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.     

基于遗传算法的超声信号LMS自适应时延估计

为了克服ＬＭＳ自适应时延估计（ＬＭＳＴＤＥ）算法计算量大的问题,引进遗传算法进行ＬＭＳＴＤＥ的寻优规划,并采取了克服过早收敛的措施。对超声信号进行时延估计的实验表明,该方法大大减少了计算量,并有较高的时延估计精度。     

采用条件波数谱密度函数的宽带高分辨方位谱估计算法

针对宽带高分辨方位估计存在方位估计偏差大、算法复杂度高等问题,提出了一种基于条件波数谱密度(Conditional Wavenumber Spectral Density based,CWSD-based)的宽带高分辨方位谱估计算法.该算法利用条件波数谱密度将阵列信号转换到频率-波数空间,宽带信号能量在该空间的坐标呈现与入射角相关的线性分布,通过借鉴直线检测原理,实现邻近目标的高分辨方位估计,且无需预估角度和信源数等信息。仿真结果表明,该算法理论分辨率与处理最高频率成反比,估计均方误差约为0.1°,对阵形畸变鲁棒,运算效率高。海上试验数据表明,本文方法在方位分辨率、弱目标检测、非目标向噪声抑制、稳健性等方面都优于宽带常规波束形成和最小方差无畸变算法,在实际海洋中可实现超低旁瓣高分辨波达方向估计。     

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。     

波束域高分辨方位估计的方法、统计性能及水池实验结果

本文针对水声设备的实际应用，研究了波束域高分辨方位估计的MUSIC方法。首先分析了波束形成方法获得处理增益的原理，揭示了波束域高分辨方法具有较低分辨门限的机理；给出了波束域高分辨MUSIC算法，通过计算机仿真，比较了波束域和阵元域高分辨MUSIC法的统计性能，显示了波束域高分辨方法的优越性；进行了消声水池实验，结果表明波束域高分辨MUSIC法分辨力高，对阵列误差具有较大的宽容性。     

单矢量水听器的组合二阶统计量解卷积方位估计

提出了一种单矢量水听器组合二阶统计量的解卷积方位估计方法。该方法利用单矢量水听器多通道的二阶统计量,组合成一种主瓣更窄且平移不变的波束图,再使用解卷积方法进行精细化方位估计。该方法具有较窄的主瓣宽度,较高的分辨力和较强的鲁棒性。仿真实验和海试数据表明,在矢量水听器各通道响应不一致的非理想条件下,所提方法的双目标分辨力和方位估计精度优于多重信号分类(MUSIC)等其他方法,双目标方位分辨力提升约40%。     

基于DFT插值的线性约束最小方差宽带自适应阵列

本文提出一种具有频率不变波束图的线性约束最小方差宽带自适应算法。首先给出了具有频率不变波束图的连续线阵的灵敏度函数与离散线列阵加权系数之间的关系，然后给出了使用DFT插值法求解各子带阵列权系数的方法，最后将DFT插值法应用于线性约束最小方差宽带自适应阵列。理论分析及仿真结果表明，该算法可以在实现最小方差波束形成的同时保持波束图基本不随频率变化，且该方法可以降低宽带自适应阵列的运算量。     

频率不变波束形成器抽头稀疏化设计的交替方向乘子法

针对具有空间响应变化函数约束的频率不变波束形成器设计问题,提出了采用交替方向乘子法实现抽头稀疏设计的优化算法。该算法利用交替方向乘子法能够将原始优化问题进行分裂处理的特点,通过引入替代变量和指示函数,使得表征波束形成器抽头稀疏度量的非凸L₀范数与阵列响应约束分离,进而将问题分裂到元素层级并给出近邻算子的解。对于指示函数的近邻算子求解,在分裂到元素层级后则退化为简单的双边约束问题,因而降低了优化求解的计算复杂度。仿真分析表明,提出的方法比现有的L₁范数方法在宽频带条件下的抽头稀疏度能够提升6%~13%,通带最大波动误差减小了约2 dB,并且优化消耗时间更短。实验结果进一步验证了所提方法在实现高抽头稀疏度波束形成的同时,对声信号造成的失真更小。因此,所提出的方法在降低传声器阵列波束形成器的实现复杂度以及保持阵列响应的频率不变性能方面更具有优势。     

