采用矢量水听器线列阵的二维波达估计

提出了采用矢量水听器线列阵的二维波达估计方法。采用非等距稀疏直线阵,阵元之间的间距任意,不受半波长的限制.每个阵元（矢量水听器）由两至三个空间共点且轴向垂直的振速水听器和一个声压水听器构成。阵列流形可以被划分为几个子阵阵列流形,子阵之间的旋转因子与目标信号的方向余弦有关,而与阵元的间距无关。基于ESPRIT的思想,采用并行TLS矩阵束方法实现对目标信号的方向余弦的估计和自动配对,从而实现二维波达估计。计算机仿真实验结果证明了该方法的有效性。     

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。     

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。     

基于最小二乘估计的声矢量阵稳健波束形成

针对存在导向矢量失配和快拍数不足时,声矢量阵标准Capon波束形成器性能急剧下降的问题,提出了一种基于最小二乘估计的声矢量阵稳健波束形成算法。鉴于声矢量阵声压通道和振速通道的导向矢量误差来源不同,分别为声矢量阵声压通道和振速通道设计了广义旁瓣对消器;利用最差性能最优化的思想,将声矢量阵标准Capon波束形成器转化为稳健最小二乘估计问题;利用二阶锥规划求解。仿真分析表明,该算法在抗导向矢量失配、快拍数不足、阵元姿态误差方面均有良好的性能。     

二维矢量水听器及其在Argo浮标平台上的应用技术

传统同振式矢量水听器在水下缓动声纳平台应用时,自身姿态变化难以准确测量,导致目标测向精度低,为此开展了二维复合同振式矢量水听器研究。分析二维矢量水听器姿态实时测量与校正原理,选取微机电系统姿态传感器作为姿态感知器件,设计具备姿态测量功能的二维复合同振式矢量水听器,并实现其在Argo浮标平台的集成应用。海上试验结果表明：同振式矢量水听器可在10~3000Hz范围内采集声场信息,矢量通道具有余弦指向性,在1 kHz频点处灵敏度为-179.5 dB （0 dB参考值为1 V/μPa),声压通道灵敏度级为-191.5 dB±0.5 dB(0 dB参数值为1 V/μPa), 具备姿态测量功能;同振式矢量水听器应用于浮标平台进行海洋环境噪声与水中目标同步监测技术可行,为其在水下缓动声纳平台工程化应用奠定了基础。     

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。     

基于双平行互质阵列的二维非网格DOA估计

近年来,基于稀疏表示的DOA估计方法已经被广泛提出,这些方法都需预设离散的网格点,而实际信号来波方向在空间域内具有随机性,任何来波方向都是等概率出现,很有可能信号的来波方向不在网格上,因而会存在网格误差,使DOA估计结果产生较大偏差。为提高DOA估计精度,本文提出了非网格的DOA估计模型。同时,为提高测向自由度,本文应用由两个均匀线阵组成的互质阵列,并且将两个均匀线阵平行放置在同一平面。通过将两均匀线阵的互协方差矩阵向量化成互协方差矢量,可得到一维虚拟扩展的接收数据矢量,并且在稀疏表示框架下应用相应的稀疏恢复算法恢复出跟DOA参数相关的向量,从该向量中得到唯一的并且自动配对的二维DOA估计参数。仿真实验结果验证了本文算法较传统算法具有更好的DOA估计性能。     

基于互协方差的L型嵌套阵列二维波达方向估计

为了解决L型均匀阵列波达方向（DOA）估计分辨率较低、估计信源数受限于阵元数、估计精度易受信噪比影响等问题,提出一种基于互协方差的L型嵌套阵列二维DOA估计算法。利用不同子阵间互协方差矩阵产生较长无冗余阵元的虚拟阵列,消除噪声干扰;利用虚拟阵列及其共轭矩阵构建等效协方差矩阵,实现虚拟阵列信号的解相干;采用旋转不变子空间技术对等效协方差矩阵进行处理,得到目标的角度信息;基于虚拟阵列等效信源的唯一性进行空间信源的角度匹配。对所提算法的DOA估计有效性进行仿真验证,结果表明,在阵元数相同情况下,该算法与L型均匀阵列相比在低信噪比环境下拥有更高的估计精度,能够辨识更多的空间信源。     

