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。     

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。      

近似窄带假设下的最小方差无失真响应波束形成

最小方差无失真响应波束形成算法在应用于语音等宽带信号时,依赖窄带假设可以在频域各个子带分别进行滤波。窄带假设下语音信号协方差矩阵是秩-1矩阵,而实际中窄带信号模型只是实际信号模型的一种近似,同时由于存在统计量估计误差,估计的语音信号协方差矩阵的秩一般大于1。提出利用语音协方差矩阵和噪声协方差矩阵的广义主特征向量来估计相对传递函数,用于重构语音信号协方差矩阵为秩-1矩阵。在REVERB数据集以及CHiME-4数据集上进行实验验证,最小方差无失真响应波束形成算法经过语音协方差矩阵低秩近似后,对估计误差的鲁棒性提高,输出信噪比分别提升平均0.8 dB和1.4 dB,同时提升了语音识别准确率。      

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。      

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。     

依赖于频率变化模型的相干信号子空间聚焦处理方法

提出了一种依赖于频率变化模型的相干信号子空间聚焦处理新方法。相干信号子空间(CSS)宽带处理方法的核心思想是通过聚焦变换将宽带信号各频率分量的信号子空间映射成为一个信号子空间。而依赖于频率变化模型(FDM)的宽带处理方法则是通过引入一组关于频率的基函数,建立阵列信号依赖于频率变化的模型,从而直接进行宽带处理。本文把CSS的聚焦思想应用到FDM,提出了一种宽带目标方位估计方法,并构造了对角聚焦矩阵。新方法采用了FDM,增大了相关矩阵的维数,有效地反映了噪声子空间,因此比CSS具有更好的性能;采用聚焦,大大减小了FDM方法庞大的运算量。计算机仿真结果验证了新方法的有效性。     

声矢量圆阵宽带相干目标MVDR方位估计*

针对宽带相干目标的远程探测问题，本文提出一种基于声压振速联合处理和矢量重构的声矢量圆阵MVDR波束形成方法。该方法利用相位模态变换技术，将声矢量圆阵变换为与信号频率无关的虚拟线阵，并构建虚拟线阵声压与组合振速的互协方差矩阵，利用声压与振速各分量间的空间相关性有效地抑制各向同性环境噪声；并对宽带相干信号的互协方差矩阵进行矢量重构，即将最大特征值对应的特征向量划分为相互重叠的子向量，从而构建前/后向Hermitian矩阵；最后，基于MVDR波束形成器实现宽带相干目标的方位估计。仿真计算和实验数据处理结果表明，该方法具较强的解相干能力和噪声抑制能力以及较高的方位估计性能。     

复杂噪声场下对角减载技术的原理及应用

实际水下噪声场是非常复杂的,它具有一定的相关性,且各阵元接收到的噪声的功率不相等,因此归一化的噪声协方差矩阵不是单位矩阵,会使得一些阵列信号处理算法的性能下降.针对这个问题,本文充分分析了复杂噪声场的物理特性,建立了噪声协方差矩阵的物理模型,提出了一种复杂噪声场下的协方差矩阵对角减载技术.首先将数据协方差矩阵减去一个减载系数矩阵,在使得波束输出信噪比达到最大的约束条件下,获得了减载系数矩阵的理论表达式和近似表达式.然后利用最小二乘方法,估计减载系数矩阵,并且理论分析了噪声场的相关性及输入信噪比对估计误差的影响.仿真实验和湖试数据处理结果表明,在复杂噪声场条件下,该算法提高了输出信噪比,改善了阵列信号处理算法的性能,并且该算法计算复杂度低,可以实时处理.     

