稳健的子带子阵级导向最小方差波束形成算法

导向最小方差(STMV)波束形成是一种利用导向协方差矩阵获得自适应权值的方法,具有快速收敛特性.常规的稳健导向最小方差(RSTMV)波束形成算法在处理宽频带信号时,性能下降明显.为了改善算法的性能,结合频域子带划分和空域子阵划分技术,提出一种多子带不确定集独立约束的稳健子阵级STMV波束形成算法。通过频域子带划分可对不同子带的导向向量误差范数边界进行约束,计算出各子带对应的对角加载量,得到稳健的子带级最小方差波束形成算法权向量;同时采用子阵技术进行降维处理,可进一步增加划分子带的数目,从而提高算法的性能并有效降低计算复杂度,最终得到一种稳健的子带子阵级STMV波束形成算法。理论分析和仿真结果表明,在阵列导向向量存在误差的情况下,该算法在干扰方向形成的零陷最深,且零陷波束宽度最窄,输出信噪比接近理论值,因此性能最佳.实际海试数据处理表明,在强干扰目标存在时,弱目标输出信干噪比较RSTMV算法可提高4 dB,较常规波束形成可提高10 dB,在角度分辨力和算法复杂度方面得到有效改善,同时可以保证目标功率无失真输出。      

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。      

波束形成后多干扰抵消方法

为解决常规波束形成后干扰抵消方法仅能从目标波束内消除一个干扰影响的局限性,提出了一种可实现多干扰抑制的波束形成后干扰抵消方法,用于解决多干扰条件下的弱目标波束形成问题.该方法通过最小化多个干扰波束对目标波束的影响,获得用于抵消干扰波束的加权值;然后从目标波束中减去加权后的干扰波束,从而获得抑制干扰后的目标波束。该方法继承了常规波束形成方法的稳健性,因此在阵列流型失配等存在误差的条件下可以用于目标波束形成。仿真和海上实验数据表明,与最小方差无失真响应方法和解卷积的常规波束形成方法相比,该方法可以有效抑制干扰的影响,且当目标与任一干扰方位相近时,其方位谱中可以观察到目标波束,而另外两种方法的目标波束均被干扰波束或其旁瓣所掩盖;与设置凹槽的波束图综合方法相比,该方法算法复杂度低,计算速度快,稳健性更好。      

基于干扰协方差矩阵重构的恒定束宽鲁棒自适应波束形成

针对宽带波束形成中的恒定束宽波束响应优化设计问题与鲁棒性问题展开研究。首先,提出一种基于相位补偿的恒定束宽全局优化设计方法,通过对阵列流形向量进行相位补偿来设计恒定束宽波束,与现有的一些方法相比,该方法不仅能获得全局最优解,而且物理实现简单。同时,还提出一种基于协方差矩阵重构的鲁棒自适应宽带波束形成算法。该算法采用Capon估计器估计样本数据的空间一频率谱密度函数,然后对期望信号波达方向之外的角度区间进行积分来重构干扰加噪声协方差矩阵,最后利用重构的协方差矩阵设计自适应波束形成器权系数。该波束形成器设计问题被表述成凸优化问题求解。仿真结果表明,在整个输入信噪比范围内,该算法几乎都能获得接近理想值的输出信干噪比。      

一种最差情况下性能最优化的特征分析自适应波束形成方法

自适应波束形成在弱目标检测和空域滤波中应用广泛。然而在实际海洋环境中,失配情况比较普遍,往往会导致传统自适应波束形成方法性能明显下降。针对此问题,本文基于特征分析重构观测信号协方差矩阵来抑制干扰对弱目标检测的影响,在此基础上进一步利用凸优化算法来提高波束形成方法的鲁棒性。数值仿真和海试数据处理结果表明,本文所提方法在抑制干扰对弱目标影响的基础上,在阵元位置平均误差不超过入射信号中心频率对应波长的40%的情况下,仍可以鲁棒地检测目标信号。同时,该方法显著提高了自适应波束形成方法的输出信干噪比,且受对角加载量取值的影响较小。      

