（水声工程专业论文）小尺度基阵空气声被动定向.pdf

abs t r a c t t h i s t h e s i s m a d e a r e s e a r c h o f t h e o ry a n d t e c h n o l o g y o f s o u r c e s o r i e n t a t i o n w h ic h w e r e t r a c k e d b y s m a l l a c o u s t i c a r r a y s . r a d a r s y s t e ms a r e l i m i t e d i n d e t e c t i o n a n d o r i e n t a t i o n o f l o w fl 外 n g t a r g e t s i n t h e a i r , s o t e c h n o l o g y r e s e a r c h o f a c o u s t i c a r r a y o r i e n t a t i o n o f t h e s o u r c e s w i l l p l a y m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t r o l e s i n t h e w a r fi e l d i n t h e f u t u r e . h o w t o o b t a i n i n f o r m a t i o n a b o u t s o u r c e s p o s i t i o n a n d d i s t i n g u i s h t h e m a c c u r a t e l y a r e t h e m a i n c o n t e n t s i n t h i s t h e s i s a r e s e a r c h o f t h e o ry a n d t e c h n o l o g y o f s o u r c e s d e t e c t i o n a n d o ri e n t a t i o n i s m a d e i n t h i s t h e s i s . i n t h e r e s e a r c h , s o u r c e s a r e t r a c k e d b y s m a l l a c o u s t i c a r r a y s . t h e o r y a b o u t o r i e n t a t i o n o f a c o u s t i c s i g n a l s w i t h s m a l l a r r a y s i s s t u d i e d a n d m o d e l e d i n g e o m e t r y a n d m a t h e m a t i c s . f u rt h e r m o r e , h o w t o d i s t in g u i s h s o u n d w a v e s a r r iv e d i n d i f f e r e n t d i r e c t i o n s i s a n o t h e r i m p o r t a n t p r o b l e m . p r o p a g a t i o n r u l e s o f n e a r g r o u n d s o u r c e s a r e a n a l y z e d c a r e f u l l y , c o n s i s t o f s e v e r a l in fl u e n t f a c t o r s : p r o p a g a t i o n a tt e n u a t i o n , r e fl e c t i o n o n t h e g r o u n d , t e m p e r a t u r e g r a d s a n d a t m o s p h e r e o v e r f a l l , e t c . b a s e d o n p r o p a g a t i o n r u l e s o f p l a n e w a v e s , g e o m e t r y m o d e l w a s s e t u p . t h e n w e c a n e d u c e m a t h e m a t i c e x p r e s s i o n a s t h e t h e o ry b a s e s a p p l i e d i n l a t e r s i m u l a t i o n e x p e ri m e n t s . e s t i m a t i o n o f d o a o f a s i n g l e s i g n a l i s s t u d i e d t h o r o u g h l y . b e c a u s e t h e p r i n c i p l e b a s e d o n t