盲源分离与波束形成融合抑制方向性强干扰研究

针对强干扰严重影响线列阵声纳弱目标检测的问题,融合盲源分离（Blind source separation,BSS）与波束形成提出了一种抑制方向性强干扰的方法.首先在干扰方位形成波束得到干扰信号估计,然后对阵列接收信号的每个子带采用盲源分离方法得到分离信号和解混矩阵估计,并通过对分离信号和干扰信号进行子带谱相关抑制干扰,再将抑制干扰后的分离信号重构回阵元域信号,最后采用波束形成方法完成目标方位估计.利用模拟器数据和海试数据对方法进行了验证,结果表明,该方法能有效地抑制方向性强干扰,明显提高了弱目标信号的空间谱能量,增强了声纳检测弱目标的能力.     

小孔径圆环阵凹槽超增益波束形成技术研究

在水下目标声纳检测问题的研究中,为了抑制水下噪声信号,提出了小孔径圆环阵凹槽超增益波束形成方法.上述方法针对均匀圆环阵,在保证基阵输出增益最大的前提下,采用凹槽波束优化方法,设计具有抑制特定方向波束响应输出的波束,以抑制该方向强的强干扰对目标方位估计的影响.仿真结果表明,改进方法能有效抑制期望信号方向以外的干扰对目标方位估计的影响;干扰信号越强,波束图输出谱凹槽越深;在小孔径圆环阵的基础上能实现对水下目标低频辐射噪声信号有效检测和方位估计.     

一种新的矢量传感器线列阵波束形成算法

为了提高基于矢量线列阵的目标方位估计能力,将基于时域解析信号实现最小方差无畸变响应（ MVDR）的方法——TAMVDR算法引入到了矢量线列阵信号处理中,提出了实现矢量线列阵波束形成的VTAMVDR算法。理论分析了矢量线列阵VTAMVDR算法的原理,该算法通过Hilbert变换对时域宽带信号引入复权向量,不需要进行子带分割,且不需要对数据进行分块处理,获得稳定优化权向量估计所需要的数据长度远小于频域MVDR方法,数据长度合适时,单次快拍即可实现波束形成,大大降低了运算量。仿真和海上试验数据分析结果表明：VTMVDR算法相比于频域MVDR算法具有较好的性能,具有更高的分辨率和更窄的波束角,有更好的探测性能。     

声矢量阵方位估计算法及其改进

关于水下声纳系统优化问题,由于声纳在水下经多路径传播和海水噪声,影响水听器定位效果。针对最小方差无失真响应(MVDR)算法的方位估计精度低和不能分辨相干声源的缺点,为提高DOA估计效率,提出了一种基于四元数模型的MVDR算法。将单个二维矢量水听器的输出表示为四元数,建立了四元数域MVDR算法的方位估计公式,并根据多重信号分类法的思想对四元数域MVDR算法进行了改进。四元数域MVDR算法和改进算法减少了的内存需求和计算复杂度。仿真结果表明,提高了方位估计精度和对相干声源的分辨能力,并证明了算法的有效性,对水下声纳方位估计具有一定的工程应用价值。     

长线阵声纳左右舷分辨仿真研究

长线阵声纳是拖曳线列阵声纳的一种重要形式,左右舷模糊问题是其主要缺点之一。针对长线阵声纳满足近场条件的特点,当长线阵声纳呈直线状态时,根据时域波束形成原理建立以目标方位和距离为自变量的目标函数。根据频谱分析后所得的目标频率,对方位和距离两个参量进行二维搜索,得到目标函数灰度图。当长线阵声纳所在拖体转向机动时,利用长线阵声纳首尾两航向传感器的数据对长线阵声纳的阵形进行预报,在此基础上改写目标函数,再次通过二维搜索得到目标函数灰度图,根据阵形弯曲前后目标函数灰度图的变化,可辨别出目标方位和虚源方位,从而得到一种新的左右舷分辨方法。仿真结果表明目标函数灰度图变化直观明了,所提方法可有效解决长线阵声纳左右舷分辨问题。     

水面舰艇编队拖曳声纳舰阵位配置及行动方法

研究水面舰艇编队优化问题,由于潜艇对水面舰艇编队构成严重威胁,为有效保护舰艇安全,选择声纳舰的位置十分重要.拖曳声纳舰作为水面舰艇编队主要对潜警戒信号,对阵位配置及行动方法对编队的反潜效能影响巨大.针对水面舰艇编队航渡中近程拖曳声纳舰的阵位配置问题,提出了一种方法.通过对舰艇编队反潜警戒区的划分,总结了拖曳声纳舰阵位配置原则,建立了关于拖曳声纳舰阵位的模型,仿真计算了各种参数对拖曳声纳舰阵位的影响,并提出了拖曳声纳舰“蛙跳”行动的方法,并进行仿真.结果表明,方法有效,为指挥员编队决策提供了参考依据.     

