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。     

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。     

海洋环境噪声场对称性分析及噪声消除方法

实际的海洋环境是非常复杂的,存在着海洋自噪声、舰船噪声、生物发声等,阵元接收到的噪声信号存在一定的相关性,此时基于传统阵列信号处理的目标方位估计方法的性能将变差,针对这一问题,提出了一种实部消除方法.首先从阵元接收环境噪声的物理机理出发,将圆环阵接收的噪声场分解为对称噪声场和非对称噪声场,并且研究发现对称噪声场只影响数据协方差矩阵的实部.然后通过消除协方差矩阵实部,达到消除对称噪声场的目的,提高信噪比,但是同时产生了虚假声源.针对虚假声源的问题,提出了基于优化算法重构协方差矩阵实部的方法,消除了虚假声源的影响.仿真分析与海试数据处理结果表明:该方法明显消除了对称噪声,提高了信噪比,改善了阵列信号处理算法的性能.实部消除方法易于实现,有一定的工程应用价值.     

使用协方差矩阵分解的矢量阵声压振速联合处理波达方向估计

提出一种使用协方差矩阵分解(CMD)的声矢量阵声压振速联合处理方法。该方法将声压振速互协方差矩阵分解为观测方位系数矩阵和剩余协方差矩阵,将系数矩阵与导向矢量结合避免了观测方位的选择,对剩余协方差矩阵进行奇异值分解并重构厄米特协方差矩阵,最后对重构的协方差矩阵实施最小方差无失真响应(MVDR)方法处理。理论分析表明,使用重构的协方差矩阵能够获得更高的阵处理增益。数值仿真结果验证了本文方法的计算量与Nehorai处理方法相近,但较传统声压振速联合处理方法具有更高的阵处理增益和目标分辨能力。     

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。     

频域单快拍压缩感知目标方位估计和信号恢复方法

方位估计和信号恢复分别是水下目标定位、跟踪和目标识别的前提。提出了一种阵列频域单快拍压缩感知的水下目标方位估计和信号恢复方法。首先将阵列接收数据变换到频域,取频域单快拍数据作为压缩感知的测量值,然后根据频域快拍对应的频率、搜索方位和阵列流形构造过完备的阵列流形矩阵作为压缩感知的感知矩阵,最后通过基追踪算法估计搜索方位上目标信号和功率,实现DOA估计与信号恢复。宽带仿真实验数据验证结果表明,同等条件下完成同样的目标方位分辨,提出的方法比最小方差无失真响应方法要求的阵元数和快拍数较少,要求的信噪比更低,恢复的目标信号更加准确,波形相关系数达到89%以上。海上实验数据处理结果表明,目标检测能力优于最小方差无失真响应方法,证明该方法可以适用于实际声呐系统。      

双基地多输入多输出虚拟阵列的稳健低旁瓣波束优化技术

双基地多输入多输出(MIMO)系统需要对目标的波达角和波离角进行二维估计,针对高分辨算法中阵列协方差矩阵处理运算量大以及估计性能对阵列流形失配敏感的缺陷,提出了一种基于二阶锥规划的抗阵列流形失配的双基地MIMO虚拟阵列波束优化算法.该方法利用MIMO的波形分集技术与双基地的目标定位解算,通过波达角和波离角在双基地定位椭圆上的对应关系,将双基地MIMO的二维合成方向矢量转化为一维的虚拟阵列流形,并证明了双基地MIMO虚拟阵列的波束图等效为发射波束图在接收阵角度域上的响应和接收波束图的合成.在优化波束图旁瓣的同时,该算法兼顾了固定方向上的相干干扰抑制,并提高了双基地MIMO虚拟阵列波束优化抗阵列流形失配的能力.通过波束图和方位谱优化的仿真分析和水池试验,验证了算法的有效性.     

单基地多输入多输出声呐的方位分辨力

为了研究波形分集和发射子阵对多输入多输出(multiple-input multiple-output:MIMO)声呐方位分辨力的影响,建立了同时适用于MIMO声呐和传统有源声呐的远场和近场波束图推导模型,证明了这两种声呐具有相同的方位分辨力。首先,将MIMO声呐发射阵划分为子阵无重合与子阵有重合两种情况,并对传统有源声呐的发射阵也进行相同的划分。据此,推导出两者的远场和近场阵列流型向量均可表示为发射与接收阵列流型向量的直积。接着,利用阵列流型向量的一致性证明了波束图(远场和近场)的一致性。进一步地,证明了发射子阵有重合的情况等效于对发射阵列进行幅度加权(发射阵列中间部分的阵元权值大于两端部分的阵元权值),其可获得更低的波束图旁瓣级但不能提高方位分辨力。理论分析与仿真结果表明:MIMO声呐的有效孔径等于发射与接收联合孔径,其方位分辨力由发射与接收阵列结构所决定,波形分集和发射子阵并未带来更高的方位分辨力。      

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。     

Weak signal direction of arrival estimation for colocated multiple-input multiple-output sonar array

In order to suppress the influence of symmetrical noise component on multiple-input multiple-output(MIMO)sonar's direction of arrival(DOA)estimation under the condition of low signal-to-noise ratio,we propose a DOA estimation algorithm based on covariance matrix reconstruction method.Firstly,the noise field can be decomposed into symmetrical noise field and asymmetrical noise field.We utilize symmetry property of colored noise matrix and the feature that the imaginary part of covariance matrix has no relation with the symmetry noise to remove the real part of covariance matrix.This operation helps to suppress the influence of colored noise on DOA estimation accuracy.Based on the principle of the imaginary matrix part displacement and the dimension reduction transformation method,the real part of covariance matrix is reconstructed,which helps to suppress the bilateral spectrum interference.Thereafter,Toeplitz method is applied for the covariance matrix decorrelation amendment,and a noise subspace is formed by singular value decomposition(SVD).Finally,we can estimate the DOA of target signals.Both theoretical analysis results and numerical simulation results verify the symmetrical noise suppression performance of this algorithm,and the estimation performance of target azimuth is improved obviously.This method has the characteristics of lower operational complexity,higher degrees of freedom and stronger target resolution.     

