单矢量水听器的高分辨方位估计应用研究

为了提高单矢量水听器的目标分辨能力,将MUSIC算法用于单矢量水听器方位估计.根据单矢量水听器的阵列流型特点,将子空间分解理论应用到单矢量水听器方位估计上,实现了单个矢量水听器的高分辨方位估计.根据应用中出现的问题,对算法进行改进.计算机仿真结果表明,在无需知道信号先验信息条件下,该算法依靠单个矢量水听器便可实现窄带信...     

基于宽带MUSIC算法的舰船体积目标识别

窄带阵列信号处理算法不能识别真实舰船和声模拟器,基于某水下武器的作用距离和舰船尺度是可比拟的分析。在对单矢量水听器输出信号阵列建模的基础上,建立了频率分段宽带MUSIC算法,应用于舰船目标信号波达方位估计,来对舰船体积目标进行识别。仿真和实测数据计算结果验证了其可行性。     

基于MUSIC算法的单矢量水听器方位估计

由于单个声压水听器无指向性,不能用来估计目标的方位,因此提出了一种基于单个矢量水听器的高分辨MUSIC算法。该矢量水听器由3个空间轴向垂直的振速水听器和1个声压水听器构成,充分利用矢量水听器的阵列流形特性,按照阵列信号处理的原理对其输出的标量场和矢量场信息进行联合处理,构造了单矢量水听器MUSIC算法。仿真结果显示,将MUSIC算法应用于单矢量水听器可以得到比Capon算法更尖锐的指向性波束,更低的旁瓣,大大提高了对目标的分辨能力,在高信噪比条件下能实现对目标高分辨的方位估计。     

基于仿生学算法的单矢量水听器DOA

由于矢量水听器可以同时获得声场中的声压和质点振速信息,所以利用矢量水听器的组合指向性,可以有效地抑制噪声干扰,提高信号增益。将单矢量水听器的声压与质点振速信息构成传感器阵列,根据平面波声场模型,按照阵列信号处理的原理对其输出的标量场和矢量场信息进行联合处理,即可实现目标方位估计。根据单矢量水听器MUSIC算法的定向原理,建立适应度函数,利用仿生学算法——粒子群算法对单矢量水听器方位估计算法进行优化。     

单压差型矢量水听器方位估计的优化研究

针对压差型矢量水听器的直径波长比大于0.2时,利用它进行方位估计性能恶化的问题,提出一种修正的单个压差型矢量水听器多重信号分类（MUSIC）算法。修正方法通过修正压差型矢量水听器的阵列流型,提高了单个压差型矢量水听器MUSIC算法方位估计的估计精度,且在直径波长比大于0.2时依然保持较好的估计精度和稳健性。仿真结果表明,单个矢量水听器MUSIC算法相对于声强法在低信噪比时具有更好的方位估计性能,修正的压差型矢量水听器MUSIC算法在直径波长比大于0.2时依然具有良好的估计性能。湖上试验的数据处理结果进一步验证了单个压差型矢量水听器的修正MUSIC方位估计方法在实际系统中是有效的,且其估计性能优于原MUSIC方法。针对压差型矢量水听器的直径波长比大于0.2时,利用它进行方位估计性能恶化的问题,提出一种修正的单个压差型矢量水听器多重信号分类（MUSIC）算法。修正方法通过修正压差型矢量水听器的阵列流型,提高了单个压差型矢量水听器MUSIC算法方位估计的估计精度,且在直径波长比大于0.2时依然保持较好的估计精度和稳健性。仿真结果表明,单个矢量水听器MUSIC算法相对于声强法在低信噪比时具有更好的方位估计性能,修正的压差型矢量水听器MUSIC算法在直径波长比大于0.2时依然具有良好的估计性能。湖上试验的数据处理结果进一步验证了单个压差型矢量水听器的修正MUSIC方位估计方法在实际系统中是有效的,且其估计性能优于原MUSIC方法。     

