基于矢量传感器的低空目标声测向算法及实验研究

将基于二维压差式矢量传感器的声压振速联合处理技术应用于低空目标无源测向的研究中,提出了一种新的无源声测向算法,该方法在小尺寸和低频条件下实现了对低空目标的精确测向。采用实测直升机辐射的噪声信号对算法进行了分析,研究了传感器尺寸、积分时间和信噪比对算法性能的影响。结果表明,矢量传感器尺寸为0.2 m,信噪比为0 dB时,测向误差小于2°,优于基于时延估计测向的方法。该研究为小基阵高精度的低空目标无源声测向提供了一种实现方法。     

声矢量圆阵相位模态域目标方位估计

为了实现矢量传感器在圆阵阵型下的应用,文中提出了一种适合于声矢量圆阵的目标方位估计算法。该算法首先将声矢量圆阵阵元域信号分解为一系列相互正交的相位模态,在相位模态域构造声压和质点振速的互协方差矩阵,然后进行MUSIC方位估计.理论分析和仿真结果表明,文中算法比相同阵型的声压阵MUSIC方位估计算法具有更好的噪声抑制能力、方位估计性能以及多目标分辨能力,试验结果也表明本文算法具有更好的噪声抑制能力以及更好的目标方位估计性能。该算法实现了声压和质点振速的相干处理,充分利用了声矢量传感器的平均声强抗噪原理,具有较强的抗各向同性噪声能力,并可以将子空间类DOA(Direction of Arrival)估计算法和相位模态域阵列信号处理技术有机结合起来,实现了声矢量传感器在圆阵阵型条件下的高分辨DOA估计。      

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。      

一种基于声矢量传感器阵的宽带源二维波达方向估计算法

提出一种基于声矢量传感器阵的宽带源二维波达方向估计算法,在宽带相干源条件下实现了二维波达方向估计参数的自动配对。克服了通常声矢量传感器阵波达方向估计中存在的谱峰搜索和参数配对问题。分析表明:该算法能够可靠判定目标源的个数,具有较高的估计精度;不受目标波达方向角度间存在兼并(入射源含有相同的方位角或俯仰角)的影响;当存在阵列误差时,算法的稳健性好。     

基于声矢量传感器的分布式定位系统在水下宽带声源定位中的应用

提出了基于声矢量传感器的分布式浮标网络定位系统,研究了不同应用背景下单个声矢量传感器的测向算法,推导了目标DOA估计的Cramer-Rao界,给出了分层海水介质中多个声矢量传感器的几何定位算法。数值仿真结果表明:(1)系统的定位性能强烈依赖于接收信噪比;(2)该系统适用于单一强声源的定位。     

基于多重信号分类法的一种声矢量阵方位估计算法

为了提高声矢量阵高分辨方位估计的性能,文中提出了一种矢量阵MUSIC方位估计算法.该算法先构造声矢量阵声压和振速组合输出的互协方差矩阵,然后进行MUSIC方位估计.理论分析和计算机仿真表明,文中算法比传统声矢量阵MUSIC方位估计算法有更好的双目标分辨能力和弱目标方位估计能力,湖试结果也表明文中算法有更好的目标方位估计性能.该算法基于矢量传感器声压和振速的相干性原理,充分利用声压振速组合指向性抗干扰能力,可以更好地抑制各向同性干扰,提高阵列的处理增益,从而有更好的方位估计性能.     

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。     

矢量声纳高速运动目标稳健高分辨方位估计

针对水声矢量信号处理框架中的高速运动目标低信噪 比小快拍条件下的稳健高分辨方位估计问题, 将压缩感知技术应用于水声矢量信号空间谱估计模型中. 结合声矢量传感器结构特性, 探讨了基于声压振速联合处理的广义时域滤波方法; 结合矩阵空域预滤波理论, 设计了基于阻带约束通带均方误差最大值最小的空域滤波器, 研究了矢量声纳空域预滤波方法; 结合以上分析, 提出了基于压缩感知技术的时空联合滤波高分辨方位估计方法, 给出了方法的数学模型、物理解释及具体实施步骤.理论分析和计算机仿真试验表明, 新方法对于小快拍数 条件下的矢量声纳高速运动目标高分辨方位估计问题, 具有较低的双目标分辨门限和较高的估计精度, 有着良好的应用前景.湖上试验验证了方法的有效性. 关键词： 声矢量传感器 空间谱估计 时空滤波 压缩感知     

基于声压振速联合信息处理的声矢量阵相干信号子空间方法

为解决水下宽带源的远程测向问题,提出了一种基于声压P与振速V的互谱矩阵的声矢量阵相干信号子空间方法。与现有的将声矢量传感器的振速信息仅仅作为独立阵元来处理的声矢量阵测向方法不同,新方法完全基于声压与振速联合信息处理,充分利用了声矢量阵中P-V互谱的抗噪能力,能将相干信号子空间方法的宽带高分辨能力及去相干能力与声矢量阵的抗噪能力有机地结合起来,实现对宽带源的远程、高分辨方位估计。理论分析给出了基于P-V互谱矩阵的宽带聚焦原理和特征分解原理,以及信源数检测准则。基于湖试数据的仿真实验结果显示,采用3元声矢量阵,在信噪比为-10dB和观测时间为20s时,新方法方位估计的均方根误差约为5°,明显强于现有方法。     

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。     

基于声压振速联合处理的声矢量阵信源数检测与方位估计

为解决水下远程测向问题,首先论述了基于声压与振速互协方差矩阵的声矢量阵特征子空间方法,然后利用空时虚拟抽头处理,提出了一种基于特征向量的信源数检测与子空间划分准则.理论分析表明,与现有的将声矢量传感器的振速信息作为独立阵元来处理的声矢量阵测向方法不同,新的信源数检测与方位估计方法完全基于声压与振速联合信息处理,能将子空间方法的高分辨能力与声矢量阵的抗噪能力有机结合起来,可实现对远程目标的高分辨检测与定向.基于湖试数据的仿真实验证明了所述方法的有效性.     

