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     

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。     

矩阵空域预滤波目标方位估计

提出了基于矩阵空域预滤波处理的目标方位估计新方法。通过设计一个空域的矩阵滤波器对传感器阵列数据进行矩阵处理,抑制阻带扇面的干扰与噪声,且尽量保证让通带扇面的信号无失真通过。由于该空域滤波器的输出仍为阵元域数据,因此可以很方便地在很多阵列信号处理算法之前通过增加空域预滤波处理来达到抑制空间干扰、提高系统处理能力的目的。文章通过目标方位估计的具体实例来说明矩阵空域预滤波处理对系统性能的改善作用。计算机仿真和实测数据处理结果表明,矩阵空域预滤波处理有效地抑制了空间干扰与噪声,提高了方位估计算法对感兴趣扇面目标的方位分辨与估计性能。此外,仿真结果表明采用分扇面空域预滤波处理方法,使基阵具有了分辨多于阵元数目信号源的能力。     

零点约束矩阵滤波设计

为解决在空域预滤波阶段抑制强噪声的问题,提出了零点约束矩阵滤波设计方法,并给出了解的表达式。通过设计凸规划问题,在严格约束阻带响应等于零的情况下,使通带误差最小。将凸规划问题转换为线性约束二阶最优化问题,构造Lagrange函数并得到最优解,重排后得出滤波矩阵。仿真可知,本方法可设计出强干扰离散分布或处于某扇面的预滤波器,可用于解决常规波束形成算法受强干扰影响方位估计性能的问题。      

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。     

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。      

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。     

矩阵预滤波器在抗运动干扰中的应用研究

自适应波束形成器容易受到运动干扰和观测方向偏差的影响,针对该问题提出了一种基于矩阵预滤波的零陷展宽稳健波束形成算法。首先分析了矩阵预滤波器在抗运动干扰时的适应性,并利用矩阵预滤波器在运动干扰所在区域形成凹槽。利用椭圆投影定理计算预滤波后的导向矢量不确定集,在新的导向矢量不确定集下利用稳健Capon波束形成算法(RCB)寻找最优导向矢量。仿真分析表明,和RCB算法相比,该算法不仅获得更高的输出信干噪比,还获得了预先设定的展宽零陷。     

传声器阵列波束比判决语音增强方法

针对单一波束形成器难以深度抑制空间相干干扰的问题,提出了一种综合了最小方差无畸变响应波束形成器与对称子阵延时求和波束形成器的语音增强方法。定义了一种波束输出比因子,根据该因子在目标声区域和干扰声区域的幅值变化,给出了采样协方差矩阵对角加载量的调整方法,并进一步利用该因子在后滤波环节对空间干扰进行判决滤波。文中对判决滤波时的上限阈值和下限阈值的实时更新方法给出了说明。所提出的算法能进一步抑制空间干扰和噪声,且可满足实时需要。在传声器圆阵上的实验表明,该方法在输出信干噪比及语音质量上,均优于经典对角加载算法及采样协方差矩阵扫描重构算法。      

距离深度域最小二乘矩阵滤波器的设计与应用

本文通过最小二乘原理设计出针对拷贝向量进行处理的矩阵滤波器,给出了其详细的推导过程。它可用于距离深度域上的预滤波,在抑制阻带干扰的同时,保证通带信号尽可能不失真。设计过程中发现根据最小二乘原理设计矩阵滤波器比二阶锥规划等其他寻优方法更快捷。最小二乘矩阵滤波器除了能在保证通带尽量不失真的前提下达到很好的阻带抑制效果之外,还可以在任意距离深度设定通、阻带,尤其适用于阵列在探测过程中抑制强干扰对于弱目标源的影响。     

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。     

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。     

可模式识别的水声成像方法

提出一种在自由环境中可以进行模式识别的水声成像方法。利用角域滤波将空间不同入射方向的平面波在阵元域中进行分离,在成像扇面内按要求设计一系列角域带通滤波器,这些滤波器的输出就是从角通带内入射的平面波在阵元域中的快拍数据,可以实现要求输入为阵元域特性数据的目标识别和底质分类等专用的模式识别算法,角域滤波器输出的平面波快拍数据的幅度作为像素值进行水声成像。采用角域滤波的方法可以进行水声成像得到所需要的声图,并且每个像素对应着相应点目标远场平面波入射到接收阵时所产生的快拍数据。仿真和实验数据处理结果表明,采用角域滤波和利用常规波束形成所得到的声图是一样的,并且两种成像方法具有相同的稳健性。      

拖曳线列阵声呐平台噪声的空域矩阵滤波抑制技术

针对拖曳线列阵声呐平台噪声构成近场强干扰影响声呐弱目标探测的问题,利用近场平台噪声的多途传播特性,将匹配场定位技术和平面波目标方位估计技术结合,使用平台噪声到达接收阵的拷贝向量以及平面波方向向量共同设计平台噪声零响应约束空域矩阵滤波器,实现了平台噪声抑制.推导得出滤波器设计最优化问题的最优解,利用广义奇异值分解简化最优解表达式,并给出滤波器对平面波方向向量整体响应误差以及对平台噪声拷贝向量响应。利用平台噪声拷贝向量与远场平面波方向向量相关性,解释了平台噪声构成强干扰的原因,以及滤波后存在探测盲区的原因。由仿真可知,空域矩阵滤波处理可获得更小的探测盲区,同时获得盲区外更高的探测能力.      

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.     

基于彩色数字图像处理的自动调焦技

针对彩色图像讨论了基于数字图像处理技术的自动调焦算法.根据彩色图像的特点，选取了能够表现图像清晰度的两种矢量范数——L1范数和L2范数分别作为粗略调焦和精确调焦的评价函数，以实现系统在大范围内的精确调焦.为了提高图像的质量，采用了既能保持图像细节又能滤除脉冲和高斯噪声的中值滤波算法和均值滤波算法相结合的矢量中值均值滤波器.实验结果表明，本调焦算法能够在大范围内调节焦距，且具有较高的调焦精度，调焦速度较快.     

矢量阵MUSIC空间谱方位估计性能的实验研究

为了检验矢量阵MUSIC空间谱方位估计算法的性能,进行了三元矢量阵的外场试验,对比了MUSIC空间谱估计以及常规波束形成的性能。实验结果表明,相对于矢量阵常规波束形成技术,MUSIC空间谱对目标的方位估计性能得到很大提高。而且,当空间严重降采样时, MUSIC空间谱表现出较强的栅瓣抑制能力,能够在全空间范围内对目标无模糊定向。     

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.