盲重构频域阵列信号的压缩感知水声目标方位估计

针对复杂海洋环境条件下压缩感知水声目标方位估计性能下降的问题,利用盲源分离能够提高信噪比的优势,提出了一种盲重构频域阵列信号的压缩感知水声目标方位估计方法。首先将阵元域信号通过傅里叶变换方法得到多个子带阵列信号;然后对各个子带阵列信号进行复数域盲源分离得到子带解混矩阵和子带分离信号估计,并对子带分离信号进行属性分析和处理;再根据处理后的子带分离信号和子带解混矩阵重构子带阵列信号,对重构的子带阵列信号采用频域压缩感知方法进行空间谱估计,得到各个子带的空间谱;最后将各子带得到的空间谱进行求和,搜索求和后空间谱的峰值则可实现目标方位估计。模拟器数据和海上实测数据验证结果表明,同等条件下该方法的目标检测能力优于经典的最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)方法、频域压缩感知(Compressed Sensing,CS)方法、盲源分离(Blind Source Separation,BSS)与MVDR相结合的方法(BSS+MVDR方法),测向精度更高,明显提高了弱目标信号的空间谱能量,增强了声呐检测弱目标的能力。      

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。      

低信噪比线性调频信号目标的方位估计

线性调频(LFM)信号目标的方位估计是水声探测研究的重要内容,在进行方位估计时,若存在强干扰信号源与强背景噪声,阵元接收信号的信噪比会显著降低,严重影响LFM信号目标方位估计结果的准确性.针对该问题,提出了一种简明分数阶滤波方法,并将其与常规波束形成方法(CBF)相结合来实现低信噪比条件下LFM信号目标的方位估计.简明分数阶傅里叶变换能在正交角度上将LFM信号的能量聚集在特定频点处并形成明显的能量峰,利用该特性,可对阵列各阵元接收的低信噪比LFM信号在简明分数阶域聚集的能量峰进行最佳滤波,以滤除干扰信息及背景噪声.对滤波输出进行逆简明分数阶傅里叶变换可得到增强信干比和信噪比的阵元域信号,进一步用于目标方位估计,就能获得更加准确的目标方位。数值仿真结果和海试实验数据处理结果验证表明,本文所提出的方法可有效抑制干扰和背景噪声,并对低信噪比LFM信号进行准确、稳健的方位估计。      

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。      

瞬时混合盲源分离和最优波束形成的关系研究

最优波束形成和盲源分离是近几十年迅速发展起来的两种重要阵列信号处理方法,在瞬时混合情况下它们具有相似的信号模型,所以本文研究了二者之间的关系。指出,当不存在噪声时,多数盲源分离算法构造的是最优波束形成;当存在噪声时,可以利用盲源分离算法估计的信号导向向量设计最优波束形成。计算机仿真实验验证了这一结论。     

结合盲源分离的非直单线阵多目标左右舷分辨

针对单线阵左右舷模糊问题,提出了结合盲源分离的非直单线阵多目标左右舷分辨算法。该算法首先通过离散傅里叶变换将阵列接收信号离散化为若干个窄带频谱分量,之后对每个频点的窄带数据讲行盲源分离,得到每个频点上各个来波信号的导向向量;然后通过常规波束形成对各个导向向量进行方位谱估计,并根据左右舷抑制比进行单目标左右舷分辨,确定各个频点上的来波方向;最后对所有频点上的来波方向进行聚类,得到各个真实目标的方位,从而实现多目标左右舷分辨。仿真实验中,相比常规波束形成方法(CBF)和最小方差无畸变响应算法(MVDR),该算法更准确地估计出了目标数目,且保持了较快的计算速度;海试数据处理中,该算法排除了目标镜像的干扰,准确估计出了船只目标的轨迹。仿真及海试数据处理均表明,该算法可以分辨真实目标与目标镜像,具有比CBF和MVDR算法更好的左右舷分辨能力。      

