一种高效的自适应波束域变换方法及应用研究

波束域变换将阵元域数据投影到一个低维的波束域空间, 不仅能够减小信号处理算法的运算时间, 提高算法性能, 还能够抑制干扰. 本文针对常规自适应波束域变换方法需要在线调整波束变换矩阵、更新波束域导向矢量由此导致实时实现困难的问题, 提出一种高效的自适应波束域变换方法. 该方法将波束域协方差矩阵与导向矢量均表示成不依赖自适应波束变换矩阵的闭合形式, 省去在线调整与更新过程, 使运算效率得到了显著提高. 最后将该方法应用到波达方向(DOA)的估计之中, 仿真研究表明, 本文方法获得了比常规自适应方法更好的DOA估计性能. 此外, 本文方法还具有另一个非常突出的优点, 即它可以有效抑制运动强干扰. 这是因为本文方法无需训练波束变换矩阵, 其当前运算结果与历史快拍数据无关, 这样可以有效避免常规自适应方法中因目标运动所导致的训练数据与应用数据失配的问题.     

基于时频分析的多目标盲波束形成算法

针对现有盲波束形成算法适用范围较窄, 多目标信号分离级联模式结构复杂、并联模式稳定性较差等问题, 提出一种基于时频分析的多目标盲波束形成算法. 该算法首先利用时频分析技术给出信号导向矢量的不确定集, 然后优化求解导向矢量的最优估计, 最后利用Capon方法实现多目标信号的并行输出. 理论分析及仿真结果表明, 该算法对信号特性没有特殊要求, 适用性较广, 性能稳定, 且输出信干噪比高于其他盲波束形成算法, 接近于最优Capon波束形成器.     

双基地多输入多输出虚拟阵列的稳健低旁瓣波束优化技术

双基地多输入多输出(MIMO)系统需要对目标的波达角和波离角进行二维估计,针对高分辨算法中阵列协方差矩阵处理运算量大以及估计性能对阵列流形失配敏感的缺陷,提出了一种基于二阶锥规划的抗阵列流形失配的双基地MIMO虚拟阵列波束优化算法.该方法利用MIMO的波形分集技术与双基地的目标定位解算,通过波达角和波离角在双基地定位椭圆上的对应关系,将双基地MIMO的二维合成方向矢量转化为一维的虚拟阵列流形,并证明了双基地MIMO虚拟阵列的波束图等效为发射波束图在接收阵角度域上的响应和接收波束图的合成.在优化波束图旁瓣的同时,该算法兼顾了固定方向上的相干干扰抑制,并提高了双基地MIMO虚拟阵列波束优化抗阵列流形失配的能力.通过波束图和方位谱优化的仿真分析和水池试验,验证了算法的有效性.     

模态信息非完备采样对水下声源检测的影响及改进方法

给出了海洋波导中位置未知简谐声源的广义似然比检测器及其理论检测性能.通过对检测器中模态相关矩阵进行特征值分解,将该检测器分解为与各阶特征值相对应的谱成分.推导了各阶谱成分的统计特性并以此获得了谱成分对输入信号的空间处理增益,该增益与谱成分对应的特征值成正比.当模态信息采样不完备时,模态相关矩阵存在部分接近于0的小特征值,相应的谱成分对输入信号的空间处理增益与其余谱成分相比非常小.通过舍去这部分谱成分,提出了有效谱检测器.该检测器在保持其输出中目标信号成分与广义似然比检测器相同的基础上,有效减少了其中的噪声成分,因此,具有比广义似然比检测器更好的检测性能.在典型的浅海环境下进行仿真实验,仿真结果验证了理论分析、推导以及有效谱检测器的有效性,并且表明非完备采样程度越严重,有效谱检测器相对于广义似然比检测器的检测性能提高越显著.此外,有效谱检测器具有比广义似然比检测器更好的数值计算稳健性.     

