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。     

宽带波束域相干信号子空间高分辨方位估计

提出了宽带波束域相干信号子空间目标高分辨方位估计的频域处理与时域处理方法。分别设计出一组覆盖观察扇面的频域和时域低旁瓣恒定主瓣响应宽带波束形成器,然后对频域或时域波束形成器输出数据运用MUSIC方法估计目标方位。时域处理方法不需要进行频带分解,相对于频域处理需要较少的缓存和运算量。所提出的方法还可以在保证波束主瓣响应恒定的同时,通过在旁瓣区域形成期望宽度和深度的凹槽,用于抑制观察扇面外强干扰源。计算机仿真结果表明,本文的时域处理方法能够获得与本文频域处理方法相近的方位分辨与估计性能,它们都能够分辨相干信号源,且方位分辨与估计性能都高于已有方法。通过在干扰方位设计凹槽,较好地抑制了观察扇面外强干扰源,改善了对相干的弱信号源的方位分辨与估计性能。     

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。      

并列式多入多出声纳宽带高分辨波束形成方法

并列式多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)声纳可以通过高分辨波束形成方法进一步提高方位分辨能力。本文通过对窄带方法的扩展,提出一种宽带高分辨波束形成的方法,数值仿真分析了该方法的性能,并通过湖试数据进行了验证。结果表明,该方法可以对并列式MIMO声纳进行宽带高分辨波束形成,高信噪比情况下可以得到较高的方位分辨能力,但方位分辨力随信噪比减小下降较快,且运算量远大于常规波束形成方法,在运算能力满足要求且信噪比较高时,用本方法可显著提高系统的方位分辨性能。     

圆阵波束输出的高分辨方位估计

在研究波束域高分辨ＭＵＳＩＣ算法的基础上,本文把阵元域ＷＳＦ算法推广到波束域中。这两种算法对阵列的形式没有限制,可以应用于水声系统中常见的均匀圆阵波束输出,计算机仿真结果表明,对于圆阵波束输出,波束域ＭＵＳＩＣ算法估计目标方位的性能优于阵元域ＭＵＳＩＣ算法,而波束域ＷＳＦ算法测保持了阵元域ＷＳＦ算法的最佳方位估计性能。     

波束域加权子空间拟合算法

将阵元域高分辨加权子空间拟合算法（ＷＳＦ算法）推广到了波束域中,利用声系统接收基阵波束输出信息估计目标方位．由于波束输出可以看作是,一个阵元数为波束个数的虚拟阵的阵元输出,而在大多数的水声系统中,参与确定某个来向的信号方位的波束数通常远小于阵元数,从而算法的运算量得以大大降低。针对某水声系统接收基阵波束输出所作的计算机仿真结果表明,波束域ＷＳＦ算法应用到实际的水声系统时,可以保持其在阵元域中估计目标方位的优越性能。     

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。      

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。      

基于子带分解的宽带波束域最小方差无畸变响应高分辨方位估计方法研究

针对最小方差无畸变响应法对宽带不适用、计算量较大和如何与实际声呐系统结合这三个问题,提出了基于子带分解的宽带波束域MVDR高分辨方位估计方法:它以子带分解的方法实现MVDR在宽带情形下的扩展;利用波束转换实现降维运算,大大减小运算量和提高算法的稳健性;并且提出了在声呐系统使用中的新思路:可将该方法与声呐的多波束系统结合,直接利用声呐多波束系统的输出,可省去从阵元域到波束域的转换,进一步减少运算量;可用于替代传统的分裂波束精测定向系统或单波束系统,提高整个声呐定向系统的性能。经过理论分析、仿真实验和湖试实验,证明了该方法是简单的、有效的、可行的。     

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。      

一种改善MVDR波束形成性能的方法

最小方差信号无畸变响应(MVDR)波束形成具有最佳的信号保护、干扰消除和噪声降低能力,即信号/(干扰+噪声)比增益最大,它的能量输出作为一种波数谱(方位)估计器,其估计精度或分辨力受着声场信噪比因素的限制.本文提出一种新的改进MVDR波束形成方位分辨力的方法,它可以调节这种波束形成器权向量中的增强因子(等价于改善声场的信噪比条件),从而改进其方位分辨能力,并且不以牺牲信号/(干扰+噪声)比增益为代价。     

逆波束形成的旁瓣抑制

为了降低普通逆波束形成旁瓣,提出了一种新的旁瓣抵消技术。该技术利用指向性函数中的旁瓣部分去估计声场的响应,然后从基阵估计的声场减去这部分指向性函数旁瓣估计的声场,从而得到最终的声场估计。由于较多的旁瓣响应被估计的声场扣除,最终估计的声场中的旁瓣大大降低。利用该技术可有效地抑制干扰,同时又可保持普通逆波束形成的方位高分辨力。湖试结果显示了该技术的有效性和可行性。     