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。     

基于自适应频率不变响应基阵的宽带信号方位估计

提出一种设计频率不变响应基阵的自适应模拟方法，并将其用于构造波束形成矩阵来实现宽带信号的聚焦。该方法不仅保持了波束域方位估计算法的运算量小、分辨率高等优点，还具有相关信号子空间能解相关源的能力，且对阵形及各阵元的指向性也没有任何限制。仿真结果说明了本文方法的有效性。     

子空间判决分析的强干扰抑制

针对海洋中存在的强干扰和环境噪声导致水下目标方位估计算法性能剧烈下降的问题,提出了一种子空间判决分析的强干扰抑制方法 (SSJ),可实现多个强干扰下的目标方位估计。根据常规波束形成粗估的目标角度区间,利用目标-干扰-噪声子空间与导向矢量的相关性,设置判决项和估计合适的判决阈值来分离和抑制样本协方差矩阵中的非目标信息,降低干扰和噪声的输出功率,同时提高输出信干噪比,为增强阵列的目标方位分辨能力提供方法支撑。仿真和海试数据处理结果显示,SSJ方法可抑制目标角度区间外的强干扰和噪声,明显降低了干扰的输出功率和目标主瓣附近的旁瓣级,提高了目标方位角度的分辨力。相比于现有的子空间干扰抑制方法,所提方法具有更加稳健的干扰抑制能力。     

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.     

连续波主动声呐的直达波抑制处理方法研究*

针对连续波主动声呐面临的强直达波干扰掩蔽目标回波的问题,该文在双基地配置已知的前提下,提出基于声屏蔽和常规方向零陷的联合抑制方法。即在精确的发射点声屏蔽的基础上,利用常规方向零陷技术减少声源附近方位的能量影响,从而达到更好地消除强直达波干扰的目的。仿真结果表明,在极低的信干比条件下,联合抑制方法比声屏蔽方法、常规方向零陷方法具有更好的干扰抑制性能。该方法可以有效减少连续波主动声呐的直达波的影响,在时间-距离模糊度图上得到清晰的目标位置。     

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。     

应用经验模态分解的拖船噪声信号重构及抵消方法

针对拖船干扰的时空特点,提出了将EMD(Empirical Mode Decomposition)应用于拖船噪声信号重构及抵消的方法。为了解决以往需要人工干预挑选EMD输出的多路IMF分量的缺点,提出了将多路IMF(Intrinsic Mode Function)分量与基元域信号按照线谱与连续谱分别做功率谱相关并以谱相关系数最大为准则的挑选算法。基于逆波束形成的理论,利用挑选后的IMF分量重构基元域信号,并与原始基元域信号谱减后再进行方位估计。拖曳声呐模拟器数据与实际海试数据验证结果表明,本文算法能够提高弱目标空间增益,尤其是对于靠近干扰盲区的弱目标空间增益提高明显,并且对拖船多途角扩展干扰也具有较好的抵消能力。      

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。      

无源声呐多目标检测中反波束成形递推算法及其应用

随着声呐检测能力的提高,多目标干扰下微弱信号的检测问题日益突出。当声呐方位历程显示上出现多个干扰轨迹时,弱目标的检测显得十分困难。自适应噪声抵消(Adaptive Noise Canceling,ANC)技术为抑制多个干扰提供了理论基础,但是求解稳态最佳滤波矩阵存在着技术实现上的困难。本文提出用一种反波束成形(Inverse Beamforming,IBF)递推算法,在阵元域逐一抵消多个强干扰,从而增强并提取出微弱目标信号。文中给出了递推求解由逆矩阵所表达的最佳滤波矢量的理论推导和相应的公式。利用IBF算法处理海试数据得到了较好的结果,显著改善了强干扰下对微弱信号的检测,甚至在普通波束成形(CBF)中未能显示出来的信号都可以被检测出来。      