低复杂度的MIMO声呐协方差矩阵重构方法*

多输入多输出声纳在对目标进行测向时会产生复杂的运算量,从而降低算法的测向效率。针对这一问题,提出了一种基于降维变换方法的低复杂度协方差矩阵重构方法。该方法能够抑制噪声,提高目标侧向性能。首先利用降维变换方法对接收信号进行波束形成,获得低维度的协方差矩阵,再对矩阵进行Toeplitz处理,抑制矩阵的相干性。所得到的新的协方差矩阵,通过特征分解获得噪声子空间和信号子空间,利用MUSIC方法进行测向。为了进一步降低运算复杂度,利用阵型所满足的旋转不变性,可以采用ESPRIT算法对目标进行波达方向估计。理论分析和实验结果表明,该方法有效降低了运算复杂度,提高了算法的测向性能。在有限快拍数的情况下,与传统测向方法相比,具有运算速度快,目标分辨力强的特点。     

一种适用于多输入多输出声呐的稳健空时自适应检测方法

针对多输入多输出声呐在水下探测场景中获得的空时快拍数量不足导致空时自适应检测性能下降的问题, 提出一种适用于小空时快拍数情况下的稳健空时自适应检测(STAD)方法。首先将斜对称特性推广到多输入多输出(MIMO)声呐空时自适应检测中, 并利用该特性将空时快拍数量扩展至原来的两倍; 然后利用迭代自适应方法实现对空时协方差矩阵的重构; 最后根据广义似然比检测(GLRT)准则推导出检验统计量。计算机仿真结果表明, 所提方法可以在小空时快拍数情况下准确估计空时协方差矩阵, 大幅减小空时自适应检测对空时快拍数量的需求, 提高多输入多输出声呐在小空时快拍数情况下的检测稳健性。      

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。      

MIMO声呐的双尺度旋转不变子空间波达方向估计*

为了提高单基地多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)声呐阵列的波达方向(Direction of arrival, DOA)估计性能,提出了双尺度旋转不变子空间(Dual-Resolution Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, DR-ESPRIT)算法。结合MIMO阵列虚拟阵列的结构特征,首先利用ESPRIT算法通过各条虚拟线阵内、基线间距不大于半波长的子阵间的旋转不变关系得到无模糊的粗估计结果,之后利用虚拟线阵间、基线较长的子阵间的旋转不变关系得到一组有模糊的精估计结果。参考粗估计结果对精估计结果进行解模糊,最终得到高精度无模糊的角度估计结果。为了降低运算复杂度,利用该思路对降维ESPRIT算法也进行改进,提出了双尺度降维ESPRIT算法。仿真试验首先验证了与传统算法相比,双尺度类DOA估计算法能够有效提高角度估计精度。此外,还分析了MIMO声呐阵列的发射、接收阵元的幅相扰动误差对算法角度估计性能的影响。     

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。      

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。     

Robust algorithm of direction of arrival estimation for coherent wideband sources in unknown correlated noise fields

A robust algorithm of direction of arrival (DOA) estimation for coherent wideband sources in unknown correlated noise fields was investigated. The noise is usually unknown and correlated among sensors in practical applications, especially for arrays with comparatively small apertures. The spatially correlated noise incurs an increase in focusing error and a severe degradation in the DOA estimation, and therefore a method of focusing transformation based on differentiating covariance matrix was proposed to eliminate noise, hence reduce the focusing error. The simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

基于矢量化差分相位的单分布源解耦二维波达方向估计

在分布源(包括相干分布源和非相干分布源)的二维波达方向估计中,均匀圆阵由于可实现全方位测角、具有较高的分辨率,得到了广泛的应用,然而现有的估计算法均需要谱峰搜索和特征值分解,复杂度较高.针对此问题,考虑单个相干分布源或非相干分布源入射两种情况,提出了一种基于矢量化差分相位的解耦二维波达方向快速估计算法.该算法首先基于空间频率近似模型,证明了任意单个分布源入射时,均匀圆阵中不同阵元接收信号间的差分相位均不受角度扩展参数的影响;基于此特性,通过获取差分相位即可实现中心波达角的解耦合;接下来,提取采样协方差矩阵的严格上三角元素相位,即对应于各阵元间的差分相位,并进行矢量化处理,最终将波达方向估计问题转化为一个最小二乘问题,从而直接得到闭式解,避免了谱峰搜索和特征值分解运算,大幅度降低了复杂度.理论分析和仿真实验表明,所提算法具有较高的估计精度,并且无需角信号分布的先验信息,同时具备较低的计算复杂度和硬件复杂度,有利于复杂环境下阵列测向等工程实践.     

一种协方差矩阵实部消除的目标方位估计方法

针对实际复杂海洋环境条件下的目标方位估计性能变差的问题,提出了一种基于实部消除技术的目标方位估计方法。首先将噪声场分解为对称噪声部分和非对称噪声部分。然后利用协方差矩阵虚部,采用延迟求和波束形成方法获得目标方位估计,但是同时产生了对称的虚假目标。最后基于功率估计重构协方差矩阵实部,并与虚部组成新的协方差矩阵,利用新的协方差矩阵做目标方位估计,消除了虚假目标的影响。理论分析与湖试数据处理结果表明:该方法明显抑制了噪声,提高了目标方位估计的性能。实部消除技术易于实现,有较强的工程应用价值。