i m e - d e l a y b e t w e e n t w o e l e m e n t s t r a v e l e d in t h e i r o w n d i r e c t i o n i s a d o p t e d . f o r t h e t w o e l e m e n t s , o n e i s t h e p r e f e r e n c e e l e m e n t a n d th e o t h e r i s t h e e l e m e n t w e c o n s i d e r e d . p r e c i s i o n o f d o a e s t i m a t e d i n t h i s w a y s h a s g r e a t r e l e v a n c e t o t i m e - d e l a y e s t i m a t i o n . t w o m e t h o d s w h ic h a r e a p p l i e d in e s t i m a t i o n o f t i m e - d e l a y b e t w e e n e l e m e n t s a r e i n t r o d u c e d a n d a n a l y z e d b y s i m u l a t i o n e x p e ri m e n t s . t h e m e t h o d s in c l u d e g e n e r a l i z e d c o r r e l a t io n m e t h o d a n d l ms a d a p t i v e m e t h o d . i n a d a p t i v e m e t h o d , r e c u r s i v e p r o c e s s i s r e q u ir e d , s o i t s r e a l - t i m e c a p a b i l i t y i s b a d l y a n d h a r d w a r e r e q u i r e m e n t s a r e h i g h . r e a l - t i m e c a p a b i l it y i s n e c e s s a r y a n d g e n e r a l iz e d c o r r e l a t i o n m e t h o d i s e m p h a s i z e d a n d u s e d m a i n l y . i n t h e p r o c e s s o f d o a e s t i m a t i o n , p r o p e r d i s p o s a l b e f o r e a n d b e h i n d e x p e ri m e n t s s h o u l d b e c o n s i d e r e d i f t h e r e s u lt s a r e n o t v e ry g o o d . a t l a s t , e r r o r s p r o d u c e d b y t i m e - d e l a y e s t i m a t i o n a n d e l e m e n t s p o s i t i o n a r e a n a l y z e d e s t i m a t i o n o f m u lt ip l e s i g n a l s d o a s a n d d i v i s i o n o f t h e m a r r i v e d i n d iff e r e n t d i r e c t i o n s a r e s t u d i e d . t h r e e a l g o r i t h m s b e l o n g t o b e a m - s p a c e a n d e l e m e n t - s p a c e a r e e m p l o y e d i n s i m u l a t i o n e x p e ri m e n t s r e s p e c t i v e l y . a t f i r s t , f u n d a m e n t a l t h e o ry o n o n e o f e l e m e n t - s p a c e a l g o r i t h m s -i c s m w a s p r e s e n t e d a n d t h e r e s u lt s p r o d u c e d b y i c s m a r e b e tt e r t h a n t h a t o f s i n g l e f r e q u e n c y m e t h o d v i a s i m u l a t i o n e x p e ri m e n t s a n d f a c t o r s w h ic h a ff e c t o ri e n