基于时延估计的分裂阵时域波束形成技术

大孔径拖曳线列阵受舰艇横向机动、洋流影响和水动力影响时会产生一定的阵形畸变,阵形畸变使得波束形成时阵列流型失配,进而降低了目标方位分辨率和阵处理的增益。在无法进行阵形估计时,基于时延估计的分裂阵时域波束形成技术将大孔径拖曳线阵分为左右两个子阵分别做波束形成,通过加权广义相关时延估计算法估算对应波束的时延差,再依据估算时延差对左右两个波束进行延时求和得到最终的波束信号。仿真和海试数据证明,相对于全阵直接做波束形成的方法,基于时延估计的分裂阵的时域波束形成技术有效提高了目标方位分辨率和阵处理的增益。     

基于阵形畸变补偿的多线阵左右舷分辨研究

多线阵可解决单线阵在目标探测中的左右舷分辨模糊问题,但阵形畸变不利于准确实现对目标的左右舷分辨。本文针对多线阵在拖曳过程中出现的典型阵形畸变,定量地分析了其对目标左右舷分辨的影响,并提出了一种基于阵形畸变实时测量补偿来进行目标左右舷分辨的方法,海上实验数据分析结果表明,该方法可实现阵形畸变下的目标左右舷分辨,对于提高拖曳多线阵声纳性能具有参考价值。     

拖线阵的阵形畸变与左右舷分辨

能否利用信号处理方法在单根普通线列阵上实现对目标的左右舷分辨是一个具有实用价值的研究点,文中利用线列阵在拖曳过程中产生的阵形畸变现象来解决单根普通线列阵的左右舷分辨问题。首先建立了拖线阵两种可能的阵形畸变模型:阵列呈圆弧状和阵列呈横向随机误差的类直线阵;然后分析了这两种畸变情况对拖线阵波束形成带来的问题;指出了畸变阵从原理上破坏了直线阵列处理中固有的对称性,按照畸变后的阵形进行波束形成,即可完成对目标的左右舷分辨。在合适的水听器位置标准偏差下,镜像源抑制比能达到10 dB以上,并且能显著改善波束形成效果。仿真实验研究充分证明了以上结论。     

阵形畸变对拖曳双线阵左右舷分辨性能的影响

分析了阵形畸变对拖曳双线阵左右舷分辨性能的影响.首先由双线阵指向性函数及左右舷抑制比公式,推导并定义了双线阵声呐实现左右舷分辨的两个关键参量──特征方位和特征频率.然后在引入阵形畸变量的基础上,利用阵形畸变时的左右舷抑制比公式,进一步推导得到特征方位及特征频率关于阵形畸变量的解析关系式.理论分析、仿真结果以及海上试验数据都表明,阵形畸变会改变特征方位和特征频率,造成拖曳双线阵左右舷分辨性能下降甚至再次产生左右舷模糊.     

基于多级恒模阵的拖线阵拖转时的阵形自校准方法

针对拖船转弯时,弯曲的拖曳线列阵的波束形成和方位估计,提出了一种先盲捕获信号,再校准阵形并估计目标方位的方法。该方法首先利用多级恒模阵对多个独立的目标信号进行盲分离,并估计出拖线阵对目标的方向向量;然后再根据方向向量对拖线阵阵形进行校准并估计出目标方位。其中,阵形自校准时的核心问题——一个多维非线性约束最小二乘问题采用了遗传算法进行求解。文中还推导了对阵元位置和目标方位估计的克拉美罗界。针对较大弯曲度拖线阵的计算机仿真实验,结果表明该方法不依赖于阵形就可实现对目标信号的捕获与分离,具有自适应抑制其它方向入射干扰信号的能力,并可以对阵形和目标方位进行有效估计。仿真结果验证了方法的正确性和有效性。     

随机线列阵的波束形成

为解决拖曳线列阵基元位置不定性问题,本文给出模拟阵形时空曲线方程和信号时空采样矩阵,求出随机化处理平均波束图,将理论模拟和试验结果作了比较,得到阵形变化和畸变损失的定量结果.还给出阵形估计的一种模型,并进行动态补偿的试验研究.结果表明,对中等畸变低速拖曳的小型线列阵,动态补偿可以得到4dB的增益改善.     

