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宽带水声阵列信号处理的原理及方法研究

朱维杰  
【摘要】: 宽带阵列信号处理是水声信号处理的一个主要研究方向,但是宽带水声信号的处理远比窄带信号复杂的多。本文将致力于研究宽带阵列信号处理中关于宽带相干干扰的抵消、宽带基阵设计和宽带方位估计等问题。 提出了三元阵及多元阵的信号相位匹配原理,推导了利用信号相位匹配原理的空间信号估计公式,给出了信号相位匹配原理的物理意义及几何解释,分析了信号相位和噪声幅度起伏对信号估计性能的影响。 提出了利用信号相位匹配原理的宽带相干干扰的抵消方法,推导了存在相干干扰时的信号估计公式,推导了阵元间距必须满足的条件。对抵消相干干扰的性能做了详细的分析。理论及仿真结果表明,该原理在抵消宽带的、未知方位的相干干扰时具有优异的性能。 提出了一种简单、易于实现的恒定束宽波束形成器设计方法,该方法对阵形和阵元指向性没有任何限制;分别提出了基于阵列接收数据重采样、基于DFT插值和自适应综合的三种具有频率不变波束图的宽带波束形成器设计方法,对于每一种设计方法都给出了一个设计实例并做了性能分析;提出一种基于DFT插值的简化线性约束最小方差宽带自适应阵列算法,该方法可以大大降低自适应阵列的运算量。 提出了利用信号相位匹配法的宽带信号方位估计方法并从仿真和实验两方面对其进行了验证;提出了基于DFT插值的和基于频率不变响应波束域的两种宽带信号高分辨方位估计算法,这两种方法在进行方位估计时均不需要进行方位预估,从而避免了因角度预估可能带来的估计偏差;最后提出了一种提高均匀线列阵方位估计性能的时空平均法,该方法可适用于多数窄带或宽带的特征结构类高分辨方位估计算法中。


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