基于半定规划和秩-1分解的稳健波束形成

针对标准Capon波束形成器在存在导向矢量失配时性能急剧下降问题, 提出了一种基于半定规划和秩-1分解的稳健波束形成算法. 该方法通过对实际导向矢量的估计提高自适应波束形成算法稳健性. 首先分别从干扰抑制和噪声抑制两个方面推导了新导向矢量应满足的约束条件, 并证明了利用矩阵滤波器构造约束条件的合理性; 构造了估计最优导向矢量的优化问题并将其转化为易于求解的松弛半定规划问题, 同时引入秩-1分解理论用于优化问题的求解. 仿真分析表明, 与目前较为常见的算法相比, 本文算法只需利用期望信号可能入射区间这一先验信息, 能获得更高输出信干噪比和功率估计精度. 关键词： 稳健自适应波束形成 半定规划 秩-1分解 导向矢量估计     

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。      

应用经验模态分解的拖船噪声信号重构及抵消方法

针对拖船干扰的时空特点,提出了将EMD(Empirical Mode Decomposition)应用于拖船噪声信号重构及抵消的方法。为了解决以往需要人工干预挑选EMD输出的多路IMF分量的缺点,提出了将多路IMF(Intrinsic Mode Function)分量与基元域信号按照线谱与连续谱分别做功率谱相关并以谱相关系数最大为准则的挑选算法。基于逆波束形成的理论,利用挑选后的IMF分量重构基元域信号,并与原始基元域信号谱减后再进行方位估计。拖曳声呐模拟器数据与实际海试数据验证结果表明,本文算法能够提高弱目标空间增益,尤其是对于靠近干扰盲区的弱目标空间增益提高明显,并且对拖船多途角扩展干扰也具有较好的抵消能力。      

子空间方法用于宽容的自适应波束形成

由于浅海波导和接收阵本身存在大量的不确实性,使得接收到的阵数据产生严重的失真,而常见的自适应波束形成方法如MVDR对失配很敏感。为此,本文提出了一种宽容性的自适应子空间波束形成方法。考虑一个具有空间特征的信号位于已知的子空间,但在子空间中的具体位置未知,并将干扰建模为子空间干扰。首先对未知参量进行最大似然估计,代入似然比检测中得到广义似然比检测(GLRT),从而得到子空间波束形成器。通过对不同失配情况下仿真以及实际海试数据处理验证了子空间波束形成器的性能,仿真和实验数据处理结果表明,子空间波束形成器比MVDR更宽容,比较明显提高检测和估计性能。     

功率受限的常规波束形成后处理拟合方法

针对水下目标方位超分辨估计问题,提出一种功率受限(Power Constraint)的常规波束形成(Conventional BeamForming)拟合算法(PC-CBF)。PC-CBF算法通过常规波束形成获得目标方位谱数据,利用阵列响应向量对方位谱进行后处理,准确估计目标个数与目标方位。算法对接收信号的功率进行限制,获得对方位谱的欠拟合,利用凸优化进行反演卷积,估计目标的方位信息。仿真结果表明,算法性能在分辨率上优于基于半正定规划的常规波束形成算法(semi-definite programming Conventional BeamForming,sdp-CBF)和多重信号分类(MUltiple SIgnal Clasification,MUSIC)。对水池实验数据以及湖试数据处理结果显示,PC-CBF算法能够获得较窄的谱峰宽度以及较低的背景级,具有较强的方位估计分辨能力。      

协方差矩阵重构的稳健自适应波束形成算法

针对协方差矩阵含有期望信号成分以及波束指向角失配时,传统自适应波束形成器性能严重下降的问题,提出了协方差矩阵重构的稳健自适应波束形成算法。该算法将全空域划分成若干互不重叠的区域,分别对应干扰区域与信号区域,先利用Capon波束形成器对干扰区域积分,由此构造出干扰协方差矩阵。然后,利用标准Capon波束形成器的波束域MUSIC谱估计法对信号区域积分,重构出信号协方差矩阵,以其主特征向量作为期望信号导引向量估计。由于算法重构了干扰加噪声协方差矩阵并对导引向量进行了修正,保证了自适应波束形成器的性能。理论分析和仿真实验结果表明,算法在训练数据含有期望信号成分和波束指向角度失配情况下具有良好的性能。      

波束域高分辨方位估计的方法、统计性能及水池实验结果

本文针对水声设备的实际应用，研究了波束域高分辨方位估计的MUSIC方法。首先分析了波束形成方法获得处理增益的原理，揭示了波束域高分辨方法具有较低分辨门限的机理；给出了波束域高分辨MUSIC算法，通过计算机仿真，比较了波束域和阵元域高分辨MUSIC法的统计性能，显示了波束域高分辨方法的优越性；进行了消声水池实验，结果表明波束域高分辨MUSIC法分辨力高，对阵列误差具有较大的宽容性。     