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。     

改进MVDR波束形成性能的计算机模拟

本文补充前一篇文章＂一种改善ＭＶＤＲ波束形成性能的方法＂计算机模拟结果。模拟实验表明：只要适当地设计波束形成器加权向量中的增强因子，就能够提高目标的方位估计精度和分辨力，并且不损失信噪比增益。从统一考虑信号检测和方位估计的观点看来，这种波束形成方法最适用于信号的基阵处理。     

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。      

应用稀疏表示的宽带相干超分辨方位估计方法

针对无源声呐中宽带相干处理对邻近弱目标分辨能力仍不足的问题,提出一种相干聚焦后稀疏空间谱求解的宽带超分辨方位估计方法。首先将不同频点数据相干聚焦到参考频点,构成多测量矢量稀疏求解问题,然后采用二阶锥规划内点算法进行稀疏空间谱拟合,实现了宽带弱目标超分辨方位估计。仿真试验结果表明,该方法在弱目标分辨和方位估计精度方面优于宽带非相干和相干信号子空间高分辨处理方法。32元拖曳阵海试数据的处理结果验证了该方法的优越性能,同时说明了该方法在无源声呐探测中应用的可行性。      

应用稀疏表示的宽带相干超分辨方位估计方法

针对无源声呐中宽带相干处理对邻近弱目标分辨能力仍不足的问题,提出一种相干聚焦后稀疏空间谱求解的宽带超分辨方位估计方法。首先将不同频点数据相干聚焦到参考频点,构成多测量矢量稀疏求解问题,然后采用二阶锥规划内点算法进行稀疏空间谱拟合,实现了宽带弱目标超分辨方位估计。仿真试验结果表明,该方法在弱目标分辨和方位估计精度方面优于宽带非相干和相干信号子空间高分辨处理方法。32元拖曳阵海试数据的处理结果验证了该方法的优越性能,同时说明了该方法在无源声呐探测中应用的可行性。     

进行子阵加权波束形成的波达方向估计

针对水声信道的多径效应以及海底散射信号信噪比低导致方位估计性能较差的问题,提出了一种基于子阵加权波束形成的UESPRIT算法(Weighted Beamspace UESPRIT Based on Subarrays,BS-BUESPRIT)。首先利用密集波束域转换矩阵估计回波信号的方位谱,进而估计同一时刻到达阵列的回波数目;之后将均匀线阵分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,利用加权波束形成对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波;最后基于各子阵波束形成后的输出结果,利用UESPRIT算法实现回波方向的估计。仿真和湖试、海试试验结果表明,与UESPRIT算法相比,BS-BUESPRIT算法提高了信号波达方向估计性能,在多径和较低信噪比条件下有着更高的估计精度,应用于高分辨率测深侧扫声呐时有效地提高了声呐的测深性能。      

利用信号相位匹配原理的声源方位估计实验研究

为了验证信号相位匹配原理的正确性,利用自制的16元线列阵,在水库进行了声源定向实验研究。分析了信号相位匹配原理的方位估计性能,并与MUSIC方法和常规波束形成方法的方位估计结果进行了比较;实验表明:由该原理定向的指向性半功率点开角是常规波束形成方法半功率点歼角的1／4-1／7和MUSIC方法的1／2-1／3。利用船舶航行噪声的多目标定向仿真和高分辨方位估计仿真结果表明:信弓相位匹配原理方位估计算法用于多目标方位估计和高分辨方位估计是可行的。     

频域宽带下视多波束三维声成像算法

为解决下视多波束三维成像声呐跨航向分辨率差、旁瓣级高的问题,提出一种频域宽带下视多波束三维声成像算法。该算法将阵元域回波信号通过二维傅里叶变换直接变换到波数-频率域,之后进行深度向匹配滤波,同时选取带宽内的频点进行频域宽带信号的相位补偿,再进行二维逆傅里叶变换回阵元域,实现跨航向-深度向成像处理。沿航向采用时域合成孔径方法,得到三维图像结果.计算机仿真和海上实验结果表明,相比于常规的下视多波束三维成像声呐处理算法,改进的方法跨航向主瓣变窄,角分辨率明显提高,旁瓣降低10~30 dB。相比于传统基于分块DFT的频域宽带波束形成,改进的频域宽带方法避免了跨航向处理中的时域分块插值和多次变换域,复数加法和乘法次数显著降低。改进的频域宽带下视多波束三维声成像算法可以有效地获取水下三维高分辨图像,抑制虚影,明显改善成像质量。同时,计算效率高,更适合于实时成像系统实现。