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。     

未知相关噪声环境下宽带源波达方向估计的快速算法

提出一种未知相关噪声环境下带源波达方向估计的快速算法。该算法只对信号子空间进行变换,直接由传播算子构造聚焦矩阵,得到一种快速TCT聚焦矩阵。利用阵列相关矩阵的酉相似变换特性估计噪声相关矩阵,提高了未知相关噪声情况下宽带DOA估计的性能。该算法由线性运算求解聚焦矩阵和噪声相关矩阵,无需特征分解,运算量低,而且适用于未知相关噪声情况,具有重要的工程实用价值。     

依赖于频率变化模型的相干信号子空间聚焦处理方法

提出了一种依赖于频率变化模型的相干信号子空间聚焦处理新方法。相干信号子空间(CSS)宽带处理方法的核心思想是通过聚焦变换将宽带信号各频率分量的信号子空间映射成为一个信号子空间。而依赖于频率变化模型(FDM)的宽带处理方法则是通过引入一组关于频率的基函数,建立阵列信号依赖于频率变化的模型,从而直接进行宽带处理。本文把CSS的聚焦思想应用到FDM,提出了一种宽带目标方位估计方法,并构造了对角聚焦矩阵。新方法采用了FDM,增大了相关矩阵的维数,有效地反映了噪声子空间,因此比CSS具有更好的性能;采用聚焦,大大减小了FDM方法庞大的运算量。计算机仿真结果验证了新方法的有效性。     

近场子空间聚焦的碰摩故障声发射定位方法

针对宽带多源声发射信号的相干、多模态和能量衰减快问题,提出一种近场多重相干信号子空间聚焦的定位算法用于碰摩故障声发射源的定位检测。首先,为滤除干扰模态波、减小频散效应,采用基于模态声发射传播特性分析的小波分解滤波方法,从碰摩初期的声发射信号中获取零阶模态波及波速用于定位计算;其次,为实现信号解相干,提出基于双边相关变换(TCT)的近场聚焦矩阵估计方法;最后,针对声发射信号的能量衰减快问题,利用近场基于特征分解的多重信号分类(N-MUSIC)的空间谱估计方法来实现声源的精确定位。理论分析和实验结果表明:该方法定位精度高、计算复杂度低、稳定性强,能有效识别多个相干碰摩声源。相比传统相干子空间算法(CSM),该方法减少了信号初值和聚焦频点的计算量,对双声源的分辨概率较现有修正近场多重信号分类算法提高了17%,是一种有效的碰摩故障源检测方法。      

基于正交传播算子的闪电宽带甚高频辐射源定位方法研究

闪电甚高频辐射源定位技术为闪电放电特征及其物理机制的研究提供了重要手段.基于空间谱估计理论,可将正交传播算子方法应用于闪电放电通道时空演变过程的成像.该方法将阵列数据协方差矩阵进行线性分解形成正交传播算子,然后以子空间的正交性构造空间谱,通过空间谱搜索实现辐射源定位.针对闪电宽带甚高频信号,采用非相干子空间处理方法将带宽内的有效频点进行平均,减小噪声干扰.利用数值仿真分析了该方法的定位性能,验证该方法定位弱辐射源的有效性,并与时间反转技术进行了对比.针对人工触发闪电过程的定位结果表明该方法可以较高的时空分辨率清晰地描绘出闪电通道的基本结构及放电通道的发展过程,并且其对双源同窗事件的定位能力优于时间反转方法.该方法对提高宽带甚高频阵列在闪电弱辐射源定位、闪电起始机制的研究中的应用价值具有重要意义.     

前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强方法研究

结合时反算子分解和时反混响置零方法,提出了一种前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强新方法.利用目标回波出现时刻及其出现前后时刻的回波信号,通过时反算子分解获得目标距离对应的一个二维信号子空间和目标前后距离附近的海底聚焦权向量,根据该信号子空间和海底聚焦权向量,以目标前后距离附近的海底声场置零、目标处最大为约束条件,导出了时反阵的一个约束最优激励权向量.该方法解决了现有直接时反处理、混响置零方法以及时反选择性聚焦方法存在的局限性,可以在没有探测声源、没有目标和海底散射强度谁大谁小的先验知识的条件下,实现声场在目标处聚焦,同时在目标距离附近海底处设置混响凹槽,进一步增强回波信混比.针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真验证了所提方法的有效性及其改进的信混比增强能力.     