基于中国余数定理的欠采样下余弦信号的频率估计

基于中国余数定理的重构算法的信号频率估计是近年来信号处理、电磁学以及光学等领域的前沿问题,但目前这些研究仅限于对复指数信号做粗略频率估计.因而,本文把基于中国余数定理的频率估计从复指数信号粗估计拓展到实余弦信号精细估计领域,其所提出的估计方案处理过程如下:1)对高频余弦波形进行过零点检测,确定信号的相位信息;2)对各路欠采样信号做快速傅里叶变换,并借助Candan估计器对各路谱峰值做频率校正以获取高精度余数估计,基于此算出频偏值以做相位校正;3)用提出的基于相位特征分类方法对校正得到的余数做筛选;4)将筛选出的频率余数代入闭合形式的中国余数定理得到原信号频率的高精度估计.此外,本文还推导出了频率估计方差的理论表达式.数据模拟实验验证了该表达式的正确性,实验结果还反映了本文提出的方案具有高精度和高抗噪性能.     

基于自适应加权约束最小二乘法的麦克风阵列稳健频率不变波束形成算法

为了解决麦克风阵列通道失配时波束形成算法的稳健性问题, 提出一种基于自适应加权约束最小二乘法的麦克风阵列稳健频率不变波束形成算法. 该算法在分析无通道失配和通道失配时阵列模型特点基础上, 深入研究了通道失配时约束最小二乘频率不变波束形成算法存在的问题及其产生的原因; 将麦克风特性的概率密度函数作为稳健因子加入到约束最小二乘频率不变波束形成算法后, 其频率不变性的稳健性得到了一定的提高, 但稳健性仍较差. 为了进一步提高约束最小二乘法频率不变波束形成算法的稳键性, 通过定义代价函数中控制频率不变性的动态加权系数来调节旁瓣频谱能量, 大大提高了频率不变波束形成算法的稳键性, 将频率不变的频带范围内同一到达角度上不同频率所形成的阵列响应的最大值与最小值之比定义为波动误差, 并作为比较本文算法与约束最小二乘稳健波束形成算法和minmax稳健波束形成算法在通道失配时频率不变性稳键性的评价指标. 算法实例验证结果表明, 在麦克风阵列通道失配时, 本文算法的波动误差最小、频率不变波束形成稳健性最好, 而且适用于任意结构的阵列.     

DOA estimation for uniform circular array without the source number based on beamspace transform and higher-order cumulant

Fourth-order cumulant is one of most widely used high-order cumulant for direction of arrival (DOA) estimation due to its ability of expanding the virtual array aperture as well as suppressing Gaussian noise. To address the two-dimensional (2D) DOA estimation problem, we propose a modified MUSIC scheme for uniform circular array (UCA) in this paper. Firstly, the fourth-order cumulant of UCA is considered to construct a new propagator, resulting in the elimination of a priori knowledge of the number of signals. Secondly, the UCA is transformed by beamspace transformation, reducing the time computational complexity of the algorithm since the two-dimensional grid search and singular value decomposition are avoided. And finally a low-rank recovery algorithm is adopted to improve the accuracy regarding the limited snapshots scenario. The numerical simulations validate the superiority of the proposed method.     

基于倾斜阵的距离与方位联合估计*

针对阵列倾斜引起的阵不变量方法定位精度下降的问题,该文结合倾斜阵声源定位的三维模型提出一种基于倾斜阵的距离与方位联合估计算法。该算法通过联合自校正方位距离联合估计方法对阵列倾角在声源-接收平面的投影量进行估计和补偿,改善目标距离估计误差的同时,利用匹配出的阵列倾角投影量反向估计目标方位,获得对声源二维位置的估计。通过仿真验证了该算法能够在阵列倾角较小时实现目标方位与距离的联合估计。     

基于宽带无失真波束形成的空气中多声源被动定向方法

将宽带无失真波束形成技术与基于时延的声被动定向方法相结合,针对小孔径基阵,提出了对多个声源的定向方法。该方法把整个观测空间分为若干个不同的测量区域,而后利用基于时延的定向方法定向处于不同测量区域的声源。此方法使基于时延的声被动定向方法具有了一定的多源分辨能力,对提高和改进声被动探测系统在实际使用中的性能有重要意义。仿真计算和空气实验验证了本文所提方法的正确性和实用性。     

