三种宽带自适应波束形成器比较研究

1引言 在被动声呐系统中,目标信号通常是宽带的,因此必须利用DFT将信号分解成若干个窄带,然后再每个窄带上利用MVDR波束形成技术.对于MVDR波束形成算法而言,是将宽带分为若干个窄带,在每个窄带上求出协方差矩阵,再把每个窄带的结果能量相加得到宽带结果,这就假定了各个窄带互不相关,所示是非相干累积,非相干累积要损失信息.事实上,各个窄带并非完全不相关,因此我们将研究针对宽带信号的相干波束形成或空间能量谱估计.     

MVDR自适应波束形成技术在水声中的研究进展

高分辨波束形成器比常规波束形成具有更好的方位分辨力与干扰抑制能力。该波束形成器能够提高阵列输出信干噪比,从而提高声呐的探测性能。与多重信号分类、旋转不变子空间等方法相比,最小方差无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器输出真实反映了观察方向的信号功率,同时可提供波束时间序列做后置处理,在水声阵列处理领域得到了快速发展和深入研究。对高分辨MVDR技术在水声阵列处理中的研究进展进行了回顾,重点介绍了其宽带处理、稳健性、运动补偿、解相干等国内外的研究热点和最新成果,同时给出其在各种水声阵列处理领域的应用前景。     

基于最小均方误差的宽带波束形成技术研究

1.引言 在声呐基阵设计中信号通常采用宽带形式,这就要求宽带信号通过基阵系统后无畸变,为此人们提出各种恒定束宽的宽带波束形成器设计方法.智婉君等提出了空间重采样的宽带波束形成器[1][2],但是由于实际阵列空间孔径有限,不能很好的满足采样定理,因此这种方法精度较低;杨益新等提出的适用于任意阵列结构设计的宽带波束形成器设计较为复杂,推导实现比较困难[3];而朱维杰,孙进才等提出了基于DFT插值[4]和FIR滤波器自适应模拟的宽带波束形成器方法[5],但是DFT插值方法需要基阵灵敏度满足一定关系式,才能使得阵列波束图不依赖于频率而变化,应用上具有局限性.他们提出的FIR宽带波束形成器法为了能利用自适应法得到宽带波束形成器在其他频率处的权矢量,需要人为构造一组在空间均匀分布的远场信号去激励自适应波束形成器,这无形中增加了计算量和设计复杂度.     

MVDR自适应波束形成的一种智能算法

最小方差无失真响应（MVDR）自适应波束形成方法在声纳阵列信号处理中得到了广泛的应用。当存在强干扰时,传统的MVDR算法的稳定性较差,在有限次快拍数条件下,会带来一定的信噪比损失。将粒子群优化算法（PSO）引入MVDR的求解过程,提出了一种MVDR的数值实现方法。该方法在保持信号能量不变、干扰和噪声能量最小的约束条件下,利用粒子群优化算法通过数值搜索的方法获得MVDR的最优权向量。在小快拍数条件下,较一般的MVDR具有更好的抑制干扰能力。计算机仿真结果验证了该方法的有效性。     

宽带信号精确测向方法研究

研究比较了利用MVDR和互相关分裂波束法进行宽带信号精确测向的性能。仿真结果表明，对单目标测向，信噪比在0dB以上时，互相关分裂波束法可以达到与MVDR相当的测向精度，且具有较小的运算量。     

一种利于工程应用的快速反卷积波束形成方法

针对传统的反卷积波束形成算法在处理宽带随机信号时计算量过大的问题,给出了一种利于工程应用的快速反卷积波束形成方法。利用不同频率阵列波束图的相似性,将宽带随机信号划分成非等间距的多个窄带,并在每个窄带取一个频率点的点扩散函数(Point Spread Function, PSF)进行反卷积的近似处理,极大地提高了反卷积波束形成的计算速度。通过在波束功率谱上进行边界扩展,解决了因 Richardson-Lucy(R-L)迭代算法带来的边界模糊问题,进一步提高了计算速度。仿真和海试结果表明,该方法相对于常规波束形成具有更高的分辨力、更高的处理增益和更好的旁瓣抑制能力;相对于传统反卷积波束形成计算速度提升了 50%以上。     

SAVSTMV波束形成算法研究

矢量阵常规波束形成(Vector array Conventional Beam Forming,VCBF)能够消除普通单线阵左右舷模糊现象,但VCBF波束宽度受到"瑞利限"的限制,不能分辨同一波束内的多个目标。矢量阵导向最小方差(Vector array STeered Minimum Variance,VSTMV)波束形成算法是一种宽带自适应波束形成算法,具有高分辨力和抗干扰性能。VSTMV波束形成直接在阵元域进行,计算量较大且稳健性差,不利于实时实现和应用。提出一种分子阵VSTMV波束形成算法(Sub-Array Vector array Steered Minimum Variance,SAVSTMV),可有效降低计算量,算法稳健性更强。通过理论研究和仿真计算,证明该算法比矢量阵常规波束形成算法具有更好的性能,有利于实际应用。     

宽容自适应波束形成在矢量阵上的应用

矢量水听器由声压和振速水听器复合而成,可以共点同步测量声场中的声压与振速。相对于声压阵,使用矢量阵能在大部分观测区域实现无模糊定向,突破半波阵限制,扩展阵列孔径。当导向矢量精确已知和观测数据充分时,MVDR(Minimum Variance Distortionless Response)的分辨率和抑制干扰能力都优于常规波束形成(CBF)。在实际应用中,导向矢量存在误差或者时变,MVDR的性能严重恶化。RCB(Robust Capon Beamforming)是最近出现的一种宽容自适应波束形成算法,该算法直接对导向矢量进行估计作波束形成,从而有效避免了因导向矢量失配性能下降。推导了秩亏情况下的RCB,将其应用到矢量阵,海试结果表明了该方法的有效性。     

低快拍下基于RBF的CSB sin-FDA稳健波束形成

针对抑制与目标位置接近的平台外随队干扰的过程中,MVDR波束形成器在阵元数较大、快拍数不足时的主瓣畸变问题展开分析。以CSB sin-FDA接收阵列结构代替ULA-FDA接收阵列。快拍数不足时,将修正后的协方差矩阵导入模糊RBF神经网络计算最优权矢量,避免了矩阵求逆运算。与基于PA及FDA-BFF的MVDR波束形成器相比,在低快拍情况下,该方法在干扰位置处形成有效零陷的同时,主瓣指向能够保持在目标位置。且方向图仅在目标位置处形成单一主瓣峰值,这也为后续关于目标参数估计的一系列分析中的模糊消除奠定了重要基础。数值仿真验证了该方法的有效性。     

宽带波束形成在定点DSP上的实现

阐述了宽带波束形成算法在定点DSP上实现时需要考虑的问题,讨论了定点方式实现矩阵特征值分解和非线性运算。比较了宽带常规波束形成（CBF）和宽带稳健自适应波束形成（RCB）算法的定点和浮点实现结果,给出了快速实现和验证定点数字信号处理算法的方法和步骤。通过计算实际数据验证了这些方法的正确性,可以有效提高在定点DSP上开发复杂数字信号处理算法的效率。