基于近场聚焦波束形成方法的声场定位研究

海洋环境中的声场定位,是水声学研究领域中的一个经典问题,尤其是用于海区警戒来监听敌方潜艇的近场定位问题.以往的近场定位研究,通常使用线列阵模型,利用常规聚焦波束形成方法进行定位处理,不仅出现了“左右舷模糊”问题,而且对信号定位不甚理想.为此提出基于半圆阵的四阶累积量MUSIC近场聚焦波束形成算法.通过仿真比较了多种聚焦波束形成在近场线列阵和圆阵条件下的定位性能,结果表明,半圆阵成功地解决了直线阵列出现的“左右舷模糊”问题,基于四阶累积量的MUSIC近场聚焦波束形成可以达到更为平滑的背景以及较小的旁瓣级,定位性能明显优于基于MVDR算法的聚焦波束形成高分辨率被动定位方法.     

基于时空联合估计噪声子空间的MUSIC波束形成方法

针对在宽带短脉冲情况下频域MUSIC波束形成过程中噪声子空间估计不稳定的问题,提出了一种基于时空联合估计噪声子空间的MUSIC波束形成方法。该方法首先对线列阵接收数据构造时域复解析数据;然后根据增广数据构造方法和空间滑动的方法,在时域数据长度更短的情况下,稳定实现噪声子空间估计;最后根据估计出的噪声子空间含有的正交特性,通过单位矩阵与噪声特征向量相乘来得到相应波束。数值仿真和实测数据处理结果表明,相比频域MUSIC波束形成方法,该方法减少了稳定获取噪声子空间所需的快拍数,具有较好的稳定性和检测性能,提高了MUSIC波束形成在实际应用中的鲁棒性。     

面向水声对抗的宽带被动声纳信号仿真平台

水声对抗仿真系统中的声纳仿真台必须具备信号级仿真的能力,才能显示水声对抗的实际效果,针对平台声纳的水声对抗问题研究.为增加真实感和识别有效目标,设计并实现了一个宽带被动声纳信号仿真平台,通过信号产生、常规波束形成、波束功率积分和方位历程显示四个模块解决水声对抗的信号级仿真问题.信号产生模块根据水声对抗器材、水中目标的辐射噪声特征生成声源信号,并通过时延的信号合成,产生被动声纳各路水听器的接收信号;常规波束形成、波束功率积分和方位历程显示模块实现宽带被动声纳的信号处理及输出显示.仿真结果表明,平台实现了水声对抗的信号级仿真,能够支持水声对抗对宽带被动声纳干扰效果的研究,并具有良好的灵活性.     

近场条件下拖线阵目标定位与左右舷分辨

拖线列阵声纳大多采用单根线列阵作为基阵测定目标方位,其不能获得目标距离信息,并存在左右舷分辨问题.针对近场声波的特点,根据时域波束形成原理建立以目标方位和距离为自变量的目标函数,当拖线阵阵形发生畸变时,通过二维搜索后目标函数最大值所对应的自变量值确定目标方位和距离,实现目标定位.此外,通过畸变后目标函数灰度图的变化,辨...     

协方差矩阵加权波束形成及应用

在逆波束形成方法的基础上提出一种改进的协方差矩阵加权波束形成方法，它根据阵元的分布情况对阵元接收信号的协方差矩阵进行直接加权，使得环境噪声相关比较强的协方差元素得到抑制，环境噪声相关性比较弱的部分被加强，降低噪声增益，从而达到提高阵增益的目的。文中给出了两种协方差加权方法。并且计算了在各向均匀噪声环境下的阵增益。从阵增益和误差稳定性两个方面与CBF和MVDR方法进行了对比，验证了该方法的正确性。     

舰机协同下多基地声纳阵应召搜潜效能研究

针对传统单基地声纳搜潜难以满足反潜作战要求的问题,提出了一种拖曳声纳与反潜直升机布放浮标阵联合起来形成多基地声纳搜潜的方法。结合舰机实际运动特点,建立舰艇运动模型与直升机布放圆形、方形、三角形被动浮标阵模型。采用Monte Carlo方法,对搜潜概率进行仿真,比较多基地与非多基地声纳的搜潜概率,并分析不同的初始条件对搜潜概率的影响。仿真结果表明,多基地声纳搜潜概率高于非多基地声纳,圆形多基地阵搜潜效能相对最佳,三种阵型的搜潜概率随着初始距离、初始位置分布、航速均值的增大而减小,并能针对不同搜潜要求与实际作战条件选择合适的布放半径和被动浮标布放个数。提出的方法适用于一定距离范围内的应召搜潜,对反潜作战具有一定的军事意义。     

Real-valued MVDR beamforming using spherical arrays with frequency invariant characteristic

Complex-valued minimum variance distortionless response (MVDR) beamforming for wideband signals has very high computational amount. In this paper, we design a novel real-valued MVDR beamformer for spherical arrays. The dependence of the array steering matrix on source signal directions and frequencies is decoupled using spherical harmonic decomposition. Then a compensation network is designed to solve the frequency dependence of the array response and to get a new array response only determined by the spherical harmonics of the source directions. All frequency bins of wideband signals can be used together instead of being processed independently. By exploiting the property of the conjugate spherical harmonics, a unitary transform can be found to acquire a real-valued frequency invariant steering matrix (FISM). Based on the FISM, real-valued MVDR (RV-MVDR) is developed to obtain good performance with low computational amount. Simulation results demonstrate the performance of our proposed method for beamforming and direction-of-arrival (DOA) estimation by comparing with the complex-valued and real-weighted MVDR methods.     