单矢量水听器水中多目标方位估计

根据矢量水听器的接收指向特性,对单矢量水听器接收的声压和质点振速信息进行处理并组成多阶联立方程组,采用优化算法解方程组获取多目标方位和声源强度的最优值。试验结果表明:该方法能够从时域上对相互间隔大于30°的3个目标进行方位分辨。方位估计的精度受目标方位间距的影响,当目标方位间距大于30°时,方位估计的绝对误差均值小于5°。     

四元数模型声矢量阵子空间旋转不变方位估计

传统的声矢量阵子空间旋转不变(ESPRIT)方位估计算法没有利用矢量水听器各输出分量之间的正交特性,对相关声源的估计精度和分辨能力较差,针对此问题,提出了一种基于四元数的二维声矢量阵EP-SIRT算法。首先将矢量水听器的声压和振速输出表示为四元数形式;然后将传统的ESPRIT算法推广至四元数数域,得到目标的方位估计结果。对算法的运算量和方位估计性能进行的仿真说明:与传统的EPSIRT算法相比,四元数域EPSIRT算法运算复杂度更低,对相干信号的估计精度和空间分辨能力更强。     

矢量水听器阵方位估计的最佳线性融合

为了改善矢量水听器方位估计的性能,研究了基于ESPRIT算法的矢量阵方位估计问题,分析了其基本原理,推导了该算法方位估计方差的理论公式,得出了矢量阵ESPRIT方法估计方差较大,且估计性能受实际目标方位影响严重。针对该方法的不足,提出了对独立估计出的目标方位进行最佳线性融合的处理方法,该融合算法的估计方差不大于任何一个独立估计的方差。仿真结果表明,最佳线性融合算法提高了矢量水听器阵的方位估计精度,降低了估计性能随目标方位变化波动的程度。     

基于声矢量阵虚拟扩展的张量MUSIC算法

提出了一种基于声矢量阵虚拟扩展的张量MUSIC算法。在等间距均匀声矢量阵阵元数不变的前提下,多次虚拟扩展阵元间距,形成多个虚拟阵列,利用张量MUSIC算法求得这些虚拟阵列对应的空间谱,利用对这些空间谱求平均的方法来抑制栅瓣。仿真结果验证了所提算法对抑制栅瓣的有效性。与张量MUSIC算法的仿真比较结果显示:对于单目标,该算法有更高的估计精度与分辨率;对于角度相距较近的双目标,该算法有更高的分辨率。     

水下宽带目标方位估计的克拉美-罗界

目标方位估计的克拉美一罗界(CRB)是方位估计方法有效性能评价的标准,它作为任何无偏方位估计方差的下界,给出了目标方位估计方法性能的极限。目前,已有较多的文献研究了窄带目标方位估计的CRB,但还没有研究宽带目标方位估计的CRB．本文提出了水下宽带目标方位估计的CRB．在一定假设条件下,根据水下阵列样本数据的联合概率密度函数和Fisher信息矩阵,推导得到了宽带CRB的解析表示式,计算了不同信噪比、不同目标方位角情况下的宽带CRB．宽带目标方位估计的CRB为水下宽带高分辨方位估计理论研究和统计性能评价提供了依据。     

基于噪声相关模型的二元水听器组左右舷分辨技术研究

文中针对拖曳线列阵声纳的左右舷模糊问题,提出了一种全新的线列阵基阵结构:二元水听器组,并采用噪声相关模型实现左右舷分辨.经过理论分析和仿真实验研究,证明了基于噪声相关模型的二元水听器组能够有效地解决单频、多频和宽带情况下的左右舷分辨问题.而且二元水听器组比三元水听器组结构简单、安装精度要求低、花费相对低廉、算法简单、易于实时实现,是一种具有实用价值的拖曳线列阵左右舷分辨新技术.     