基于准二维天线阵列的二维波达方向估计方法

设计了一种准二维天线阵列。这种阵列可划分为２个平移子阵，利用这两个子阵的信息，构成混合波达方向矩阵。通过对混合波达方向矩阵进行特征分解，实现二维波达方向估计。这种方法不仅具备波达方向矩阵法的所有优点，同时解决了β角兼并信号的分辨问题，阵列的孔径损失较小。     

基于多级维纳滤波器的声矢量阵空间谱估计算法

针对传统的声矢量阵高分辨空间谱估计(来波方向估计)算法运算量大、不易于工程实现的问题,提出一种基于多级维纳滤波器(MSWF)的声矢量阵快速来波方向估计算法,即V-MSWF算法,选取声矢量阵参考阵元声压通道的输出作为期望信号,通过MSWF的递推运算得到信号子空间。通过计算机仿真及消声水池实验对V-MSWF算法的性能进行了验证。结果表明,V-MSWF算法无需计算阵列协方差矩阵及特征值分解运算,在高信噪比条件下,具有良好的来波方向估计性能。     

同振式矢量水听器耐压球壳优化设计

针对深水矢量水听器的结构耐压问题,推导外压球壳最大应力公式,分析同振式球形矢量水听器的材料和尺寸对其声学性能和耐压性能的影响。基于此,给出一种最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法。从典型深海工程材料中优选7075T6铝合金材料,设计、制作一型设计耐压深度3 000 m的同振式球形矢量水听器。对该水听器耐压结构进行了有限元仿真,并对其灵敏度、指向性和耐压能力进行了测试。结果表明：该矢量水听器具有良好的余弦指向性,500 Hz处灵敏度为-188 dB, 能够耐受37.5 MPa外压;最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法及工程样机设计方案是合理和可行的。     

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。     

单矢量水听器时空变换技术研究

提出了一种基于单矢量水听器的信号处理新技术。方法通过对单矢量水听器各通道时域采样数据进行分解,将单矢量水听器等效虚拟为具有空间孔径的半波均匀直线阵。与单矢量水听器相比,虚拟后的阵列具有更窄的空域指向性波束。利用虚拟阵列的快拍数据可完成对空间目标方位估计,且可对宽带和窄带信号在频率或时域进行处理。新方法无需进行阵列流型的校正,因而具有更强的鲁棒性。理论分析和计算机仿真表明,在各向同性噪声场中,对于窄带或宽带目标,新方法具有比单矢量水听器MUSIC算法更好的方位估计性能。湖上试验验证了算法的有效性。     

利用声探测器网络进行目标定位的研究

采用探测器网络的方法对声目标进行定位。子阵采用四元十字阵的形式对平面声源的方向角（DOA）进行估计，并且对比了传统波束形成、Capon、Music三种方法。对于由三个子阵组成的大三角阵，利用子阵对方向角估计的结果，通过几何计算的形式得出平面目标的精确位置。     

水中动态爆点纯方位定位有效测量距离分析

为解决传统水中动态爆点双曲线定位技术的成本大、测点精度低等问题,提出了利用纯方位测量技术实现水下动态爆点的实时定位方法;介绍了基于矢量水听器技术的纯方位定位原理,根据矢量水听器的特点分析了接收信号信噪比与传播距离的关系和爆炸声在不同传播距离上的声传播损失、接收点的信号声压级,对有效测量距离进行了估算。     

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。     

基于遗传算法的稀疏子阵布阵优化软件

为降低相控阵雷达天线的系统复杂性及硬件成本,采用稀疏阵列和子阵技术对天线阵面进行稀疏优化布 阵。对稀疏子阵的布局优化进行分析,基于遗传算法研究优化后的稀疏子阵布局;对稀疏子阵波束形成算法进行设 计,通过采用二级加权法,先对子阵内部阵元采用固定加权法获取阵元级权矢量,再对子阵级数据采用自适应波束 形成算法求取子阵级最佳权矢量,从而实现稀疏子阵的波束形成;设计子阵优化布局与波束形成应用软件。结果表 明：该软件具有良好的人机交互界面,可对天线稀疏优化设计起到较好的辅助和验证作用,有效提高天线阵列优化 设计自动化程度。