Burst模式在多波束声呐高帧率测深方法中的应用

在常规多波束测深声呐系统中,需要等待远距离目标信号到达接收基阵后才能再次发射探测信号,这将导致测深帧率下降。针对该问题,本文提出了一种基于Burst模式的多波束声呐高帧率测深方法。由于各角度的海底回波持续时间远小于远距离目标信号到达接收基阵的所需时间,根据这一特性我们采用Burst模式,通过等间隔地发射多帧信号并接收,同时保证发射的间隔大于最大波束持续时间,实现多帧信号在时间角度域中的分离,提高测深系统帧率。由于相邻帧的隧道效应会与部分波束发生重叠,针对该问题采用改进的线性约束最小方差算法,实现了低副瓣宽零陷的波束形成,从而削弱隧道效应的影响。最后通过仿真数据验证了本文所提方法的有效性,表明该方法在特定条件下能够将测深帧率提高3.3倍。     

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。     

波束域下利用角度散布特征抑制宽带混响

通过研究宽带信号的信源空间展宽特征,提出了一种宽带波束域的混响抑制方法。在有效观测角度范围内,进行密集的波束形成,将数据从阵元域转换至波束域,通过与蒙特卡洛积分得到的参考值比较,得到角度散布指数ADI。信混比越大,ADI越小。因此,设定合适的ADI阈值,去除高ADI值的成分,目标回波能够从混响背景下分离出来。该滤波器兼容于声呐现有的波束形成和信号检测流程,并且计算复杂度低。通过仿真分析了ADI与频率、带宽、信混比的关系。湖海试数据的处理结果表明了该方法能够抑制混响,并且ADI滤波器阈值选取具有容错性。      

强干扰下空间抗混叠宽带波达方位估计

提出了基于改进频率差分(FD)技术的空间抗混叠波达方位(DOA)估计方法,实现了阵元稀疏排布,即在阵元间距远大于入射信号波长时,存在栅瓣模糊情况下多水下声学目标的方位估计。首先,确定目标方位角度搜索范围,建立阵列信号处理模型,对宽带信号不同频率成分之间进行频率差分处理,从而降低信号频率以满足阵元稀疏排布阵列的空间奈奎斯特采样要求。然后,基于投影子空间正交性检验(TOPS)算法构建一个对角变换矩阵,利用对角酉变换矩阵正交性直接对阵列流形进行频率差分处理,使其频率差分处理输出的信号个数与输入信号个数相等。最后,进一步推导频率差分域等效目标方位与真实入射信号角度等价的条件,并基于该等价条件进行频率筛选,最终获得无模糊的空间方位谱结果。经仿真实验验证,所提算法在信噪比为-10～20 dB范围内,估计结果均方根误差低于0.1°,有效抑制了栅瓣且受干扰强度影响较小。经海试数据验证,所提算法可以有效估计出目标方位,并避免空间混叠项干扰。所提空间抗混叠波达方位估计方法能够有效抑制栅瓣模糊,提高目标方位估计精度,且在强干扰条件下仍具有较好的角度估计性能。     

一种频域-波数域峰值筛选的无源声呐宽带检测方法

在水声信号处理中,传统的无源声呐宽带目标检测在多目标、强干扰的复杂环境中输出信噪比低,使得检测性能急剧下降。针对此问题,提出一种基于均匀线列阵在频域-波数域上宽带信号能量分布特性进行目标检测的方法。该方法首先将阵列信号转换到频域-波数域,利用不同频率下波数主瓣、旁瓣宽度特征以及空间分布特征,设计针对主瓣的判别与分配方法,实现对同一目标不同频率下波数谱主瓣判别,使用主瓣能量累积、主瓣数目累积的方式来形成方位谱,从而进行目标检测。理论分析和仿真结果表明,所提方法只利用对目标检测有突出贡献的波数主瓣,降低了旁瓣的影响,有效提高了无源宽带水声目标的检测能力。海上试验数据处理结果表明,目标输出信噪比相比子带峰值能量检测算法可提高5.58 dB,较传统能量检测可提高8.73 dB,计算时间相比传统能量检测降低46%,验证了所提方法的有效性与实时性。