矢量水听器相关性噪声的数值仿真方法

矢量水听器阵列优化设计、性能分析和信号处理系统仿真中,需要知道阵列输出噪声的协方差矩阵等信息。分析了各向同性噪声场中矢量水听器的相关性,得出了矢量水听器的自相关和互相关函数的一般表达式。结合概率分析,给出了一种简单的各向同性噪声场的数值仿真方法。仿真结果表明,文中所给方法产生的矢量水听器噪声的相关性与理论值吻合良好,可为矢量水听器阵列的优化设计和矢量阵列信号处理系统的仿真分析提供准确的数值噪声。     

基于声场模信号特征和多项式拟合的声速剖面反演技术研究

针对未知环境下利用经验正交函数表示声速剖面的局限性,提出了一种基于多项式拟合和模信号相结合的声速剖面反演方法。介绍了模信号的概念和深海分布特性,通过理论分析和仿真分析,证明低阶多项式拟合可用于深海声速剖面的表征,并提出采用5阶多项式拟合以实现对2 000 m以浅的声速剖面较精确的表征。在反演处理流程中,利用不同参数的多项式拟合计算获得拷贝模信号,利用脉冲声信号获得数据模信号,并通过遗传算法进行参数寻优。以典型Munk剖面为例仿真分析基于垂直阵、单水听器、非海面海底反射(SRBR)信号的反演性能,单水听器的声速剖面反演与垂直阵性能接近,并提出基于非SRBR模信号反演可以提升在海底参数未知条件下反演的技术思路。利用4 000 m海深的单水听器接收的脉冲信号（距离180 km,接收与发射深度均为100 m）进行方法性能验证,结果表明,共轭深度以下（100~2 000 m）的声速剖面反演误差小于0.2 m/s.     

采用等距ニ元矢量水听器直线阵的ニ维波达方向估计

为了减小传统四元矢量水听器阵的尺寸和减少冗余阵元，提出了采用等距二元矢量水听器直线阵的二维波达方向( DOA)估计方法。每个阵元（矢量水听器）由空间共点的一个声压水听器和一个振速水听器构成。其中声压水听器阵可以被划分为2个子阵，它们构成旋转对，旋转因子为包含某一轴方向余弦信息的相位延迟因子。振速水听器阵可以被划分为2个子阵，它与声压水听器阵构成旋转对，旋转因子为另一轴方向余弦。基于旋转子空间不变法( ESPRIT)的思想，采用并行总体最小二乘(TLS)矩阵束方法实现对旋转因子的估计和自动配对，从而实现二维DOA佶计。计算机仿真实验结果证明了该方法的有效性。     

基于分数阶傅里叶变换的线性调频脉冲信号波达方向估计

针对宽带线性调频脉冲信号的时宽与观测时宽不等的情况,基于分数阶傅里叶变换(FRFT)提出了一种新的中心频率估计方法,并据此对基于FRFT的MUSIC算法的波达方向(DOA)估计进行了改进。该算法利用线性调频信号在傅里叶变换域良好的能量聚集性,分析了脉冲信号中心频率随着脉冲信号在观测时间内位置的变化规律,并修正了中心频率估计的方法。在相应的分数阶傅里叶域,构造分数阶傅里叶域的方向向量,利用MUSIC算法进行DOA估计。数值仿真验证了该算法对方位估计的有效性,并仿真分析信噪比（SNR）和脉冲信号时间宽度对方位估计结果的影响。随着SNR的增大、脉冲信号时间宽度的增加,方位估计方差减小。     

单矢量水听器的MVDR波束形成性能研究

矢量水听器利用MVDR波束形成器可以对目标信号进行波达方向估计，对三维矢量水听器和二维矢量水听器的MVDR波束形成器的性能进行分析研究。结果表明：三维矢量水听器的MVDR波束形成性能较好，而当干扰信号远小于环境噪声时，二维矢量水听器MVDR波束形成对在水平方向上的目标信号有很高的分辨率。     

基于子空间拟合的声矢量阵阵型校正算法及DOA估计

将声场中的声压、振速进行联合信息处理,基于信号子空间拟合原理提出了一种声矢量阵高分辨方位估计算法。该算法在估计性能上与声矢量阵MUSIC算法接近,但在运算量方面有所减少;并针对阵元位置存在误差时文中算法性能恶化的问题,基于迭代优化原理提出了一种声矢量阵阵型校正算法。该算法依赖两个方位未知的disjoint信源,结合单矢量传感器方位估计技术实现了对阵元位置误差的有效估计。仿真结果表明,随着disjoint信源信噪比的增大和快拍数的增加,声矢量阵阵型校正算法的性能明显提高。