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。     

深水多波束测深系统脉冲压缩实时算法

线性调频信号是大时宽带宽积信号,通过脉冲压缩可提高探测距离和分辨率,已在深水多波束测深系统中得到广泛应用。针对深水多波束测深系统中脉冲压缩运算量大的问题,提出了一种基于分组的脉冲压缩实时算法。该算法对需要进行脉冲压缩的波束进行分组,每个节拍只计算一组波束,可大幅减少深水多波束测深系统脉冲压缩的运算时间,节省了处理器资源。该算法已成功应用于某深水多波束测深系统,经多次海试证明,工作稳定可靠。     

可变不确定集约束的鲁棒自适应波束形成方法

自适应波束形成方法在存在协方差矩阵误差和导向向量误差的失配条件中性能严重下降。最差情况性能最优。(Worst-Case Performance Optimization,WCPO)方法可以显著增强失配条件下自适应波束形成的鲁棒性,但该方法存在系统性的信号功率过估计问题,并且限定协方差矩阵不确定集与导向向量不确定集的两个关键参数需要人为指定,缺乏具备明确物理意义的求解方法和数据自适应性.本文以WCPO方法为基础,给出了信号功率过估计的理论分析以及相应的改进方法,提出了基于矩阵重构的协方差矩阵不确定集参数的自适应估计方法,最终得到一种可变不确定集约束的鲁棒自适应波束形成方法(WCPO-PCVC).相比WCPO方法,该方法消除了信号功率估计的系统性偏差,且关键参数无需人为指定。数值仿真和海试数据处理结果表明,该方法在失配条件下具有良好的干扰与旁瓣抑制能力,与常规波束形成方法相比具有更好的信号到达角分辨能力,与自适应波束形成方法相比估计的信号功率更为精准。      

基于DFT插值的线性约束最小方差宽带自适应阵列

本文提出一种具有频率不变波束图的线性约束最小方差宽带自适应算法。首先给出了具有频率不变波束图的连续线阵的灵敏度函数与离散线列阵加权系数之间的关系，然后给出了使用DFT插值法求解各子带阵列权系数的方法，最后将DFT插值法应用于线性约束最小方差宽带自适应阵列。理论分析及仿真结果表明，该算法可以在实现最小方差波束形成的同时保持波束图基本不随频率变化，且该方法可以降低宽带自适应阵列的运算量。     

一种加权稀疏约束稳健Capon波束形成方法

为了克服标准Capon波束形成器旁瓣级高以及存在角度失配时性能急剧下降等缺点, 在稀疏约束Capon波束形成器的基础上, 提出了一种加权稀疏约束Capon波束形成器. 该方法利用波束响应的稀疏分布特性, 在标准Capon波束形成优化模型中加入旁瓣区域波束响应稀疏约束(l₁ 范数约束), 使旁瓣区域波束响应向量中非零元素的个数最小化; 通过阵列采样数据协方差矩阵特征分解得到信号子空间及噪声子空间, 利用信号子空间与噪声子空间的正交特性, 构造加权矩阵对稀疏约束进行加权, 使得稀疏重构时波束响应向量中不同角度对应的元素得到不同程度的约束. 该方法有效地抑制了Capon波束形成器的高旁瓣级, 加深了干扰方位零陷, 提高了阵列输出信干噪比. 由于稀疏约束, 波束响应向主瓣集中, 期望信号方向附近的波束响应都较大, 从而也提高了阵列抗导向矢量角度失配的能力. 数值仿真和水池实验验证了所提方法的有效性.     

