密布式多输入多输出声呐阵列目标波达方向估计

针对低信噪比条件下多输入多输出声呐受对称噪声分量影响导致测向性能降低的情况,提出了一种基于协方差矩阵重构方法的波达方向估计算法。首先,将噪声场分为对称噪声和非对称噪声两部分,利用协方差矩阵虚部与对称信号无关的性质,去掉协方差矩阵的实部来降低对称噪声对目标波达方向估计精度的影响,采用降维转换方法和矩阵虚部置换原理重构协方差矩阵的实部,避免了双频谱的干扰。然后利用Toeplitz方法对重构的协方差矩阵进行解相干修正,通过奇异值分解获得噪声子空间,最后对目标的波达方向进行估计,可实现微弱信号的准确测向。理论分析和实验结果表明,该方法明显抑制了对称噪声,提高了目标的波达方向估计性能,具有运算速度快、自由度高和目标分辨力强的特点。      

A subspace fitting algorithm of acoustic vector sensor array and corresponding matrix pre-filter design

In order to ease the pass-band response distortion of the matrix pre-filter,a simple approach for designing matrix spatial filter is proposed,which minimizes the sum of the k maximal distortion norm（k is the number of the constraint points）within the pass-band,while constraining the filter response within the stop-band.Considering the costly amount of calculation of the high-resolution methods,an algorithm with small amount of calculation based on matrix pre-filtering and subspace fitting using acoustic vector array（MF-VSSF）is proposed.Through joint processing of signal subspace of both pressure and particle velocity,the pre-filtering matrix and the signal subspace is decreased to M-dimensional（M is the number of array-element）,hence reduces the time-consumption of the matrix pre-filter design and DOA searching.Simulation results show that,the method offers the same performance as MUSIC with pre-filtering,but has much lesser amount of calculation.Moreover,the designed prefilter can efficiently suppress the interference in the stop-band and improve the estimation and resolution performance of successive DOA estimators.     

基于哈达玛积扩展子空间的到达时间和波达方向联合估计

在窄带阵列天线正交频分复用系统的到达时间和波达方向联合估计中, 针对阵元数目较少时波达方向估计精度不高, 特别是多径数目大于阵元数目导致的波达方向无法估计问题, 提出一种基于哈达玛积扩展子空间的到达时间和波达方向联合估计算法. 该算法首先利用各阵元上的频域信道估计构成扩展信道频域响应矢量, 然后计算扩展信道频域响应矢量自相关矩阵, 并进行特征值分解得到哈达玛积扩展噪声子空间, 最后构造伪谱函数并进行二维谱峰搜索, 从而实现到达时间和波达方向的联合估计. 仿真结果表明, 与现有算法相比, 在复杂度没有大幅提高的前提下, 该算法的估计结果均方根误差更加接近克拉美罗界, 且到达时间和波达方向估计能够自动配对, 在多径数目大于阵元数目时依然适用.     

一种声矢量阵子空间拟合算法及其矩阵预滤波器设计

为了减少矩阵预滤波器通带响应畸变程度,提出了一种基于阻带约束通带最大k个误差范数和(k为约束点的数目)最小化准则的矩阵预滤波器设计方法,通过使通带内最大的k个响应误差范数和最小化,减少了通带响应畸变程度。同时针对声矢量阵方位估计算法计算量过大的问题,提出了一种基于矩阵预滤波的声矢量阵子空间拟合算法,通过对声矢量阵声压、振速信号子空间进行联合处理,将预滤波矩阵和拟合子空间矩阵均减少为M×M维(M为阵元数),从而减少矩阵预滤波器设计和方位搜索所需时间。仿真结果和分析表明该算法性能和预滤波MUSIC算法相当,但在计算量上有较大优势,矩阵预滤波方法能抑制阻带干扰,提高后续算法的分辨和估计性能。      

虚拟阵列Khatri-Rao积与子空间联合稀疏表示的DOA估计方法

利用目标信号在空域分布的稀疏性,该文提出了一种基于虚拟阵列Khatri-Rao(KR)积与信号子空间联合稀疏表示的单快拍DOA估计方法;该方法利用单次快拍的采样数据,构造出双向虚拟阵列数据,并对虚拟阵列数据的协方差矩阵进行KR积变换处理,然后对向量化后的数据进行顺序重构,利用重构矩阵的大奇异值对应的左奇异向量为估计信号子空间;最后,利用凸优化工具箱对稀疏模型进行二阶凸规划的优化求解,得到高精度的DOA估计值;仿真实验验证了算法的有效性,在低信噪比下比传统MUSIC和OMP算法具有更高的估计精度。     