t a t i o n a c c u r a c y a n d r e s o l v i n g p o w e r . t h e n , f o r a n o t h e r e le m e n t - s p a c e a l g o ri t h m -c s m, h o w t o c o n s t r u c t a n d c o m p u t e f o c u s i n g m a t r i c e s i s e m p h a s i z e d . wh e t h e r f o c u s i n g m a t ri x i s g o o d o r n o t h a s g r e a t e f f e c t o n t h e e s t i m a t e d r e s u lt s . a t l a s t , b e a m - s p a c e a l g o r i t h m -b s c s m i s s t r e s s e d a n d s t u d i e d t h o r o u g h l y . t h e r e s u l t s w h i c h w e r e p ro d u c e d b y a r r a y s t h a t c o n s i s t o f d i f f e r e n t e le m e n t s a n d d i ff e r e n t s i z e a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d . f o r d i f f e r e n t p r a c t i c a l s i g n a l s , h o w t o c h o o s e f r e q u e n c i e s a n d b a n d - w i d t h a n d h o w d i ff e r e n t s i z e a r r a y a f f e c t e s t i m a t e d r e s u l t s a r e a n a l y z e d c a r e f u l l y . i n o r d e r t o o b t a i n g o o d r e s u lt s , w e c h o o s e p r o p e r fr e q u e n c y r a n g e i n te r m s o f p r a c t i c a l s i g n a l s fr e q u e n c y s p e c t r u m . c o m p a r i n g t h r e e m e t h o d s p e r f o r m a n c e , s i m u l a t i o n e x p e r im e n t s i n w h i c h t h r e e m e t h o d s m e n t i o n e d a b o v e a r e e m p l o y e d r e s p e c t iv e l y a r e m a d e i n s a m e c o n d i t i o n . f r o m t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s w e c a n s e e c l e a r l y t h a t p e r f o rma n c e o f b e a m - s p a c e m e t h o d i s b e tt e r t h a n t h o s e o f e l e m e n t - s p a c e k e y w o r d s : a c o u s t i c - p a s s iv e d i re c t i o n e s t i m a t e , t i m e - d e l a y e s t i m a t e , s m a l l s i z e a r r a y , t a r g e t s d i v i s i o n , c o n s t a n t b e a m - w i d t h b e a m s 第一意绪论 第一章 绪论 声测被动定向的基本原理是通过空间布设的传感器阵元，接收目标声场信 息，再根据一定算法，估计出目标的方位。这是因为声波到达不同传感器阵元 时经过的路径不同，阵元接收的信号之间存在着时间差，即时延，时延和波达 角 度是有一定关系的， 被动定 位正 是利用这 些信息 进行声学定 位的 t o 1 . 1 研究背景及意义 随着现代高科技的进一步发展，阵列信号处理的许多应用领域如雷达，声 纳等， 越来越需要更准确地估计空间宽带信号源的波达方向 ( d i re c t i o n o f a r r iv a l- d o a i 。 大 气声 探测 技 术主 要是 指 采用 被 动探 测的 方式， 用声 传 感 器检测目 标发出的声音信号，通过分析目 标的声学特性，进而对目 标的位置特 征和运动状态进行判定的技术。