未知相关噪声环境下宽带源波达方向估计的快速算法

提出一种未知相关噪声环境下带源波达方向估计的快速算法。该算法只对信号子空间进行变换,直接由传播算子构造聚焦矩阵,得到一种快速TCT聚焦矩阵。利用阵列相关矩阵的酉相似变换特性估计噪声相关矩阵,提高了未知相关噪声情况下宽带DOA估计的性能。该算法由线性运算求解聚焦矩阵和噪声相关矩阵,无需特征分解,运算量低,而且适用于未知相关噪声情况,具有重要的工程实用价值。     

基于快速富氏变换插值的宽带信号方位估计

提出一种宽带方位估计算法,它利用FFT插值,将实际线列阵接收到宽带信号中的各子带信号转换成相应的虚拟阵列的输出,从而使得各子带张成的信号子空间相同,信号方位估计便可从虚拟阵列的输出中获得。通常宽带方位估计算法需要对方位角进行预估,以便构成聚焦矩阵,而对方位预估的偏差将导致最终方位估计的偏差。本文方法是先对阵列的采样输出进行预处理,再用常规方法来形成统一的采样协方差阵进行方位估计,因此避免了方位预估,使得估计结果是无偏的。仿真结果证明了该方法的有效性。     

未知相关噪声环境下相干宽带源波达方向宽容估计算法

提出了一种未知相关噪声环境下,相干宽带源波达方向宽容估计算法。在实际应用中,尤其当阵列的孔径相对较小时,环境噪声通常是空间相关的,这引起了相干子空间类算法聚焦误差的增加和波达方向估计性能的严重下降。为此,提出了一种基于差分矩阵的聚焦变换算法,该算法抵消了未知相关噪声,从而减小了聚焦误差。仿真和实验结果表明,提出的方法能适用于低信噪比环境下的方位估计,宽容性及分辨率得到明显提高。     

快速收敛最小方差无畸变响应算法研究及应用

常规最小方差无畸变响应(MVDR)自适应波束形成是一种高分辨窄带波束形成器,它是利用实际声场的窄带互谱密度矩阵(CSDM)估计出自适应波束形成权向量。在实际应用中,MVDR算法需要较长的观测时间估计协方差矩阵,不利于对高速运动目标进行定位;对于宽带目标信号,MVDR算法需要对每一个CSDM进行求逆运算,计算量较大;在相干源条件下,目标信号之间会发生"对消"现象,MVDR算法性能急剧恶化。本文提出了基于子带子阵处理的快速收敛MVDR自适应波束形成方法。首先将全频带划分成一组子带,将接收线阵划分成一组子阵,然后对每一子带计算降维的驾驶协方差矩阵(STCM),从而得到快速收敛MVDR自适应波束形成的权值和空间谱估计结果。同时采用双向空间平滑方法对相干源进行MVDR空间谱估计。仿真和海试数据处理结果表明该算法在保证高分辨力的同时,具有瞬时收敛的性能,双向空间平滑技术具有良好的解相干性能。      

基于聚焦变换的宽带信号方位稳健估计

提出了一种基于聚焦变换稳健的宽带信号方位估计算法,FTMV方法(Focusing Transform Based Minimum Variance Method)。该算法利用聚焦变换的思想将宽带阵列信号协方差矩阵聚焦到一个窄带上进行处理,实现了信号的方位积累。实验数据处理结果显示FTMV方法有效消除了阵列机动引入的目标方位估计误差,同时相对窄带MV方法(Minimum Variance Method)具有更短的响应时间、更小的计算复杂度、更好的鲁棒性能。     

一种恒定束宽波束形成矩阵的加权正交化方法

提出了一种加权正交化恒定束宽波束形成矩阵。对正交后不同频率分量对应的波束形成矩阵进行不同程度的加权,可以得到无畸变的波束输出信号,保证检测能力;并且当信号源具有均匀谱的情况下,可以实现波束形成前后无能量损失,获得高的方位估计性能。计算机仿真和水池实验数据分析证实了加权正交化方法可同时获得高的检测性能和方位估计性能。     