宽带双曲调频信号参数化时频分析波达方向估计

针对有源探测或脉冲侦查中双曲调频信号的波达方向估计问题,提出了基于参数化时频变换(PTFT)的多重信号分类(MUSIC)测向算法,简称PTFT-MUSIC算法。该算法由发射信号确定针对双曲调频信号的参数化变换核,对接收信号进行频域参数化时频变换,利用获得的时频分布建立阵列信号时频分布模型,并以此模型设计基于时频分布矩阵的MUSIC算法以实现双曲调频信号的波达方向估计。通过仿真和实验对该算法的估计误差和多目标分辨性能进行了分析,仿真和海上实验结果表明:相比现有的时频MUSIC算法,PTFT-MUSIC算法能有效提高空间谱分辨率和波达方向估计性能,同时该算法拥有对特定调频信号筛选性,结合时频域滤波算法能有效抑制相干直达波干扰,应用于多基地声呐系统时有效提高了声呐定位性能。     

A subspace approach based on embedded prewhitening for voice activity detection

This paper presents a subspace approach for voice activity detection (VAD). The proposed approach is based on an embedded prewhitening scheme for the simultaneous diagonalization of the clean speech and noise covariance matrices to provide a decision rule based on likelihood ratio test in signal subspace domain. Experimental results show that the proposed subspace-based VAD algorithm outperforms the method using a Gaussian model in a conventional discrete Fourier transform domain at the low signal-to-noise conditions.     

波达方向估计中特征空间的信源数估计方法

提出了特征空间法信源数估计方法,它将阵列信号的协方差估计值分别投影到信号的特征子空间和噪声的特征子空间。由于信号子空间与噪声子空间相互正交,易于由表征投影大小的判据值区分信号和噪声的贡献;本方法用的是M×M阶矩阵特征值分解,M为基元数,与波达方向估计用的相同,因此节省大量的计算量;它可以在实数空间中进行运算,进一步减少运算量。进行了数值计算,检验了判据值分布,以及在信源等功率、不等功率和空间相关色噪声等情况下特征空间法的性能。估计方法还用声纳数据进行了检验。所有这些结果均证明本估计方法性能优良。      

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.     

频域单快拍压缩感知目标方位估计和信号恢复方法

方位估计和信号恢复分别是水下目标定位、跟踪和目标识别的前提。提出了一种阵列频域单快拍压缩感知的水下目标方位估计和信号恢复方法。首先将阵列接收数据变换到频域,取频域单快拍数据作为压缩感知的测量值,然后根据频域快拍对应的频率、搜索方位和阵列流形构造过完备的阵列流形矩阵作为压缩感知的感知矩阵,最后通过基追踪算法估计搜索方位上目标信号和功率,实现DOA估计与信号恢复。宽带仿真实验数据验证结果表明,同等条件下完成同样的目标方位分辨,提出的方法比最小方差无失真响应方法要求的阵元数和快拍数较少,要求的信噪比更低,恢复的目标信号更加准确,波形相关系数达到89%以上。海上实验数据处理结果表明,目标检测能力优于最小方差无失真响应方法,证明该方法可以适用于实际声呐系统。      

应用半正定规划的目标方位超分辨方法

针对水下目标方位超分辨估计问题,提出了一种基于半正定规划(Sdp)的常规波束(CBF)方位超分辨算法(SdpCBF).Sdp-CBF算法基于常规波束形成获得多目标方位谱数据,利用阵列响应矩阵和半正定规划技术,精确估计目标数量和波达角方向.该算法的本质是利用阵列特性和信号能量信息获得超分辨方位估计,不用进行子空间分解,通过卷积反演的方式将阵列孔径的有限效应消除,在L₂范数约束条件下重构空间谱.仿真表明,Sdp-CBF算法具有较强的噪声抑制能力,对非相干和相干信号均具有目标方位超分辨能力,在低信噪比环境下的方位分辨性能超过多重信号分类(MUSIC)等经典高分辨算法。对消声水池以及湖上实验数据的处理结果显示,Sdp-CBF算法在复杂环境中对相干信号及微弱信号具有较强的分辨能力。      

