵降秩的问题(解相干)。遗憾的是这些方法仅适用于均匀线列阵。另外在阵列处理技术中为了简化基于子空间方位估计算法的运算效率和提高方位估计性能提出了一些有效的算法如rootMuSICf哪RHlⅣ刀和ESPRIT【R‘等。这些性能优良的算法通常也只适合于某些特殊结构的基阵如均匀线列阵。随着水声对抗环境的日益复杂出现了一些新的换能器布阵形式如共形基阵等这些基阵通常具有任意的结构形式。能否将这些仅适合于特殊结构基阵的性能优良的算法运用到任意结构的基阵也是值得研究的课题。针对这个问题Friedlander等人提出了插值变换技术【ww啪其思想是将任意结构基阵变换成一个等距线阵或者是一系列具有相同结构的基阵。通过设计插值矩阵使得变换后的实际阵列流形在感兴趣的局部方位空间内逼近于虚拟阵列流形从而使得那些仅适合于均匀线列阵的方位估计算法能用于任意结构基阵‘砌。ow矧。随着研究的不断深入人们发现虚拟插值变换技术可以应用到方位估计的各个方面如基于插值变换技术的宽带信号处理方法【Pw‰ocFw钉、阵列孔径扩展技术‘弛删、合成孔径雷达!町LT。似ML、地震监测fG等。利用插值交换技术Gershman等人导出了可用于任意结构基阵的波束域求根类方位估计器IG玎甄G一捌理论分析和实验结果表明这种方法可以达到和随机最大似然法近似的估计门限而其运算量则远低于随机最大似然法。虚拟阵列变换作为预处理方法可以应用到任意阵列而且可以通过虚拟阵列变换将只适用于均匀线列阵的一些方位估计算法推广到任意阵列。但基于插值虚拟阵列的方位估计算法的性能较大地依赖于设计的插值矩阵州ML】为此许多学者致力于插值方法的研究【”“删咖H’“剑主要精力集中在减小运算负担和降低方位估计的偏差上虽然从不同方面提高了基于插值虚拟变换的方位估计算法的估计精度但却忽略了插值区域之外存在干扰声源的情况.因此设计的插值矩阵不能有效地进行非插值区域衰减控制在非插值区域具有相当高的增益当插值区域之外存在干扰源会严重影响方位估计算法对插值区域之内信号方位的正确估计【PGLLc。魄Lv。。西北工业大学博士学位论文为了减小插值区域之外存在干扰源对插值区域之内信号方位的影响可将空域矩阵滤波功能引入插值变换的设计方法中通过约束控制非插值区域的响应使得从i}插值区域(称为阻带)入射的声源信号(干扰)得到较大的衰减从一定程度上提高了插值方位估计算法对插值区域之外入射干扰的稳健性【乱cLLLcLLv。。当干扰信号较强时一般需要设计超低阻带衰减级。但在整个非插值区域设计较低的衰减级会导致插值空间缩小插值误差增大从而影响后续方位估计算法性能。综上所述水声信号处理技术经过四十年的研究和发展已经取得了很多的研究成果但是在算法稳健性、运算量以及强干扰抑制等方面还存在着许多问题有待进一步的研究。.本文的主要研究内容为了提高强干扰噪声背景中弱目标信号的捡测性能本文针对声纳基阵的波束形成与方位估计算法的干扰抑制性能和稳健性进行了深入的理论和实验研究。全文共分为八章各章主要内容如下:第一章绪论。介绍了本文的研究工作背景和意义简要评述了研究的历史和现状。第二章声纳基阵信号处理的数学模型。通过分析水下目标信号特性建立了目标辐射噪声模型。针对被动声纳系统给出了任意结构基阵输出的窄带和宽带信号的数学模型重点推导了存在系统误差时基阵的统计模型将不同误差表达成方位依赖的幅相误差形式以简化本文中对算法的系统误差的稳健性分析。同时对波束形成和方位估计的相关技术进行了论述重点介绍了经典的MvDR算法和MuSIC算法为后续章节的算法研究和分析奠定了基础。第三章稳健自适应波束形成技术。主要研究了系统误差和有限次快拍对自适应波束形成性能的影响从理论上分析了导致自适应波束形成方法性能下降的原因。提出了基于凹槽空域矩阵滤波的稳健自适应波束形成方法。该方法利用能在期望信号方位区域形成凹槽的空域矩阵滤波器对基阵输出数据进行预处理滤除基阵输出数据中的期望信号分量再形成自适应最优权的方法。计算机仿真和水池实验结果表明该方法能有效地减小系统误差引起的信号对消现象从而提高波束形成器对系统误差的稳健性。然后针对多阵元大孔径被动声纳阵将广义对角加载技术与零陷展宽技术相结合有效地解决了快速运动强干扰所引起的快..第一章绪论拍失效问题同时优化对角加载量减小了协方差矩阵特征值的扩散程度明显减小了自适应波束图畸变

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