利用协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法

提出了一种协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法来提高小孔径均匀直线阵的分辨力。该方法分析了具有不同阵元个数的阵列采集信号协方差矩阵之间的关系,并根据该关系构建阵列扩展的优化算法,利用小孔径实际阵列协方差矩阵拟合得到大孔径虚拟阵列的协方差矩阵。仿真分析与湖试数据处理结果表明,将拟合协方差矩阵用于现有方位估计方法中能够降低波束宽度,提高分辨力,并且随着虚拟阵元个数增加,目标分辨概率同步提高。当阵列孔径较小或环境信噪比较低时,本文方法可用于提高方位估计性能。     

无误差阵列协方差矩阵分离的阵列自校正方法

针对高分辨方位估计方法受阵列幅度相位影响导致性能退化的问题,提出一种无误差阵列协方差矩阵分离的阵列自校正方法。该方法利用协方差矩阵重构方法获取近似无误差阵列的协方差矩阵,以弱化协方差矩阵中的阵列误差,并利用特征结构配置方法求解幅度和相位误差。迭代上述重构方法和特征结构配置方法,实现从未校正阵列的协方差矩阵中分离出无误差阵列的协方差矩阵和幅度相位误差矩阵。仿真结果表明,该方法准确地估计阵列误差,利用重构协方差矩阵进行方位估计能够提高方位估计精度和分辨力。湖试试验结果表明,经阵列校正后,空间中方位角度邻近的声源和干扰目标可被分辨。     

柱形障板条件下声矢量圆阵相位模态域目标方位估计

提出了基于横向、纵向和对角排列的声压振速联合处理协方差矩阵构造的相位模态域最小方差无畸变响应(MVDR)目标方位估计方法。该方法利用弹性柱障散射声场模型,根据声矢量圆阵相位模态变换理论,构造声压与不同振速分量的互协方差矩阵,并进行相加、纵向、横向和对角排列得到扩展互协方差矩阵,将扩展互协方差矩阵分解重构后进行MVDR目标方位估计。理论分析与仿真结果表明,纵向排列互协方差矩阵具有更好的方位估计性能,相加互协方差矩阵具有较低的背景谱,对角和横向排列相对纵向排列较差。水池试验和湖试结果进一步验证了纵向排列互协方差矩阵具有较其他3种方法更好的方位估计性能。     

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。     

声矢量锥形阵的高阶累积量波达方向估计

为解决信源在较低信噪比情况下的测向分辨率问题,提出阵列可扩展的声矢量锥形阵测向算法。算法基于四阶累积量的阵列扩展和高斯噪声抑制特性,计算声矢量传声器不同输出分量的四阶累积量,使其在三维方向上扩展与原阵型结构相同的虚拟阵,从而构造包含角度信息的旋转不变矩阵进行测向。推导给出了算法的克拉美罗界,理论分析了算法性能受信噪比、采样快拍以及入射声源俯仰角的影响。仿真实验验证了该算法较常规声矢量阵ESPRIT算法有更优的噪声抑制能力及更高分辨的DOA估计性能。      

声矢量传感器阵宽带相干信号子空间最优波束形成

提出了基于矢量传感器阵的宽带相干信号子空间最优波束形成。建立了矢量传感器阵的宽带阵列信号模型,将宽带聚焦思想引入到了矢量传感器阵宽带处理,证明了矢量传感器阵与声压传感器阵宽带聚焦矩阵之间的关系,为矢量传感器阵宽带聚焦矩阵的构造提供了一种方法。推导了基于矢量传感器阵宽带最优波束形成的空间谱,通过空间重采样方法实现矢量传感器阵宽带聚焦,避免了对目标源方位的预估。通过仿真验证了矢量传感器阵具有更优越的性能:可以解宽带相干源;能够实现全空间无模糊定向;可以空间欠采样,因而在不增加计算量的基础上,能够提高阵列处理的性能;克服了传统声压传感器线阵端射方向上,目标方位估计性能下降的缺点。