基于Khatri-Rao子空间和传播算子的宽带声源波达方向估计算法

本文提出基于Khatri-Rao子空间和传播算子的宽带声源波达方向估计算法。该算法将声源不同频率处的协方差矩阵变换重排为一个高维矩阵,然后利用传播算子方法估计宽带声源波达方向。该算法计算复杂度介于聚焦Khatri-Rao子空间和相干子空间算法之间。仿真和实验结果表明,该算法在降低计算量的同时,估计误差与聚焦Khatri-Rao子空间算法相近,远小于相干子空间算法。     

基于矢量水听器阵列空域预滤波处理的多重信号分类算法研究

矢量水听器能同时拾取声压和振速信息,在相同的信噪比、阵元数及阵列孔径下,矢量阵定向性能优于声压阵列。目前,以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的高分辨定向算法已经广泛应用于矢量水听器阵列中。但是随着信噪比降低、信号源方位间隔减小,传统MUSIC算法定向精度及分辨概率显著下降。本文采用最小二乘法设计适用于矢量水听器水平阵列的矩阵空域滤波器,用于阵列数据的空间滤波预处理,可以对阻带扇面噪声进行有效抑制。由滤波后的数据协方差矩阵可以得到新的噪声子空间,在传统MUSIC算法基础上修正通带扇面内阵列流型的畸变后即可得到滤波后MUSIC算法的方位谱。仿真结果表明,当信噪比较低时,改进算法有效提高了通带扇面内目标方位分辨性能。最后本文对四基元矢量水平阵列海试数据进行了处理,改进算法对窄带信号定向较常规算法-3 dB束宽减小了13°,旁瓣级降低约8 dB。对有一定带宽的行船辐射噪声定向处理得到了更加精确的航迹图,海试数据处理结果证明了该算法的可行性和有效性。     

Direction-of-arrival estimation for co-located multiple-input multiple-output radar using structural sparsity Bayesian learning

This paper addresses the direction of arrival(DOA) estimation problem for the co-located multiple-input multipleoutput(MIMO) radar with random arrays. The spatially distributed sparsity of the targets in the background makes compressive sensing(CS) desirable for DOA estimation. A spatial CS framework is presented, which links the DOA estimation problem to support recovery from a known over-complete dictionary. A modified statistical model is developed to accurately represent the intra-block correlation of the received signal. A structural sparsity Bayesian learning algorithm is proposed for the sparse recovery problem. The proposed algorithm, which exploits intra-signal correlation, is capable being applied to limited data support and low signal-to-noise ratio(SNR) scene. Furthermore, the proposed algorithm has less computation load compared to the classical Bayesian algorithm. Simulation results show that the proposed algorithm has a more accurate DOA estimation than the traditional multiple signal classification(MUSIC) algorithm and other CS recovery algorithms.     

瞬态信号的小波变换波达方向估计

针对瞬态信号方位估计问题,提出了基于连续小波变换的多重信号分类测向算法(CWT_MUSIC)。首先由信号特征确定小波尺度参数,构造Morlet小波,对信号进行小波变换,利用获得的小波变换系数建立多分辨时频阵列信号模型,并据此模型设计基于子空间的MUSIC算法以实现瞬态信号的波达方向估计;然后对该算法的多分辨与误差性能进行分析,最后仿真实验和实际爆炸试验验证了所提出的CWT_MUSIC算法能有效地提高空间谱的分辨率和DOA估计性能。     

一种改进的稀疏近似最小方差DOA估计算法研究

针对稀疏信号的超分辨方位估计问题,提出一种可变因子的稀疏近似最小方差算法(α-Sparse Asymptotic Minimum Variance,简记为SAMV-α)。该算法利用一个折衷参数进行最大似然估计值和稀疏性能的折衷处理,在迭代过程中改变稀疏近似最小方差算法(Sparse Asymptotic Minimum Variance,SAMV)的指数因子,得到强稀疏性能和超低旁瓣的方位谱图,实现邻近目标的超分辨方位估计和相干处理性能,且无需预估角度和信源数目等先验信息,并且折衷参数的取值为0到1之间,取值区间明确,避免了稀疏信号处理算法中正则因子选取困难的弊端。计算机仿真表明SAMV-α算法方位估计性能明显优于波束扫描类算法和子空间类算法,与同类型稀疏信号处理类算法相比仍具有较高的方位估计精度,同时对于邻近声源分辨能力,SAMV-α算法较SAMV-1算法性能提高约3dB。海上试验数据处理给出了分辨率更高的方位时间历程(Bering-Time Recording,BTR)图,有效验证了SAMV-α算法的性能。      

