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复杂海洋噪声环境下近场源定位算法的仿真分析

陈磊  
【摘要】:海洋空间物理特性复杂导致了水声传播信道呈现时变、空变和频变等不确定性,高精度水下目标定位技术在声纳、雷达、水下探测等民用和军用领域具有重要应用价值,一直是水声技术领域研究的热点和难点。目前水下目标定位技术的研究与应用主要集中在远场源定位情况,近年来水下机器人等领域的不断发展对近场源高精度定位技术也提出了明确需求。但近场源水声定位技术的研究与应用远远滞后于远场源定位,算法大都基于理想传播假设,且运算复杂度高。深入研究适用于复杂海洋噪声环境的近场源定位算法,探索高精度水下目标近场源定位新技术,具有重要的理论和实际意义。 本文在总结分析复杂海洋环境噪声特性的基础上,归纳出4种复杂海洋噪声环境定位模型;仿真分析了现有近场源定位方法在复杂海洋噪声环境下的性能;提出两种有效的基于复杂海洋环境加性噪声的远近场混合源定位新方法;并开发了一套基于近场源定位方法的仿真分析软件,可以验证10种定位算法在复杂海洋噪声环境下的定位性能。主要工作及创新性如下: (1)针对浅海与深海的不同噪声环境,分析了海洋环境行船噪声、风成噪声等噪声来源,并从声源级、频段分布、平稳性及统计分布等方面分别分析复杂海洋环境加性噪声和乘性噪声特性,并归纳出符合实际海洋情况的高斯噪声下定位模型、非均匀噪声下定位模型、冲击噪声下定位模型及乘性与加性噪声共存情况下定位模型等4种复杂海洋环境定位模型。 在总结现有近场源定位算法的基础上,仿真分析2-D MUSIC算法、对称子阵算法、加权线性预测算法、累积量算法及高阶ESPRIT算法等5种近场源定位算法在高斯白噪声、高斯色噪声及非均匀噪声背景下的参数均方根误差曲线性能,以及加性与乘性噪声共存情况及无乘性噪声干扰条件下的参数估计性能并进行适用性评价。 (2)提出了一种适用于加性高斯白噪声的远近场混合源定位新方法。该方法首先通过一维MUSIC谱峰搜索估计出远场角度和加性噪声能量值,然后利用斜投影技术消除远场干扰,根据均匀线阵的对称性,利用对称子阵算法估计出近场源角度和距离参数信息。仿真实验分析表明,该算法与斜投影算法相比,具有较好的估计性能。 (3)提出了一种基于对称均匀线阵与二阶循环统计量相结合的远近场混合源定位新方法。该方法以复杂海洋环境加性非高斯色噪声为背景噪声,首先将均匀线阵划分为两个对称子阵,获得仅包含方位角信息的旋转矩阵,以此为基础,构造谱峰搜索函数,实现远场源和近场源角度的同时估计,将获得的方位角信息代入二维MUSIC谱函数,实现近场源距离估计。仿真分析结果表明,所提算法与斜投影算法相比计算复杂度低,估计精度较高,且无需参数配对及二维搜索。 (4)参考水下目标定位系统的信号处理流程,开发了一套适用性强、功能易扩展的复杂海洋噪声环境下近场源定位算法仿真分析软件。该软件能够模拟目标信号的产生、信号在复杂海洋噪声环境的传播、目标信号的接收、目标位置参数提取、波形显示及结果输出等过程。具有信号类型选择、海洋环境噪声选择、阵列阵型选择、定位算法选择、算法仿真波形显示及数据结果输出等功能。该仿真分析软件可以提供加性、乘性和加性与乘性共存3种噪声模式,2-D MUSIC算法等10种定位算法,以及均匀线阵等10种阵列阵型,从估计精度等方面分析复杂海洋噪声环境下近场源定位算法性能。 上述研究是对近场源定位技术在复杂海洋环境噪声背景下应用的探索,同时也为阵列信号处理相关问题研究提供了参考。


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