波束形成与独立分量分析融合的宽带高分辨方位估计方法

针对波束域高分辨方位估计存在方位估计偏差大等缺点,提出了将波束形成与独立分量分析融合的宽带高分辨方位估计方法:(1)阵元域数据转换到波束域后,对多波束数据利用基于二阶统计量的独立分量分析算法处理,(2)将波束域独立分量分析融合方法输出结果重构回阵元域信号,(3)对重构后的阵元域数据,使用约束最优化方法改进的MUSIC算法做高分辨方位估计。最后利用ICS (Interactre Circuts&System)声呐模拟器数据和海试数据对算法进行了验证。结果表明:本文方法在弱目标检测、观测区域外强干扰抑制、方位分辨率方面都优先于波束域MUSIC和波束MVDR方法。      

基于多个小孔径基阵的水下目标宽带波达方位估计方法

本文将多小孔径基阵应用于声纳浮标阵对可疑海区进行快速搜索的研究中,提出了一种基于多个小孔径子阵的宽带目标方位估计方法.该方法采用一种新颖的降秩估计器的信号模型,对多个小孔径子阵的输出信息进行综合处理,然后使用近似意义上的降秩估计器对目标源进行方位估计.所建立的阵列模型中不需要包含有关小孔径子阵之间的任何位置信息,因此,有效地减小了因阵形估计带来的烦杂工作和估计误差对方位估计性能的影响.仿真结果表明,此方法提高了定向精度,给出了稳定的目标方位估计.     

声屏蔽技术抗拖船干扰

提出了多途信道中的声屏蔽技术,并应用于抗拖船干扰,以克服传统的阵处理办法抑制拖船干扰时所存在的探测盲区问题。把拖曳线列阵接收的拖船干扰和同方位的目标信号在频域通过一个屏蔽聚焦权滤波器,在对干扰屏蔽的同时,对目标聚焦。针对聚焦权实用性差的缺点,又提出了屏蔽非聚焦权,并与常规波束形成做了比较。11元水平阵数据仿真结果表明,该技术提高了处理增益约5 dB;在抑制拖船干扰提高处理增益的同时,理论上也可以消除掉在该方向上强目标干扰形成的探测盲区。     

论阵形畸变的拖曳式线列阵的工作方式的选取问题

阵形畸变是拖曳式线列阵声呐性能偏离理想情况的主要原因。本文讨论在常见阵形畸变方式下,线列阵指向性的计算。给出在各种不同参数下求解椭圆反函数以确定每个基元的精确坐标的方法。同时给出一种递推的公式,用于快速求解畸变阵的阵形。根据对畸变阵指向性与理想指向性的比较,提出拖曳式线列阵的工作方式选取的准则。从而解决了拖曳式线列阵声呐性能预报这一课题。计算机模拟结果与理论分析完全一致。     

拖曳线列阵机动时的一种目标检测算法研究

根据水动力学流体运动特性,对Burgess建立的水中运动拖缆模型进行了修正,并基于有限差分法和牛顿迭代法提出修正模型的实时求解方法。同时,在阵形求解理论和自适应宽带聚焦波束形成理论的基础上,提出一种畸变阵的目标检测算法。将实时计算所获得的阵元位置信息作为变量引入自适应宽带聚焦波束形成算法中进行目标检测。并进行了海试。试验中在常规算法失效的情况下该算法准确的检测到目标。数据处理结果表明,该算法在阵形大幅度畸变时的输出信噪比比常规算法高15 dB。解决了拖线阵在机动(转向)过程因阵形畸变而无法检测目标的问题,充分验证了该算法的有效性。      

阵形畸变对双线阵左右舷分辨的影响及其纠正

双线阵左右舷分辨是利用两个单线阵的波束输出信号进行时延估计,根据时延值的符号判断目标所处的左右舷。当双线阵发生畸变时,特定情况下左右舷结果发生变化。本文对该现象进行了分析,并同时给出了一种修正补偿方法。最后通过对试验数据的处理证明了方法的有效性。     

采用条件波数谱密度函数的宽带高分辨方位谱估计算法

针对宽带高分辨方位估计存在方位估计偏差大、算法复杂度高等问题,提出了一种基于条件波数谱密度(Conditional Wavenumber Spectral Density based,CWSD-based)的宽带高分辨方位谱估计算法.该算法利用条件波数谱密度将阵列信号转换到频率-波数空间,宽带信号能量在该空间的坐标呈现与入射角相关的线性分布,通过借鉴直线检测原理,实现邻近目标的高分辨方位估计,且无需预估角度和信源数等信息。仿真结果表明,该算法理论分辨率与处理最高频率成反比,估计均方误差约为0.1°,对阵形畸变鲁棒,运算效率高。海上试验数据表明,本文方法在方位分辨率、弱目标检测、非目标向噪声抑制、稳健性等方面都优于宽带常规波束形成和最小方差无畸变算法,在实际海洋中可实现超低旁瓣高分辨波达方向估计。      