声矢量锥形阵的高阶累积量波达方向估计

为解决信源在较低信噪比情况下的测向分辨率问题,提出阵列可扩展的声矢量锥形阵测向算法。算法基于四阶累积量的阵列扩展和高斯噪声抑制特性,计算声矢量传声器不同输出分量的四阶累积量,使其在三维方向上扩展与原阵型结构相同的虚拟阵,从而构造包含角度信息的旋转不变矩阵进行测向。推导给出了算法的克拉美罗界,理论分析了算法性能受信噪比、采样快拍以及入射声源俯仰角的影响。仿真实验验证了该算法较常规声矢量阵ESPRIT算法有更优的噪声抑制能力及更高分辨的DOA估计性能。     

一种自适应最小范数算法

运用特征子空间方法的关键在于信号子空间或噪声子空间的估计,实际上有些信号的统计特性随时间变化,于是要求得到参数的实时估计值,为此,需要随时根据新的阵列接收数据对信号或噪声子空间进行更新。本文首先分析了一种自适应子空间估计算法,即MALASE(MaximumLikelihoodAdaptiveSubspaceEstimation)算法。然后,把MALASE算法与传统的最小范数(Mini-Norm)高分辨算法相结合,并应用零点跟踪技术,提出了一种自适应Mini-Norm高分辨算法,可用于对时变的信号波达方向(DOA)进行跟踪估计。计算机仿真结果验证了该算法的有效性。     

改进维纳滤波器及其在目标方位估计中的应用

针对复杂的水声环境以及信噪比较低的目标信号导致方位估计性能较差的问题,本文提出了一种基于改进维纳滤波器和波束形成器的方位估计方法,该方法能够抑制噪声,提高目标方位估计性能。首先利用改进维纳滤波器抑制各通道接收数据中的噪声,提高输出信噪比。在此基础上,将改进维纳滤波器的输出通过波束形成器,获得目标的方位估计。改进维纳滤波器能够通过调整滤波器参数,控制滤波器的噪声抑制能力和信号失真。因此,针对不同的波束形成器对信号失真的敏感程度不同,可以通过调节改进维纳滤波器的参数,获得噪声抑制与信号失真之间的最佳折中,从而提高输出信噪比,降低目标方位估计的信噪比门限和均方根误差。仿真和实验结果验证了本文方法。     

基于数据协方差矩阵重构的MIMO声纳DOA估计

实际多输入多输出(MIMO)声纳系统由于环境或人为因素,可能出现部分阵元失效,从而导致阵列自由度减少、方位估计精度下降。本文提出了一种数据协方差矩阵重构方法,该方法基于差分阵列性质,利用正常工作阵元的协方差矩阵元素来恢复失效阵元的矩阵元素,获得满秩的数据协方差矩阵,从而恢复到全阵元MIMO声纳的阵列自由度。与已有方法相比,降低了计算复杂度。仿真及海试实验数据处理结果表明,本文所提的数据协方差矩阵重构方法能够恢复因部分阵元失效而丢失的阵列自由度,应用于方位估计中,所能分辨的最大目标数与全阵元相同。     

压差式矢量水听器方位估计中的干扰抵消

矢量水听器由于能获取声场中标量（声压）和矢量（振速）信息，因此单个的矢量水听器就可实现目标方位估计。单个矢量水听器是利用信号的声压和质点振速之间相关性进行信号方位估计，但是当存在干扰，并且干扰和信号之间相关时，如果对运用能量流进行方位估计的方法不加改进，则会出现很大的误差，甚至出现错误的估计。本文提出一种存在已知噪声干扰情况下的干扰抵消方法，并针对该方法进行了仿真试验，最后运用湖试数据进行了验证。结果表明，该方法能有效地减弱相千千柑对信号的影响，实现对信号的方位估计。     

基于LMS自适应时延估计和FPGA的超声波测风系统研究

利用超声波传感器进行风速测量时,温度对超声波传播有很大影响,时延估计对超声波测风系统的精度起到很大的作用。本超声波测风系统为避免温度对风速测量中的影响,采用了基于时差法的测量原理,为了提高时延估计值的精度,提出了基于最小均方(LMS)自适应时延估计的测量方法,研制了以单片机Atmega128和现场可编程门阵列(FPGA)为核心的硬件系统。仿真和实际测试的结果表明,该超声波测风系统的时延估计值精确度较高,具有很高的应用价值。