有源声呐中的改进加权自适应高分辨距离估计方法

为提高有源声呐对目标回波亮点的距离分辨能力,提出了一种改进加权自适应高分辨距离估计方法,所提方法功率谱中的权值矩阵可采用3种形式:第1个元素为残差平方和其余为0的对角阵、单位阵、残差平方和构成对角阵,采用不同参考子带高阶线性预测的调和平均构造功率谱表达式,避免了距离维自适应方法功率谱中的低阶线性预测。通过数值仿真和水池试验对所提方法与距离维自适应方法进行了比较研究,结果表明所提方法在接近的计算量下获得较优的距离分辨能力。      

宽带恒定束宽波束形成器的设计与实现

本文提出了一种设计宽带恒定束宽波束形成器的方法,这对应用于海底探测和分类问题的声纳系统来说十分重要,对于给定频带宽度的信号,选择一定数量的频率点来表达其频率响应,对于一个给定的频点,可以通过现有方法导出满足恒定宽要求的加权矢量,例如对于一个线阵列,可用切比雪夫多项多得到其加权矢量,因此对于一个具有Ｎ个阵元的宽带阵,如果选择Ｍ个频率点,可以得到一个ＮＭ的加权矩阵,这个矩阵的每一行代表一个阵元的频率响     

柱体表面圆环阵稳健高增益波束形成的模态域直接优化方法研究

以无限长刚性柱体表面圆环阵为研究对象,提出了一种直接模态域稳健高增益波束形成方法,并将其应用到更实际的有限长刚性柱体表面圆环阵。该方法运用相位模态理论将波束响应表示成特征波束与模态系数的乘积后求和的形式,并结合散射理论求解了其模态域的噪声互谱矩阵。与已有的模态域稳健高增益方法需利用阵元域权值间接求取近似模态权系数不同的是,该方法利用二阶锥规划,在满足相关约束条件下直接给出了最优的模态权系数。仿真结果表明,直接模态域方法不仅能通过白噪声增益约束提高稳健性,在低频段还能通过改变模态阶数更灵活地在阵增益和稳健性之间折中,同时对旁瓣级等其它性能指标也能很好地控制,可用以有效设计实用的稳健高增益波束形成器。      

Array gain for a conformal acoustic vector sensor array:An experimental study

An acoustic vector sensor can measure the components of particle velocity and the acoustic pressure at the same point simultaneously, which provides a larger array gain against the ambient noise and a higher angular resolution than the omnidirectional pressure sensor. This paper presents an experimental study of array gain for a conformal acoustic vector sensor array in a practical environment. First, the manifold vector is calculated using the real measured data so that the effects of array mismatches can be minimized. Second, an optimal beamformer with a specific spatial response on the basis of the stable directivity of the ambient noise is designed, which can effectively suppress the ambient noise.Experimental results show that this beamformer for the conformal acoustic vector sensor array provides good signal-tonoise ratio enhancement and is more advantageous than the delay-and-sum and minimum variance distortionless response beamformers.     

A passive synthetic aperture phase correction algorithm for the asymmetric twin-line array sonar

A passive synthetic aperture based on phase correction algorithm for solving the port-starboard discrimination problem in the non-aligned towed twin-line array sonar,is de- scribed.This method creates a virtual array through applying the estimated phase correction into one array of twin-line arrays.Because the synthetic virtual array is aligned with the other array in twin-line arrays,the right port-starboard discriminated results can be obtained by array processing based on the new synthetic twin-line array.The effect of proposed method has been shown by simulated and sea-trials results in towed twin-line array sonar.With low extra computational loads,the proposed method is easy to apply to the practice.     

波束空间能量约束的稳健自适应波束形成

为改善波束形成器在一定失配条件下的工作性能,提出了一种稳健自适应波束形成方法。该方法通过设计信号在波束空间能量分布的约束条件,利用阵列数据协方差矩阵,结合迭代二阶锥规化方法,实现信号驾驶向量的估计,最后利用该估计得到最小方差无失真响应波束形成器。该方法在较恶劣的失配条件下也可以自适应地准确估计信号驾驶向量并保证其成分无失真地通过,使系统的稳健性得到改善。数据仿真结果表明,该方法在理想条件下与成熟的对角加载法性能相当,在失配条件下则优于后者。      

