稳健波束形成与高分辨方位估计技术研究

论文摘要

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：1．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。2．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测和方位估计性能。3．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。4．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。5．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特征，然后利用针对均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，此方法能自动地在干扰方位形成尖锐的零陷抑制强干扰，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。6．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束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。7．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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究历史及现状
• 1.2.1 波束形成技术
• 1.2.2 高分辨方位估计技术
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 声纳基阵信号处理的数学模型
• 2.1 水下目标辐射噪声特性和海洋环境噪声
• 2.1.1 水下目标辐射噪声特性
• 2.1.2 海洋环境噪声
• 2.2 声纳基阵输出信号的数学模型
• 2.2.1 窄带信号统计模型
• 2.2.2 相干信号统计模型
• 2.2.3 宽带信号统计模型
• 2.2.4 存在基阵误差时的阵列统计模型
• 2.2.5 典型声纳基阵的阵列流形
• 2.3 水声阵列信号处理的相关技术
• 2.3.1 波束形成技术
• 2.3.2 子空间类高分辨方位估计技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 稳健自适应波束形成技术
• 3.1 系统误差和有限次快拍对自适应波束形成性能的影响
• 3.2 基于空域矩阵滤波的稳健自适应波束形成方法
• 3.2.1 实现步骤
• 3.2.2 空域矩阵滤波
• 3.2.3 自适应最优权的求取
• 3.2.4 算法的稳健性分析
• 3.3 抑制快速运动强干扰的稳健自适应波束形成方法
• 3.3.1 噪声特征值扰动对自适应波束形成性能的影响
• 3.3.2 对角加载因子的确定
• 3.3.3 零陷展宽技术
• 3.3.4 展宽零陷的稳健自适应波束形成
• 3.3.5 广义对角加载技术的性能分析
• 3.3.6 展宽零陷的稳健自适应波束形成方法的性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 稳健波束域高分辨方位估计方法
• 4.1 波束域高分辨方位估计方法的数学模型
• 4.2 基于低旁瓣波束优化的波束域高分辨方位估计方法
• 4.2.1 基于实测阵列流形的预成多波束优化设计
• 4.2.2 水池实验研究
• 4.3 抑制运动强干扰的稳健波束域高分辨方位估计方法
• 4.3.1 展宽零陷的稳健自适应波束形成
• 4.3.2 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 空域矩阵滤波器设计及在目标方位估计中的应用
• 5.1 基于空域矩阵滤波的目标方位估计
• 5.2 常规空域矩阵滤波器的优化设计
• 5.2.1 空域矩阵滤波器的设计原理
• 5.2.2 基于最小二乘原理的空域矩阵滤波器设计
• 5.2.3 基于凸优化技术的空域矩阵滤波器设计
• 5.2.4 基于常规空域矩阵滤波的目标方位估计仿真分析
• 5.3 自适应空域矩阵滤波器的优化设计
• 5.3.1 基于二阶锥规划的自适应空域矩阵滤波器设计
• 5.3.2 基于自适应空域矩阵滤波的目标方位估计仿真分析
• 5.4 降维自适应空域矩阵滤波器的优化设计
• 5.4.1 基于离散椭球序列设计期望滤波矩阵的降维设计方法
• 5.4.2 基于常规波束形成设计期望滤波矩阵的降维设计方法
• 5.4.3 二阶锥规划表述
• 5.4.4 基于降维自适应空域矩阵滤波的方位估计仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于虚拟插值矩阵滤波的方位估计方法
• 6.1 基于虚拟插值阵列的方位估计
• 6.1.1 虚拟插值阵列变换的基本理论
• 6.1.2 虚拟阵列的方位估计
• 6.2 非插值区间衰减控制方法
• 6.2.1 阴带衰减控制的插值空域矩阵滤波器优化设计
• 6.2.2 超低阻带衰减插值空域矩阵滤波器性能的仿真分析
• 6.3 自适应虚拟插值空域矩阵滤波方法
• 6.3.1 自适应插值空域矩阵滤波器的优化设计
• 6.3.2 基于自适应插值空域矩阵滤波的方位估计性能分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 宽带高分辨方位估计技术
• 7.1 宽带高分辨方位估计方法
• 7.1.1 非相干信号子空间处理方法
• 7.2.2 相干信号子空间处理方法
• 7.2 基于恒定束宽波束输出的高分辨方位估计
• 7.2.1 基本原理
• 7.2.2 基于凸优化技术的宽带恒定束宽波束形成器设计
• 7.2.3 恒定束宽波束的设计实例
• 7.2.4 方位估计性能的仿真与实验分析
• 7.3 基于虚拟插值空域矩阵滤波的高分辨方位估计
• 7.3.1 基本原理
• 7.3.2 宽带虚拟插值空域矩阵滤波器的设计
• 7.3.3 方位估计性能的仿真分析
• 7.4 非相干宽带高分辨方位估计方法
• 7.4.1 基于自适应空域矩阵滤波的非相干宽带方位估计
• 7.4.2 基于自适应插值空域矩阵滤波的非相干宽带方位估计
• 7.4.3 方位估计的仿真分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文的主要研究内容及结论
• 8.2 有待进一步研究的问题
• 附录A 二阶锥规划算法简介
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的论文及参与的研究项目