宽带波达方向估计的克拉美-罗界研究

推导了多源情况下宽带波达分析(DOA)估计的克拉美一罗界(CRB),给出了任意阵列情况下Fisher信息矩阵元素的直接计算公式。将CRB的表达式分成与信号和阵列相关的两部分,深入揭示了CRB的特点和影响DOA估计性能的因素。与信号相关的部分表明DOA估计性能除了与信噪比有关外,还与信号带宽和谱密度有关,当信号在高频部分分布更多的能量时可以获得更佳的估计性能。与阵列相关的部分表明DOA估计结果受阵列几何配置和信号入射方位的影响,不同的阵列会对DOA估计结果产生极大的影响。 CRB的这些特性提供了宽带阵列处理中信号选择和阵列结构设计的一些基本原则。计算机仿真结果验证了理论分析的正确性。     

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.     

水下体积目标宽带阵列尺度估计

通过研究目标声纳窄带离散回波模型,论文建立了水下体积目标宽带离散回波模型。并结合均匀线性阵列信号模型,推导出了基于散射亮点形状、距离、方位角等反映目标尺度信息参量的体积目标宽带离散线性均匀阵列回波模型,为水下体积目标探测与尺度估计提供了可靠的理论依据。仿真与实验对比结果证明了模型的正确、有效性,说明了其实用价值。     

基于聚焦变换的宽带信号方位稳健估计

提出了一种基于聚焦变换稳健的宽带信号方位估计算法,FTMV方法(Focusing Transform Based Minimum Variance Method)。该算法利用聚焦变换的思想将宽带阵列信号协方差矩阵聚焦到一个窄带上进行处理,实现了信号的方位积累。实验数据处理结果显示FTMV方法有效消除了阵列机动引入的目标方位估计误差,同时相对窄带MV方法(Minimum Variance Method)具有更短的响应时间、更小的计算复杂度、更好的鲁棒性能。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Fast direction of arrival estimation of wideband sources in unknown correlated noise fields

A computational efficient wideband Direction of Arrival (DOA) estimation method in the presence of unknown correlated noise is presented. A fast Two-sided Correlation Transformation (TCT) focusing matrix that transforms only the signal subspace is developed firstly, and then the propagator method is utilized to compute the focusing matrix and noise correlation matrix. In contrast to conventional wideband DOA estimation method, the proposed method requires only linear operation but does not involve any eigenvelue-decomposition to estimate the focusing matrix; it has a lower computational load, especially when the sensor number is greater than the source number. Because noise correlation matrix is estimated and eliminated from the array correlation matrix, the accuracy of DOA estimation is improved even in the presence of unknown correlation noise. Computer simulation results verified the efficiency of the method.     

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。     

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.     

未知相关噪声环境下相干宽带源波达方向宽容估计算法

提出了一种未知相关噪声环境下,相干宽带源波达方向宽容估计算法。在实际应用中,尤其当阵列的孔径相对较小时,环境噪声通常是空间相关的,这引起了相干子空间类算法聚焦误差的增加和波达方向估计性能的严重下降。为此,提出了一种基于差分矩阵的聚焦变换算法,该算法抵消了未知相关噪声,从而减小了聚焦误差。仿真和实验结果表明,提出的方法能适用于低信噪比环境下的方位估计,宽容性及分辨率得到明显提高。     

On the Cramer-Rao bound of wideband direction of arrival estimation

The Cramer-Rao bound （CRB） for wideband direction of arrival （DOA） estimates of multi-source impinging on a randomly distributed array is derived. The computational expressions for the elements of Fisher information matrix in arbitrary array are provided also. The derived CRB can be divided into two terms, one depends on signals＇ characteristics and the other depends on array geometry, and so an insight into theoretical performance of DOA estimation can be provided. The first term of CRB shows that the DOA estimation performance not only depends on SNR but also the signal bandwidth and spectral density, thus it can be found that better DOA estimation can be obtained for signals with more high frequency energies. The second term of CRB shows that DOA estimates vary with different array geometries and source angles. These properties provide us some useful tip to design an efficient signal and array configuration. Simulation results confirmed the results mentioned above.     

Two-dimensional wideband direction of arrival estimation with acoustic vector-sensor array

A closed-form algorithm for two-dimensional wideband Direction-of-Arrival (DOA) estimation with an acoustic vector-sensor array was presented. The proposed algorithm can deal with coherent sources without loss of array aperture, and does not require a search procedure for the DOA parameters. The estimated azimuth and elevation angles can be automatically paired. Simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

一种快速水声目标波达方向估计方法

以基追踪为重构算法的水声目标波达方向估计方法在实际的应用中往往运算速度较慢,针对这一问题,在分析水声目标空间稀疏特性的基础上,结合压缩感知理论框架下波达方向估计的特点,提出一种快速水声目标波达方向估计方法。该方法通过逐步减小逼近参数的方式来得到l₀范数最优解,实现水声目标信号的波达方向估计。通过计算机仿真从成功率、运算时间、分辨角度等多个方面与基追踪算法进行比较分析,实验表明:在成功率和分辨角度上所提出算法与基追踪算法性能相当,但运算时间却仅仅是基追踪算法的1/11。     

基于宽带分裂阵列的水下远程被动多目标检测与定向

为获取更高的水下远程多目标检测和定向性能,基于工程中广泛应用的最小方差无畸变响应(MVDR)波束形成算法,设计了大间隔分裂线列阵,通过扩大阵列有效孔径改善了空间谱峰锐度。同时提出非相干宽带预处理方法,利用MVDR在多频子带下波束宽度和间隔的非一致性来抵消由于稀布阵元造成的栅瓣效应。最终实现大间隔分裂阵和宽带非相干波束形成的互补。仿真和湖上试验结果表明,与采用宽带MVDR的均匀线列阵和采用互相关法的大间隔分裂阵相比较,所提方法能显著提高对水下远程目标的检测和分辨性能。     

Parameter estimation of underwater moving sources by using matched Wigner transform

According to the acoustical Doppler effect, an improved narrow-band technique is proposed to estimate underwater source’s motion parameters including speed, closest distance, rest frequency, and closest point of approach (CPA) time, by using a single receiving sensor. First, the matched Wigner transform (MWT), which produces a time–frequency distribution (TFD) with optimal energy concentration and without inner artifacts for a high-order polynomial phase signal, is defined. On the basis of the MWT, a method is developed for the accurate instantaneous frequency (IF) estimation of Doppler signal. Moreover, we deduce that the Wigner–Ville distribution of the Doppler signal has a peak at the center of the TFD. Thereafter, the CPA time is directly estimated. When the CPA time is obtained, the other motion parameters can be easily estimated by using a simplified amplitude weighted nonlinear least-squares method, which fits the IF estimates to the predicted Doppler shift. Finally, the effectiveness of the proposed scheme is validated by using underwater acoustic data.