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。     

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。     

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。      

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。     

快速收敛最小方差无畸变响应算法研究及应用

常规最小方差无畸变响应(MVDR)自适应波束形成是一种高分辨窄带波束形成器,它是利用实际声场的窄带互谱密度矩阵(CSDM)估计出自适应波束形成权向量。在实际应用中,MVDR算法需要较长的观测时间估计协方差矩阵,不利于对高速运动目标进行定位;对于宽带目标信号,MVDR算法需要对每一个CSDM进行求逆运算,计算量较大;在相干源条件下,目标信号之间会发生"对消"现象,MVDR算法性能急剧恶化。本文提出了基于子带子阵处理的快速收敛MVDR自适应波束形成方法。首先将全频带划分成一组子带,将接收线阵划分成一组子阵,然后对每一子带计算降维的驾驶协方差矩阵(STCM),从而得到快速收敛MVDR自适应波束形成的权值和空间谱估计结果。同时采用双向空间平滑方法对相干源进行MVDR空间谱估计。仿真和海试数据处理结果表明该算法在保证高分辨力的同时,具有瞬时收敛的性能,双向空间平滑技术具有良好的解相干性能。      

特征空间和符号相干系数融合的最小方差超声波束形成

为了提高医学超声成像的空间分辨率,提出一种融合了特征空间最小方差与符号相干系数的波束形成方法。首先利用最小方差法计算回波数据的协方差矩阵和加权向量;然后对协方差矩阵进行特征分解得到信号子空间,并将加权向量投影到该空间上;最后计算符号相干系数,用于优化特征空间法得到的回波信号,最终获得超声成像数据。为验证算法的有效性,对医学超声成像中常用的点目标、斑目标进行仿真,对点目标仿体和人体颈动脉组织进行超声成像实验。结果表明:所提出的方法在分辨率、对比度以及稳健性等方面都优于传统的延时叠加算法、最小方差算法、特征空间最小方差法以及特征空间与相干系数融合的方法。     

宽带扩展性目标时反算子分解成像

在时反算子分解技术的基础上,提出了宽带全信号子空间加权成像方法。虽然扩展性目标与时反算子的特征向量不再是一一对应关系,传统的时反选择性聚焦仍然选择某一特定的信号子空间成像,而时反MUSIC只利用某一频点成像,导致定位结果背景起伏较高。为克服这些缺陷,利用时反算子的特征值判断信号子空间的个数,以广义散射系数为加权系数,实现全宽带和全信号子空间成像。结果表明,此方法的旁瓣水平明显下降。      

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。     

特征空间和符号相干系数融合的最小方差超声波束形成

为了提高医学超声成像的空间分辨率,提出一种融合了特征空间最小方差与符号相干系数的波束形成方法。首先利用最小方差法计算回波数据的协方差矩阵和加权向量;然后对协方差矩阵进行特征分解得到信号子空间,并将加权向量投影到该空间上;最后计算符号相干系数,用于优化特征空间法得到的回波信号,最终获得超声成像数据。为验证算法的有效性,对医学超声成像中常用的点目标、斑目标进行仿真,对点目标仿体和人体颈动脉组织进行超声成像实验。结果表明:所提出的方法在分辨率、对比度以及稳健性等方面都优于传统的延时叠加算法、最小方差算法、特征空间最小方差法以及特征空间与相干系数融合的方法。      

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。     

波达方向估计中特征空间的信源数估计方法

提出了特征空间法信源数估计方法,它将阵列信号的协方差估计值分别投影到信号的特征子空间和噪声的特征子空间。由于信号子空间与噪声子空间相互正交,易于由表征投影大小的判据值区分信号和噪声的贡献;本方法用的是M×M阶矩阵特征值分解,M为基元数,与波达方向估计用的相同,因此节省大量的计算量;它可以在实数空间中进行运算,进一步减少运算量。进行了数值计算,检验了判据值分布,以及在信源等功率、不等功率和空间相关色噪声等情况下特征空间法的性能。估计方法还用声纳数据进行了检验。所有这些结果均证明本估计方法性能优良。      

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。     

浅海波导中水平接收阵被动时反混响抑制方法研究

使用基于射线简正波异地混响理论建立的水平接收阵接收海底混响模型,提出了水平阵被动时反混响抑制方法。以水平接收阵接收回波信号的某一时刻作为开始,分别对其前一时刻和后一时刻的回波信号做时反算子分解获得两个混响子空间,将这两个混响子空间的平均作为该时刻的混响子空间的一个估计,然后利用投影处理来抑制该时刻接收信号中的混响成分。该方法可以在一定程度上克服由于海底粗糙引起的局部时间(距离)段内接收回波信号的不平稳性,使得估计得到的混响子空间更加接近真实混响子空间。因此,利用其进行被动时反混响抑制可以增强回波信混比,提高对目标的检测和方位估计能力。针对典型浅海波导环境开展的仿真验证了本文方法的有效性。