拖曳线列阵声呐数据录取系统的设计与实现

为了满足拖曳线列阵声呐系统数据传输实时性高、数据量大的要求, 设计了一种基于PCI总线的数据录取系统。硬件方面, 系统采用PCI9054高效率DMA传输技术与外扩大容量FIFO相结合的方案, 实现了高速、连续的声呐数据传输; 软件方面, 系统结合基于双层乒乓结构的内存映射文件和多线程技术实现了数据的实时存储、处理及显示。模拟及现场实验结果表明, 该录取系统能稳定、可靠地实现声呐数据的实时存储、波形回显等功能, 能满足大规模声呐系统数据录取的要求。     

GPS欺骗式干扰环境下MVDR算法的性能分析

经典MVDR算法在GPS压制式干扰环境下的表现出色,为分析MVDR算法在欺骗式干扰环境下的性能,根据该环境下信号、干扰的功率都淹没于噪声功率之下的特点,推导出阵列天线采用MVDR算法后的方向图增益和输出信干噪比的近似表达式。通过仿真实验,分析验证了MVDR算法在欺骗式干扰环境下失去了抑制干扰能力的原因,并讨论了影响阵列输出信干噪比变化的因素及其随各因素变化的规律。     

一种精确控制旁瓣的自适应波束形成算法

提出了一种精确控制旁瓣和抑制干扰的自适应波束形成算法。它是通常的最小方差无畸变（MVDR）波束形成算法的改进形式，使阵列输出信号功率最小的同时，保持目标信号方向的无失真响应，并且严格保证旁瓣低于某一给定值，抑制干扰。在仿真过程中，充分应用了二阶锥规划（second—order cone programming）算法，并与MVDR波束形成算法进行比较，验证了方法的正确性，同时研究了该算法的稳健性。     

Adaptive sonar beamformer based on inverse QR decomposition and recursive least squares filter for underwater target detection

To enhance underwater target detection performance, a standard hexagonal array (HA) (plane array) is designed for active sonar implementation in shallow water environments. For the hexagonal receiving array, the numerically robust inverse QR (Q, orthogonal matrix; R, upper triangular matrix) decomposition and recursive least-squares (RLS) are used to derive the minimum variance distortionless response (MVDR) beamformer (BF) under a hexagonal fast Fourier transform (HFFT) framework. The HFFT inverse QR (IQR)-RLS algorithm offers computational saving and can be mapped onto coordinate rotation digital computer processor-based systolic arrays, which makes it suitable for array real-time application. An analysis of the numerical robustness and computational complexity of the adaptive beamforming is presented. Using the proposed scheme to build HA adaptive BF reduces the computational burden and offers a better convergence rate than conventional BF. The experimental data analysis demonstrates the effectiveness of the algorithm against reverberation interference, and its improvement of target localization accuracy in a reverberation-limited area during the underwater target detection process.     

自适应噪声抵消技术的应用研究与仿真

从噪声中分离有用信号是信号处理领域一个非常重要的课题.传统的滤波方法对于淹没于强干扰噪声背景下的有用信号提取已经不适用,而自适应滤波技术以其原理清楚,可实现性强而具有很强的应用价值.随着自适应技术的发展,自适应本舰噪声抵消技术已成为舰载声纳的信号处理技术中重要的研究课题之一.通过对自适应噪声抵消器原理的研究,结合舰载声纳信噪模型分析,重点研究利用自适应噪声抵消技术从舰载声呐在本舰强噪声干扰背景下提取有用信号的技术,并运用MATLAB进行了仿真试验.仿真结果表明自适应噪声抵消技术可以有效抵消本舰发出的强噪声,从而抑制本舰噪声对舰载声呐的干扰.     

半球面共形阵列波束综合技术研究

针对天线的抗干扰提高信噪比问题,球面阵列天线的增益在不同方向灵活可变的优点,但球面阵列天线是非线性的,没有解析解,传统的线性波束综合方法很难解决球面阵列天线复杂多约束的增益问题。为解决上述问题,使用了零陷技术。现有的方法着重干扰方向已知情况下的零陷形成技术,而对干扰方向未知多变的情况研究很少,采用改进的遗传算法用于复杂的宽角零陷形成,可以解决干扰方向未知情况下的零陷形成难题。