基于超指向性多极子矢量阵的水下低频声源方位估计方法研究

针对水下低频声源的方位估计问题,基于基元紧密排列的二维矢量阵,建立了一种超指向性波束形成方法.根据矢量基元差分运算构建各阶多极子模型,获得了几乎与频率无关的模态函数,并经加权计算可在低频条件下实现超指向性波束,以解决阵列孔径对波束性能的限制.同时,结合输出信噪比最大准则所得波束,分析了超指向性波束形成算法的稳定性与波导的影响程度,探索模态阶数与阵列参数的选取原则.通过阵列性能的仿真计算与实际阵列的测量数据表明,该算法可在小尺寸阵列孔径下获得良好的阵列波束,兼具了水下线型超指向性阵和环形超指向性阵的优点,可有效实现水下低频声源的水平方位估计;且波束性能可通过调节模态阶数与基元间距以达到最佳,并受水下声波导多途与频散效应影响有限.     

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。      

声矢量阵阵元位置及幅相误差有源校正算法*

针对声矢量阵幅相误差及阵元位置误差校正问题,基于特征分解法,提出一种简单实用的有源校正算法。该方法需要合作信源的至少3个方位信息,根据声矢量阵的通道特征,利用特征分解法构造矩阵方程组,通过矩阵运算得到声矢量阵阵元位置和幅相误差参数,从而实现对声矢量阵的校正。大量计算机仿真表明该校正算法具有良好的声矢量阵阵列误差参数估计性能。     

声矢量传感器信号处理

声矢量传感器能够同步、共点、直接测量声场空间一点处声压和质点振速,从而有可能改善传统水声测量或探测设备的性能,为解决一些实际的水声问题拓展了新的思路。尽管声矢量传感器出现在水声领域的历史不算久,但是由于巨大的潜在军事需求牵引,它在最近十数年间的发展势头愈发地强劲,逐渐演变为不断被重视的水声技术之一。在此背景下,本文尝试综述声矢量传感器信号处理研究的当前进展,如信号检测、 DOA估计、波束形成等。     

小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法

提出了一种基于声场多极子展开的小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法。该方法利用了声场的垂直振速信息,并结合球谐波函数与多极子模态之间的联系,可用二维的阵列结构合成指向任意方向的三维波束图,简化了三维波束形成所需的阵列结构。以3×3均匀矩形阵为例的仿真结果表明,在相邻阵元间距小于0.2倍信号波长时,所提方法引入的差分近似误差可被忽略,所得阵列波束图接近理论波束图。相比于声压球面阵三维波束形成方法,所提方法在低频段能在获得相同阵增益的同时有着更好的稳健性,为实现小尺寸阵列的三维波束形成提供了一种可靠的方法。     

小尺寸矢量阵的多极子指向性低频测试与校正技术

提出一种在有限空间中小尺寸矢量阵的低频工作段测试与校正技术.在低频测试技术的建立中,引入瞬态段信号以消除有限空间内的多途作用。同时,考虑矢量阵特性下的偏心旋转效应,建立有限空间中的小尺寸矢量阵的阵列流形及其校正方法,在理论上保证基阵误差与被测环境的独立性。然后根据仿真计算与水池实测结果分析瞬态段信号作为校正测量信号的有效性,验证校正模型的合理性与优势。最后通过小尺寸基阵多极子指向性的实现情况给出本文有限空间测量技术的可靠性。结果表明,本文所提技术可有效避免有界空间中的多途影响,实现小尺寸矢量阵的低频测量,为水下小尺寸矢量阵的后续应用提供可靠依据。      

一种矢量水听器基阵模拟器的设计

矢量水听器的每个阵元同时测量声场中声矢量和质点振速的3个分量,相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息。利用矢量阵所获得速度场的信息可以去除目标方位估计中的 180°模糊。模拟器可以模拟实际海洋环境中目标的辐射特性和噪声特性,应用模拟器可以有效地缩短声纳的研制周期。本文提出一种矢量水听器基阵模拟器的设计方案,该方案解决了矢量阵中宽带信号的90°移相问题、时延精确控制问题和宽带噪声的谱状控制问题。     

基于多个小孔径基阵的水下目标宽带波达方位估计方法

本文将多小孔径基阵应用于声纳浮标阵对可疑海区进行快速搜索的研究中,提出了一种基于多个小孔径子阵的宽带目标方位估计方法.该方法采用一种新颖的降秩估计器的信号模型,对多个小孔径子阵的输出信息进行综合处理,然后使用近似意义上的降秩估计器对目标源进行方位估计.所建立的阵列模型中不需要包含有关小孔径子阵之间的任何位置信息,因此,有效地减小了因阵形估计带来的烦杂工作和估计误差对方位估计性能的影响.仿真结果表明,此方法提高了定向精度,给出了稳定的目标方位估计.     

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。