差分传声器阵列期望最大化多声源方位估计方法

针对小尺寸传声器阵列多声源方位估计易受混响噪声影响的问题,提出了一种适用于差分传声器阵列的期望最大化多声源方位估计方法。首先,该方法利用期望最大化算法求解出各个时频点瞬时方位估计所应满足的高斯混合模型参数;然后,通过时频点分离技术估计出各声源的方位值。针对现有的硬、软时频点分离技术应用于差分传声器阵列所存在的缺陷,还提出了一种改进的时频点分离方法,该方法融合了软、硬分离方法所具有的优点,有效降低了时频点分离结果对混响噪声的敏感性。仿真和实测实验结果表明:相较于现有的差分传声器阵列多声源估计方法,所提方法在混响噪声环境下具有更高的估计精度和稳健性能。      

Weak signal direction of arrival estimation for colocated multiple-input multiple-output sonar array

In order to suppress the influence of symmetrical noise component on multiple-input multiple-output(MIMO)sonar's direction of arrival(DOA)estimation under the condition of low signal-to-noise ratio,we propose a DOA estimation algorithm based on covariance matrix reconstruction method.Firstly,the noise field can be decomposed into symmetrical noise field and asymmetrical noise field.We utilize symmetry property of colored noise matrix and the feature that the imaginary part of covariance matrix has no relation with the symmetry noise to remove the real part of covariance matrix.This operation helps to suppress the influence of colored noise on DOA estimation accuracy.Based on the principle of the imaginary matrix part displacement and the dimension reduction transformation method,the real part of covariance matrix is reconstructed,which helps to suppress the bilateral spectrum interference.Thereafter,Toeplitz method is applied for the covariance matrix decorrelation amendment,and a noise subspace is formed by singular value decomposition(SVD).Finally,we can estimate the DOA of target signals.Both theoretical analysis results and numerical simulation results verify the symmetrical noise suppression performance of this algorithm,and the estimation performance of target azimuth is improved obviously.This method has the characteristics of lower operational complexity,higher degrees of freedom and stronger target resolution.     

单矢量水听器的高分辨目标方位跟踪算法研究

根据单矢量水听器自身具有阵列流型的特点,提出了适用于对目标保持连续跟踪的空域预滤波MUSIC算法。通过调整滤波器通带中心角使其保持在目标估计方位角附近,可以消除滤波器通带中心角偏离目标真实方位角时传统预滤波MUSIC算法产生的目标方位估计误差。仿真结果表明,改进预滤波MUSIC算法可以减小甚至消除低信噪比情况下目标方位估计存在的较大误差。海试数据结果表明,阵元域MUSIC和改进预滤波MUSIC都可实现对单频脉冲信号和线性调频信号的目标方位估计,且估计结果与GPS舰位推算结果一致,但改进预滤波MUSIC算法主瓣更尖锐。对宽带航船噪声处理结果显示,改进预滤波MUSIC算法使单矢量水听器在存在目标干扰时的探测距离从2 km提升到了5 km,验证了改进预滤波MUSIC算法可实现弱目标情况下的高分辨目标方位跟踪。     

Detection of number of sources and DOA estimation based on the combined information processing of pressure and particle velocity using acoustic vector sensor array

In order to solve the problem of DOA(direction of arrival)estimation of underwater remote targets,a novel subspace-decomposition method based on the cross covariance matrix of the pressure and the particle velocity of acoustic vector sensor arrays(AVSA)was proposed. Whereafter,using spatio-temporal virtual tapped-delay-line,a new eigenvector-based criteria of detection of number of sources and of subspace partition is also presented.The theoretical analysis shows that the new source detection and direction finding method is different from existing AVSA based DOA estimation methods using particle velocity information of acoustic vector sensor(AVS)as an independent array element.It is entirely based on the combined information processing of pressure and particle velocity,has better estimation performance than existing methods in isotropic noise field.Computer simulations with data from lake trials demonstrate,the proposed method is effective and obviously outperforms existing methods in resolution and accuracy in the case of low signal-to-noise ratio(SNR).