拖船噪声抵消与左右舷分辨联合处理方法的研究

利用拖曳双线阵声纳基阵结构的左右舷分辨能力,并结合拖船相对于拖曳线列阵的空间位置关系,本文提出一种拖船噪声抵消与左右舷分辨联合处理的方法,在波束域分别形成左右波束并将映像波束相减,在检测目标并进行左右分辨的同时,可以显著抵消拖船噪声。海试结果验证了该方法的有效性,拖船噪声被抑制掉约14dB,同时正确分辨出目标的左右舷方位。     

线性约束自适应逆波束形成研究

逆波束形成较常规波束形成有较好的方位分辨力,但其旁瓣较高,为抑制旁瓣并进一步提高阵增益和方位分辨力,本文提出一种自适应逆波束形成方法,通过设计自适应滤波器对虚拟阵列进行加权,提高阵增益和方位分辨力。理论分析表明自适应逆波束形成能够抑制旁瓣和噪声,阵增益较常规波束形成和逆波束形成提高约3 d B,数值仿真结果表明,自适应逆波束形成的旁瓣降低,阵增益和方位分辨力提高,实验数据处理结果表明自适应逆波束形成具有良好的方位分辨能力和目标检测能力,从而验证了其抑制旁瓣、提高方位分辨力和阵增益的有效性。     

基于特征频率的拖曳双线阵最优左右舷分辨

左右舷模糊是拖曳单线阵固有的缺陷,而拖曳双线阵具有左右舷分辨能力。本文利用双线阵的指向性函数,通过对双线阵左右舷抑制比的分析,给出使左右舷抑制比最优的特征频率,并提出一种适用于宽带信号的拖曳双线阵左右舷分辨方法。理论分析表明:当目标方位已知时,特征频率仅依赖于双阵问距,且对双阵间距变化有相当的宽容性;基于特征频率的常规波束形成使左右舷抑制比有显著改善。海试结果验证了特征频率的存在,通过对比证明了方法的有效性。     

一种新颖的短线阵高精度定位系统

本文提出了一种基于自适应相位差计的方位序列估计技术,在应用于一个短线阵的分裂波束定向系统时,不仅有较高的测向精度,而且因为可以获得较高的阵处理增益,因而能对远距离目标进行精确定位。     

浅海低频长线阵声源方位估计*

浅海大孔径水平阵信号估计近端射的低频声源方位时, 常规波束形成会产生明显的波束偏移和分裂现象, 从而造成单声源方位估计偏差。针对这一问题, 提出一种基于块稀疏压缩感知的声源方位估计方法。根据简正模理论, 将水平阵接收声场表示为方位角空间的块稀疏信号模型, 并通过块正交匹配追踪算法进行方位估计。仿真和2011年北黄海实验数据结果表明所提块正交匹配追踪方法可实现浅海波导环境下低频近端射的单个声源方位的准确估计。     

改进的高分辨逆波束形成算法在圆阵中应用

针对常规逆波束形成不能突破瑞利限问题,相关学者提出一种基于自回归模型的逆波束形成算法来改善逆波束形成算法的方位分辨率;但在实际应用中,该算法的检测性能比逆波束形成算法差。对此,本文通过修改自回归模型来改善基于自回归模型的逆波束形成算法的检测性能,并将其应用于圆阵中。改善后的算法在保证对目标方位高分辨率检测的同时,在较低信噪比条件下可实现对目标方位的有效检测。理论分析和数值仿真验证了改善后的算法相比基于自回归模型的逆波束形成算法在检测性能提高了近10log(2K 1)dB( 2K 1 为虚拟线阵阵元数) 。     

频域盲源分离与波束形成结合抑制方向性强干扰方法

针对方向性强干扰严重影响无源声呐弱目标检测的问题,提出了频域盲源分离与波束形成结合的干扰抑制方法:以子带分解的方法实现宽带干扰抑制。对每个子带进行频域盲源分离,并估计出各分离信号的方位,将与给定强干扰方位匹配的分离信号置零,利用估计的解混矩阵和处理后的分离信号重构回阵元域信号并进行波束形成实现目标方位估计。声呐模拟器数据与海试数据验证结果表明,相对于传统零陷常规波束形成与零陷最小方差无失真响应波束形成方法有2 dB以上的增益,约6 dB的背景级降低,证明该方法在抑制方向性强干扰方面是有效的。