随着数字信号处理技术的发展和现代战争发展 的需要，大气声定位技术作为近几年发展起来新的探测手段，正在不断地取得 新的进展。利用小基阵对单源目 标估计的技术已 经相当成熟，现在已 经有单兵 头盔式声测定位系统和车载声测小基阵系统等。 然而对于多源目 标的估计仍旧 需要进一步的讨论和研究。这主要是由于小基阵的多源估计需要应用高分辨技 术，而高分辨算法的运算量很大， 无法满足实时处理的要求;同时高分辨技术 要求较高的信噪比，在很多的应用场合无法得到满足。因此，在声探中应用小 基阵的高分辨算法尚没有受到足够的重视。 声测技术具有通视条件好、 隐蔽性能好、 全天候、 低功耗、 不受烟雾阻挡、 不易被电磁波干扰等突出优点。超低空飞行的武装直升机位于雷达的盲区，利 用直升机飞行时发出的噪声，对直升机以及其它低空和地面的武器进行被动定 位、 跟 踪， 是 一 种有效 手 段 f3 1 。 在战 场 环 境中， 声 探 测的 距离 范围 可 达 到1 5 k m 以上， 特别是对于超近距离的雷达盲区，声探测能力强，可以弥补雷达探测的 不足。 各种军事目 标，不仅具有很强的声信号强度，而且其声特性的差异较大， 这不仅给声探测提供了 可能，而且可以利用声探测区别目 标种类。一方面各种 车辆和飞机声音的波形和频谱特性差别较大，可以采用多种先进算法提取目 标 特征，以识别目 标，另一方面，不同目 标的声音能量的差别也较大，从声压大 小也能对目 标进行区分，在后面的章节的仿真实验中可以看到。所以，声探测 是战场侦测武器的有效手段。 第一意绪论 第一章 绪论 声测被动定向的基本原理是通过空间布设的传感器阵元，接收目标声场信 息，再根据一定算法，估计出目标的方位。这是因为声波到达不同传感器阵元 时经过的路径不同，阵元接收的信号之间存在着时间差，即时延，时延和波达 角 度是有一定关系的， 被动定 位正 是利用这 些信息 进行声学定 位的 t o 1 . 1 研究背景及意义 随着现代高科技的进一步发展，阵列信号处理的许多应用领域如雷达，声 纳等， 越来越需要更准确地估计空间宽带信号源的波达方向 ( d i re c t i o n o f a r r iv a l- d o a i 。 大 气声 探测 技 术主 要是 指 采用 被 动探 测的 方式， 用声 传 感 器检测目 标发出的声音信号，通过分析目 标的声学特性，进而对目 标的位置特 征和运动状态进行判定的技术。随着数字信号处理技术的发展和现代战争发展 的需要，大气声定位技术作为近几年发展起来新的探测手段，正在不断地取得 新的进展。利用小基阵对单源目 标估计的技术已 经相当成熟，现在已 经有单兵 头盔式声测定位系统和车载声测小基阵系统等。 然而对于多源目 标的估计仍旧 需要进一步的讨论和研究。这主要是由于小基阵的多源估计需要应用高分辨技 术，而高分辨算法的运算量很大， 无法满足实时处理的要求;同时高分辨技术 要求较高的信噪比，在很多的应用场合无法得到满足。因此，在声探中应用小 基阵的高分辨算法尚没有受到足够的重视。 声测技术具有通视条件好、 隐蔽性能好、 全天候、 低功耗、 不受烟雾阻挡、 不易被电磁波干扰等突出优点。超低空飞行的武装直升机位于雷达的盲区，利 用直升机飞行时发出的噪声，对直升机以及其它低空和地面的武器进行被动定 位、 跟 踪， 是 一 种有效 手 段 f3 1 。 在战 场 环 境中， 声 探 测的 距离 范围 可 达 到1 5 k m 以上， 特别是对于超近距离的雷达盲区，声探测能力强，可以弥补雷达探测的 不足。 各种军事目 标，不仅具有很强的声信号强度，而且其声特性的差异较大， 这不仅给声探测提供了 可能，而且可以利用声探测区别目 标种类。一方面各种 车辆和飞机声音的波形和频谱特性差别较大，可以采用多种先进算法提取目 标 特征，以识别目 标，另一方面，不同目 标的声音能量的差别也较大，从声压大 小也能对目 标进行区分，在后面的章节的仿真实验中可以看到。所以，声探测 是战场侦测武器的有效手段。 第一章绪论 阵列声探测技术，在民 用和军事应用中都得到了 广泛应用和发展。被动声 探测系统由于具有较高的隐蔽性， 在军事上受到了极大的重视。智能雷弹系统 对目 标的定 位与 跟踪就是由 被动声 探测系 统完成的 川 。 早在第一次 世界 大战， 当时人们根据火炮发出的声音测定火炮位置，声测系统一般由声测哨和声测中 心组成，多个声测哨组成一条声测基线。在第二次世界大战很多任务都是依靠 声测手段完成的， 后来由于雷达技术的兴起致使声测技术的发展一度受到冷落， 但近年来， 现代科技使雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、隐身技术和低空突 防四大威胁，致使声测这一被动式传感侦察手段重新受到重视。尤其是在 s o 年代末和9 0 年代一直到现在， 各军事强国在开发各种侦察手段的同时， 重新把 声 测 技术 作为 重点 发 展的 传 感 器 技 术之 一 15 1 。 同 时， 现代 武装 直升 机的 超 低空 飞行，使得雷达系统的局限性明显地表现了出来，研究对抗武装直升机的有效 手段是未来地空一体化作战的迫切要求，因 此利用直升机的飞行噪声对其进行 识 别 和定 位具有重要意 义6 l 。 声 测定 位除了 广泛应用到军 事打击方面以 外， 民 用方面也有很重要的用途。