復域DSLA空-時四維匹配場定位.pdf

1、檢測與估計是信號處理的基本問題。水下目標定位包括兩項任務：(1)檢測：確定是否有目標；(2)估計：若有目標，則同時估計出相應的位置參量。檢測和估計是密不可分的。本文從最佳檢測器和估計器出發(fā)，推導了水下目標定位最佳處理器的具體形式--匹配場波束形成，它是自由場中球/平面波波束形成在水下波導中的推廣，核心運算是拷貝向量與數(shù)據(jù)的相關運算。
　　 海洋是一個上有海面下有海底的波導環(huán)境，其中的聲波以柱面波形式擴展。波導中的聲場是由柱坐標系

2、下的水平方位、垂直深度、水平距離組成的空間三維和時間一維共同決定的空.時四維聲場。因此波導中的目標定位應是空.時四維定位--空間三維聯(lián)合的位置定位-時間一維波形定位(波形恢復)。這里說三維聯(lián)合指的是同時定深定距定方位，若只對其中一維或兩維感興趣，則應通過切片或邊緣化的方法得到。實際的定位結果應是四維可視化的結果--能看到目標的三維位置的運動曲線，能聽到目標輻射的波形。
　　 波導中的聲場具有空-時寬帶特性?？臻g寬帶指的是多波數(shù)，

3、時間寬帶指的是多頻?？沼蛏?，波導中的柱面波可分解為垂直方向的駐波和水平方向上的行波，空間波數(shù)被分解為水平波數(shù)和垂直波數(shù)，它們之間構成直角三角形的關系，可建模為簡正模模型，每一號簡正模都可視為一個上行平面波和下行平面波的疊加，每一個上行和下行平面波都對應于一個空間波數(shù)，因而形成了空間寬帶，空間寬帶與多路徑和多模是等價的。時域上，目標輻射信號本身是寬帶的。波導中聲場的空-時寬帶特性對于定位是有利的，不同深度距離角度的聲源所激發(fā)的聲場的空時拓

4、撲結構不一樣，可開發(fā)用于三維定位，而且時間寬帶所提供的頻率分集能有效對抗衰落，提高定位的可靠性。
　　 為充分利用聲場的空-時寬帶特性，需設計空-時寬帶陣對聲場進行空-時四維采樣?？?時寬帶陣即空域大空間帶寬乘積陣形-時域大時間帶寬乘積波形。大時間帶寬乘積信號的時延多普勒指向性集中，大空間帶寬乘積陣的三維指向性集中，因而采用空-時寬帶陣還能提高抗干擾能力。
　　 本文設計的雙螺旋線陣(DSLA，Double Spiral

5、 Line Array)為空間寬帶陣，它由兩條螺旋形曲線陣(SLA，Spiral Line Array)組成，兩條SLA的起點，高度上錯開一定的間隔、方位上錯開將近180度，均按順時針方向螺旋向下，每個南北半球對立的東西半球都有陣元分布，具有復雜的空間取向性(空間波數(shù)是有方向的)，且取向性不重復，為空間寬帶陣。
　　 實際中匹配場定位面臨著環(huán)境不確實問題。不確實又必然導致模型預測的權向量與實際數(shù)據(jù)失配，使匹配場定位的性能下降乃至

6、崩潰。為此，需要寬容性建模和寬容性處理方法。
　　 本文把環(huán)境參量和目標參量建模成系統(tǒng)的狀態(tài)向量，它們的空時演化服從動力學基本規(guī)律，可視為一類普遍存在的AR過程，并可由此建立狀態(tài)方程。然后根據(jù)聲傳播模型和接收陣的數(shù)據(jù)模型建立測量方程，二者聯(lián)立建立狀態(tài)-空間模型。在狀態(tài)-空間模型下，把當前時刻狀態(tài)的后驗估計作為下一時刻狀態(tài)的先驗，根據(jù)狀態(tài)方程對下一時刻的狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)做MMSE估計；然后從新的接收數(shù)據(jù)從提取新息，并反饋給狀態(tài)的先驗

7、估計，達到后驗。如此序貫進行，使得狀態(tài)的后驗PDF集中，誤差收斂--最終實現(xiàn)可靠定位。
　　 匹配場定位本質上也是一個關于目標位置的LS估計問題，實際在處理的過程中，需要注意信號是尋性/圓性還是非尋/非圓的。本文把上述工作推廣到更一般的非尋復域，打破傳統(tǒng)的復信號尋性假設，把非尋信號的補相關加以利用，在增廣復域以尋的方法處理非尋，并獲得更好的估計性能。仿真和實驗證明了，在非尋情況下，復域處理較之常規(guī)處理可靠性更高，在尋性情況下，復