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水声阵列信号处理理论及实验研究

陈阳  
【摘要】:阵列信号处理在很多应用领域具有重要作用。随着传感器和阵列技术的发展,与之相应的阵列信号处理成为近几十年的热点,受到广泛的关注。本文从阵列信号处理的目标检测、方位分辨和估计的角度,对现有算法做出改进,以提高算法性能。 空域匹配滤波是最大信噪比准则下的最优处理器,也是单目标白噪声情况下似然估计的等价处理器。利用最小均方误差准则下的维纳滤波对阵列快拍进行滤波,可以一定程度上抑制噪声。为了在空域进行噪声抵消,利用二阶锥规划实现维纳滤波。对算法进行仿真分析,并在单目标白噪声条件下与最大似然估计(Maximum Likelihood Estlmatlng,MLE)和Bar-tlett波束形成进行比较。空域维纳滤波器的方位估计的信噪比门限要低于MLE,其低信噪比下的检测性能优于Bartlett波束形成,因而是一种良好的波束形成器。 最小方差无畸变响应(Mlnlmum、1arlance[)istortionless Response,MvDR)是波束输出能量最小意义上的最优波束形成。对MvDR的约束条件进行分析,将其转换为二阶锥的形式,通过将,J,范数最小条件改为,J。范数最小条件,提出基于,m范数约束的最小方差无畸变响应(,Jmnorm constlraIntMinimumv1ar。lancei)istortionless Response,,lm.MVDR)波束形成器。,lm.MvDR的权向量波束能更好地抑制干扰,因而,lm.MvDR的方位分辨信噪比门限低于MvDR。对比分析MvDR和,l一.MvDR的稳健性,当阵列存在失配时,MvDR和,lm.MvDR的性能受影响,随着失配的增大,,lm.MvDR比MvDR退化要快,因而,lm.MvDR的分辨能力是以损失对失配的稳健性为代价的。 将宽带导向最小方差波束形成fSteered Mlnlmumv1arlance,sTMv0算法扩展到矢量阵,并与基于声矢量传感器均匀直线阵的:Bai~tlett、非相干最小方差(ncoheren!,Mlnlmum1arlance,IcMv)和空间重采样相干子空间最优(Spatially Resampled Minimumv1arlance,SRMv)波束形成算法进行比较:分析标量阵与矢量阵指向性、抗左右舷模糊、主波束宽度和旁瓣级、空间欠采样,方位分辨力、相关信号源的分辨能力以及强干扰下的弱目标检测能力。最后利用这几种矢量波束形成算法对三次海试数据进行了分析。当目标快速运动时,目标方位的改变会引起互谱密度矩阵的模糊,影响波束形成性能。因而,收敛快的sTMv波束形成与收敛慢的IcMv相比,方位谱主瓣更窄,旁瓣更低。 为了充分发挥线谱信噪比高的特性,提高三维方位历程检测线谱目标的能力,提出了频率方差加权波束形成检测器。首先分析了短时傅里叶变换瞬时频率方差估计,给出了它的理论解,并通过Monte car0仿真验证了其正确性。当线谱的谱级信噪比超过一定门限时瞬时频率方差为零。用频率方差对波束能量进行加权,线谱目标方位波束因输出信号的瞬时频率方差较小得到增强,而其他方位波束被抑制,从而有效提高对线谱目标的检测能力。然后通过仿真频率方差加权常规波束形成(varlance of lnst3mtaneous frequencv.conventional Beaanib~"ruing Beamibrmlng,vIF.cBF)和频率方差加权导向最小方差波束形成(v1arlance of instantaneous frequency.Steered Minimumv1arlance BeamIbianlng,vIF.sTMv),分析了频率方差加权波束形成抑制无线谱强干扰,增强线谱目标的机理。还比较了倒数加权与指数加权的特性。最后海试数据处理验证了本文提出的vIF.sTMv检测器,处理结果表明,vIF.sTMv检测器可以有效的提高线谱目标的检测能力。


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