聲吶波束形成魯棒性及算法研究.pdf

1、為了提高聲吶基陣系統(tǒng)在復(fù)雜多變水聲環(huán)境中和強(qiáng)干擾背景下對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)性能，本文根據(jù)波束形成技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，分別針對(duì)波束形成器在抗基陣模型誤差的魯棒性和抗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)干擾的魯棒性兩方面，進(jìn)行了深入系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，本文的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 1.針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Capon波束形成算法對(duì)基陣模型誤差敏感的缺點(diǎn)，提出了一種基于雙因子對(duì)角加載的自適應(yīng)波束形成算法。該算法融合了線性回歸模型中的嶺估計(jì)思想和協(xié)方

2、差矩陣修正法中的廣義線性組合估計(jì)思想，不需要用戶指定參數(shù)，能夠根據(jù)陣列接收數(shù)據(jù)自動(dòng)確定對(duì)角加載因子，因此可以避免因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致算法性能的下降。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新算法的有效性和抗基陣模型誤差的魯棒性。
　　 2.針對(duì)現(xiàn)有的一些矢量陣自適應(yīng)波束形成魯棒性提升算法只是將標(biāo)量陣中的算法做了簡(jiǎn)單移植、以至性能難以達(dá)到最優(yōu)的缺點(diǎn)，提出了一種基于雙重范數(shù)約束的矢量陣波束形成算法。矢量水聽器中的聲壓傳感器和振速傳感器在信息拾取方面有

3、著完全不同的物理機(jī)理，具有不同的響應(yīng)模式和噪聲特性，對(duì)基陣模型誤差的敏感程度亦不一致。因此新算法充分考慮了矢量水聽器的特點(diǎn)，區(qū)別對(duì)待聲壓分量和振速分量，分別給予不同的范數(shù)約束值，以便做到按需分配魯棒性大小。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法在抗基陣模型誤差中的通道幅相誤差、陣元位置誤差、陣元姿態(tài)誤差、波束指向誤差以及協(xié)方差矩陣誤差等方面都表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性。
　　 3.針對(duì)常規(guī)寬帶自適應(yīng)波束形成算法只能在干擾方向上形成窄零陷，對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)

4、干擾抑制能力有限的缺點(diǎn)，提出了三種具有拓展零陷的寬帶波束形成算法，即基于Mailloux思想的寬帶波束形成算法、基于Zatman思想的寬帶波束形成算法以及基于Chebyshev準(zhǔn)則的寬帶波束形成算法。前兩種算法能夠自適應(yīng)地在干擾方向左右附近生成拓展零陷，后一種算法則需要預(yù)先已知干擾的大致方位，才能在該方位左右附近設(shè)計(jì)拓展零陷，不過利用后一種方法設(shè)計(jì)出的波束圖具有恒定的主瓣寬度，可以避免寬帶信號(hào)通過波束形成系統(tǒng)后波形出現(xiàn)失真。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)

5、結(jié)果驗(yàn)證了三種新算法的有效性和抗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)干擾的魯棒性。
　　 4.針對(duì)利用聚焦波束形成測(cè)量聲圖時(shí)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)干擾源的存在會(huì)影響弱目標(biāo)源檢測(cè)和定位的問題，提出了一種基于矩陣預(yù)濾波的聚焦波束形成算法。該算法利用了遠(yuǎn)場(chǎng)平面波中帶阻矩陣濾波器的設(shè)計(jì)思想，可在掃面范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)阻帶區(qū)，能夠抑制這些區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)干擾。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了常規(guī)聚焦波束形成算法、MVDR聚焦波束形成算法、零點(diǎn)約束權(quán)聚焦波束形成算法和新算法之間的性能，結(jié)果顯示新算法在