比如，采用大型声探测阵的机场声测系统，作为机 场监测系统的一部分， 可以 准确地检测飞机的飞 行轨迹1 7 1 1 .2 研究历史及现状 国外在军事应用中，有单兵头盔式声测定位系统和车载声测小基阵以 及其 它各形基阵。采用微小基阵传声器阵列可以被动地检测飞机声音、坦克声音、 车辆声音、火炮发射声音、说话声音的方位。 小基阵探测的精度很大程度上受基阵孔径的限制，利用小基阵组合的合成 孔径远距离的声预警系统，可使合成的有效孔径增大。采用小型基阵组合可实 现对声源距离的检测精度达 l m级，也使得对声源的探测距离延长。 广泛采用 的基本的阵形有平面阵和空间阵， 如三元平面阵、 四元平面阵、 四元四面体阵。 利用相关检测手段，通过计算各传声器间的时延值定位声源坐标。如澳大利亚 的h h l k i r反直升机雷弹、 瑞典的p i l a r - i i i . p i l a r - v型探测器。 美国的 f y -9 7 至反坦克智能雷系列产品。 国际上阵列声探测技术的一个应用形式是多阵联合定位， 用数据融合的方 法提高 对声源的综合定位精度。 此时要求单个基阵具有无线电 通信能力。 采用 多阵联合，可以对某一片战场区域进行封锁。可以对一定空间区域的车辆、坦 克、直升机、飞机、巡航导弹、炮位、人员进行声跟踪。 国际声探测技术的应用还表现在远距离目 标探测上。目 前， 美国、 以色列、 英国 等研究了可以探测 i o k m - 2 0 k m范围内的直升机目 标的声测阵系统。 远距 第一章绪论 阵列声探测技术，在民 用和军事应用中都得到了 广泛应用和发展。被动声 探测系统由于具有较高的隐蔽性， 在军事上受到了极大的重视。智能雷弹系统 对目 标的定 位与 跟踪就是由 被动声 探测系 统完成的 川 。 早在第一次 世界 大战， 当时人们根据火炮发出的声音测定火炮位置，声测系统一般由声测哨和声测中 心组成，多个声测哨组成一条声测基线。在第二次世界大战很多任务都是依靠 声测手段完成的， 后来由于雷达技术的兴起致使声测技术的发展一度受到冷落， 但近年来， 现代科技使雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、隐身技术和低空突 防四大威胁，致使声测这一被动式传感侦察手段重新受到重视。尤其是在 s o 年代末和9 0 年代一直到现在， 各军事强国在开发各种侦察手段的同时， 重新把 声 测 技术 作为 重点 发 展的 传 感 器 技 术之 一 15 1 。 同 时， 现代 武装 直升 机的 超 低空 飞行，使得雷达系统的局限性明显地表现了出来，研究对抗武装直升机的有效 手段是未来地空一体化作战的迫切要求，因 此利用直升机的飞行噪声对其进行 识 别 和定 位具有重要意 义6 l 。 声 测定 位除了 广泛应用到军 事打击方面以 外， 民 用方面也有很重要的用途。比如，采用大型声探测阵的机场声测系统，作为机 场监测系统的一部分， 可以 准确地检测飞机的飞 行轨迹1 7 1 1 .2 研究历史及现状 国外在军事应用中，有单兵头盔式声测定位系统和车载声测小基阵以 及其 它各形基阵。采用微小基阵传声器阵列可以被动地检测飞机声音、坦克声音、 车辆声音、火炮发射声音、说话声音的方位。 小基阵探测的精度很大程度上受基阵孔径的限制，利用小基阵组合的合成 孔径远距离的声预警系统，可使合成的有效孔径增大。采用小型基阵组合可实 现对声源距离的检测精度达 l m级，也使得对声源的探测距离延长。 广泛采用 的基本的阵形有平面阵和空间阵， 如三元平面阵、 四元平面阵、 四元四面体阵。 利用相关检测手段，通过计算各传声器间的时延值定位声源坐标。如澳大利亚 的h h l k i r反直升机雷弹、 瑞典的p i l a r - i i i . p i l a r - v型探测器。 美国的 f y -9 7 至反坦克智能雷系列产品。 国际上阵列声探测技术的一个应用形式是多阵联合定位， 用数据融合的方 法提高 对声源的综合定位精度。 此时要求单个基阵具有无线电 通信能力。 采用 多阵联合，可以对某一片战场区域进行封锁。可以对一定空间区域的车辆、坦 克、直升机、飞机、巡航导弹、炮位、人员进行声跟踪。 国际声探测技术的应用还表现在远距离目 标探测上。目 前， 美国、 以色列、 英国 等研究了可以探测 i o k m - 2 0 k m范围内的直升机目 标的声测阵系统。 远距 第一章绪论 离声探测技术是采用波束形成技术提高探测距离，利用空间增益技术即空间滤 波技术，以及采用适当的弱信号检测手段，提高对特定声源的探测距离。 国内最早于8 0 年代末开始研究大气声探测技术，9 0年代初开始了反直升 机、反坦克声探测武器系统的研究，一直处于预研阶段。对直升机和巡航导弹 等这一类快速移动声源的声测定位精度，受低空声传播及传声器特性、近地声 环境、参数估计算法、探测系统运算能力的影响，还没有研究出能连续地准确 测定目 标轨迹的声测阵系统。国内对单一直升机实际跟踪距离和最大精确定位 距离以及预警距离还没有达到国际先进的水平，而且很难同时跟踪多个目 标。 近年来，国内许多单位正在开展单个小基阵以及多基阵联合定位的研究。 目 前，声阵列对声源的探测距离越来越远，坐标检测精度越来越高，应用 范围越来越广，对目 标的识别能力越来越强。