噪声中的线谱检测及自动提取研究

线谱是水中目标检测与识别的重要特征,其自动提取对于水中无人探测系统至关重要。采用统计信号分析方法得出了线谱检测的接收机工作特性曲线,理论分析了线谱自动提取时一定虚警概率下的峰高门限,并提出一种自动门限以适应不同背景方差的变化。实测数据分析表明,本文方法在不同噪声背景下自动提取线谱的效果较好。     

基于数字信号处理的嗓音控制开关(VOX)算法研究

本文提出了一种基于数字谱分析的嗓音控制开关(VOX，Voice—Operated Transmit)的新算法，该算法简单、实用，在某种程度上克服了传统VOX算法的结构复杂、参数难调等局限，对噪声的鲁棒性也较好，而且易于用数字信号处理实现。首先利用信号功率谱二次处理，提取出语音的平均幅度包络，然后对所得包络进行阈值处理、限幅放大，最后就得到VOX函数。理论分析和计算机模拟结果表明，该算法不仅能较为准确地提取出语音波形的平均幅度包络，而且能工作在较低的信噪比条件下。     

An algorithm to improve signal-to-noise discrimination in Doppler spectrum analysers

An algorithm for the discrimination between signal and noise in Doppler spectrum analysers is proposed. Test results show that the algorithm can be used to estimate ‘objectively’ the maximum frequency of a spectrum independently of the subjective judgement of the operator and the spectrum analyser gain.     

水下运动声源的方位方差检测方法

为了提高对水下运动目标的检测能力,利用水下目标辐射信号与海洋环境噪声在空间分布特性上的差异,提出了一种方位方差检测方法。该方法采用时延估计法估计目标方位,对方位求方差以获得检验统计量。采用奈曼-皮尔逊准则,推导了该方法的检测概率关系式,得出了检测性能与信噪比关系曲线,并与宽带能量检测方法进行了比较,表明该方法的性能远优于宽带能量检测方法。理论分析和海上试验结果都验证了该方法的有效性。     

基于S变换的脉冲星辐射脉冲信号检测

为了提高脉冲星辐射脉冲信号的检测速度和在低信噪比下的检测效果, 提出了一种基于S变换的脉冲星辐射脉冲信号检测算法. 文中证明了高斯白噪声S变换域功率谱服从自由度为2的卡方分布, 基于此对累积信号S变换域功率谱进行阈值处理,累加阈值处理后的时频功率谱作为统计量进行检测. 此外阈值处理后的功率谱也可用来测量脉冲星信号的时间延迟. 仿真实验验证了本文算法的有效性,其检测性能优于同类的基于高斯分布模型的检测算法, 同时还可以在一定精度下给出脉冲星信号的时间延迟值. 关键词： 脉冲星 卡方分布 S变换域检测 时延测量     

Improved passive acoustic band-limited energy detection for cetaceans

Acoustic detection of cetaceans is challenged by the variability of calls and the presence of variable background noise. One detection method is to start with frequency band-limited signal and noise estimates, and apply a likelihood ratio test (LRT). These detectors suffer from false alarms when broadband signals overlap the band of interest, triggering detection. Some detectors only consider previous samples, causing further false alarms. The authors propose a method of reducing false alarms by defining a guard band that is not expected to contain energy from the species of interest. A second LRT is performed by testing the ratio of the signal estimate in the signal band with the signal estimate of the guard band. This method is shown to reduce false alarms with a small reduction in detection performance. A detection method is also presented that can be optimized for high processing efficiency, while improving false-alarm rejection from signals that are longer in duration than the signal of interest. Performance is demonstrated on real cetacean recordings and ocean noise. The detection algorithm is implemented in PAMGUARD, an open source Java application designed for passive acoustic monitoring (PAM) of cetaceans.     

虚拟时间反转水声信号检测

针对目标辐射声信号特性未知的情况,在不增加额外水声换能器的条件下,研究提高水听器阵列对水声信号检测性能的方法。首先,按照经典二元检测问题处理方法分析了常规能量检测方法的性能,在此基础上,根据虚拟时间反转处理原理,对处理后的信号构建检测统计量,推导得到了虚拟时间反转检测方法的理论门限和检测性能的表达式,并通过与常规能量检测的对比分析了虚拟时间反转检测的处理增益。使用计算机仿真实验从声源频率、接收阵列阵元数、目标距离与深度等方面分析了两种方法的检测性能。结果表明,所提出的算法相对于常规能量检测算法在性能上有显著优势,且接收阵元数是对算法性能影响最为明显的因素。