交叉验证多路径匹配追踪水声矢量阵稀疏方位估计

水下运动目标的高分辨DOA估计和目标的左右舷分辨问题一直是水声阵列信号处理中的一个核心问题。矢量阵相比于声压阵具有天然的左右舷分辨能力和更高的处理增益,近年来得到了广泛关注。Capon等一些传统高分辨处理方法存在不能解相干源、需要多快拍处理以及对阵列流行误差敏感等多种问题。针对水声阵列信号处理领域面临的以上问题,利用声呐工作场景中空间目标的稀疏性,本文提出了一种基于交叉验证技术的多路径匹配追踪（Multiplepath Matching Pursuit with Cross Validation,CV-MMP）声矢量阵稀疏DOA估计算法。该算法采用交叉验证技术可以在未知场景中目标个数的条件下实现稀疏DOA的估计,相比于常规的声矢量阵Capon算法而言,可以在小快拍数甚至单快拍数条件下实现多目标的稀疏DOA估计以及高分辨能力。仿真和海试试验数据处理验证了提出的算法的有效性。      

Matched-field depth estimation for active sonar

This work concerns the problem of estimating the depth of a submerged scatterer in a shallow-water ocean by using an active sonar and a horizontal receiver array. As in passive matched-field processing (MFP) techniques, numerical modeling of multipath propagation is used to facilitate localization. However, unlike passive MFP methods where estimation of source range is critically dependent on relative modal phase modeling, in active sonar source range is approximately known from travel-time measurements. Thus the proposed matched-field depth estimation (MFDE) method does not require knowledge of the complex relative multipath amplitudes which also depend on the unknown scatterer characteristics. Depth localization is achieved by modeling depth-dependent relative delays and elevation angle spreads between multipaths. A maximum likelihood depth estimate is derived under the assumption that returns from a sequence of pings are uncorrelated and the scatterer is at constant depth. The Cramér-Rao lower bound on depth estimation mean-square-error is computed and compared with Monte Carlo simulation results for a typical range-dependent, shallow-water Mediterranean environment. Depth estimation performance to within 10% of the water column depth is predicted at signal-to-noise ratios of greater than 10 dB. Real data results are reported for depth estimation of an echo repeater to within 10-m accuracy in this same shallow water environment.     

Robust supergain beamforming for circular array via second-order cone programming

The phenomenon of supergain for a circular array and its robust beamforming are presented. The coplanar superdirective array gain of the circular array, although it is not so extreme as an endfire line array, outperforms a lot over that of a conventional delay-and-sum beamformer in isotropic noise fields when the inter-element spacings are much smaller than one-half wavelength. However, optimum beamforming algorithms can be extremely sensitive to slight errors in array characteristics. The performance are known to degrade significantly if some of underlying assumptions on the sensor array is violated. Therefore, white noise gain constraint is used to improve the robustness of the supergain beamformer against random errors. We show that the design of the weight vector of robust supergain beamformer can be reformulated as a form of second-order cone programming and resolved efficiently via the well-established interior point method. Results of computer simulation for a 24-element circular array confirm satisfactory performance of the approach proposed in this paper.     

Time-frequency analysis of the bistatic acoustic scattering from a spherical elastic shell

The development of low-frequency sonar systems, using, for instance, a network of autonomous systems in unmanned vehicles, provides a practical means for bistatic measurements (i.e., when the source and receiver are widely separated) allowing for multiple viewpoints of the target of interest. Time-frequency analysis, in particular, Wigner-Ville analysis, takes advantage of the evolution time dependent aspect of the echo spectrum to differentiate a man-made target, such as an elastic spherical shell, from a natural object of the similar shape. A key energetic feature of fluid-loaded and thin spherical shell is the coincidence pattern, also referred to as the mid-frequency enhancement (MFE), that results from antisymmetric Lamb-waves propagating around the circumference of the shell. This article investigates numerically the bistatic variations of the MFE with respect to the monostatic configuration using the Wigner-Ville analysis. The observed time-frequency shifts of the MFE are modeled using a previously derived quantitative ray theory by Zhang et al. [J. Acoust. Soc. Am. 91, 1862-1874 (1993)] for spherical shell's scattering. Additionally, the advantage of an optimal array beamformer, based on joint time delays and frequency shifts is illustrated for enhancing the detection of the MFE recorded across a bistatic receiver array when compared to a conventional time-delay beamformer.