声源定位主要是采用信号的相关 检测算法， 但是相关检测对声源距离的检测精度一直受到基阵孔径的限制。为 此采用波束形成算法，4元十字阵的波束形成可以提高对声源探测距离 1 倍以 上。 对于近距离( 3 0 0 m ) 的声源还可以 采用匹配场算法， 对声源的距离跟踪精度 可达到5 % e a 1 .3 本文研究的主要内容 全文共分为五章， 第一章是绪论， 介绍了本文所作研究工作的背景和意义， 简要的叙述了研究的历史和现状。第二章给出了小尺度基阵定位的几何模型和 数学模型。第三章和第四章分别研究了单目 标的定向问题和多目标的定向与分 辨问题。第五章是全文总结。各章的主要内容如下: 第二章分为两部分论述，第一部分是对近地声波的传播规律，直升机的声 音特性的分析和小基阵定向所面临的问题，这些都决定着本文研究中所采用的 方法和应该注意的问题。第二部分则简要叙述了阵列定位的基本理论与原理， 给出了小尺度基阵定位的几何模型，并根据几何关系推导出远场信号源的入射 方向和阵元间传播时延的数学关系表达式，由此我们可以清楚地看到声程差几 何定位的基本理论。 第三章作为论文的主体部分之一，主要是关于单目 标定向问题的研究。关 于声测定位本文主要使用的方法是声程差几何定位，故研究精确的时延估计是 这一章的关键所在，也是本章的主要内容。时延估计的方法比较多，但是最常 用的是广义互相关法+ 1 ， 本文给出了广义互相关法和自 适应法估计时延的结果。 较好的时延估计为单源目 标定向打好了坚实的基础，在时延估计的基础上，根 据信号源的入射方向与时延的数学关系，便可以估计出信号源的入射方向。 第一章绪论 离声探测技术是采用波束形成技术提高探测距离，利用空间增益技术即空间滤 波技术，以及采用适当的弱信号检测手段，提高对特定声源的探测距离。 国内最早于8 0 年代末开始研究大气声探测技术，9 0年代初开始了反直升 机、反坦克声探测武器系统的研究，一直处于预研阶段。对直升机和巡航导弹 等这一类快速移动声源的声测定位精度，受低空声传播及传声器特性、近地声 环境、参数估计算法、探测系统运算能力的影响，还没有研究出能连续地准确 测定目 标轨迹的声测阵系统。国内对单一直升机实际跟踪距离和最大精确定位 距离以及预警距离还没有达到国际先进的水平，而且很难同时跟踪多个目 标。 近年来，国内许多单位正在开展单个小基阵以及多基阵联合定位的研究。 目 前，声阵列对声源的探测距离越来越远，坐标检测精度越来越高，应用 范围越来越广，对目 标的识别能力越来越强。声源定位主要是采用信号的相关 检测算法， 但是相关检测对声源距离的检测精度一直受到基阵孔径的限制。为 此采用波束形成算法，4元十字阵的波束形成可以提高对声源探测距离 1 倍以 上。 对于近距离( 3 时， ( 2 - 4 ) 式是一超定问 题， 只有在最小均方误差 意义上存在解。定义误差为测量得到的时延与真实时延的差，即 ( r - k . 、 = + ， c/ ( 2 - 5 ) 式中，金 为测量得到的时延。显然当k 为真实的目 标方位时上式的误差最小。 则 ( 2 - 4 ) 式的 最小 均方误差的 解 可由 下 式给出 1 4 1 、1产esee， 、马leseseej 傀丫 + k = a r g m i n r- k + i t a ( r- k l , / = _ c ( r t a r ) 一 ， r t a - i =一 b 圣 ( 2 - 6 ) 式中 ， a r = e 行 i tt 一 e 夏 i e 夏 i ) t , ( r t a 丁 r ) - r t a 享 ， 是 估 计时 延的 协方 差 矩 阵bo 方位的估计就变成了时延的估计值与矩阵b的乘积。矩阵b依赖于阵列结构和 时延估计的协方差矩阵。 为了 用方 位 角 和 俯 仰角 表示目 标的 方 位， 需 要 把k 转换为 极 坐 标。 当 阵 列 为一维布放时， 只能估计出k x ，方位角为 0 = c o s 反 )( 2 - 7 ) 第二章声学阵列的定位原理及其建模 当阵列为二维布放时，方位角和俯仰角分别为 必=t a n ( 2 - 8 ) 0=c o s 一 (i l l 动 一 (1一 (交 心 )ikx+ ky)2 当 阵 列 为 三维 布 放 时 ， 应 用tc 解 算必 和。 仍旧 是 超 定问 题， 为 了 问 题的 简 单，按照非线性最小均方误差准则，此超定问题的次最佳解为 必 = t a n - 乡 = t a n - , ( k / k s ) (k,2+ ki2)2间 ( 2 - 9 ) 从上面对1 - d , 2 - d 和3 - d 阵列的方位角和俯仰角的估计式中可以看出， 声速c 对方位角的估计没有影响。 在实际的实时计算中，在划分的每一个小段中，由于总是利用时延的单次 估计进行方位估计，而且由于目 标在高速运动，所以目 标在某一点上的时延估 计的协方差矩阵无法确定。 当噪声是各向同性， 各个阵元上的噪声互不相关时， 式( 2 - 6 ) 可以写为， 、一口ij 、t十2 下 十 k 二 a r g m i n ( r - k. 丫 ( r - k s i + ， l 2 = - c ( r t r ) 一 ， r t i 此时方位的估计只与阵形和估计的时延有关， 而根据实时计算得到的时延值确定目 标方位。 ( 2 - 1 0 ) 由于阵形固定可以预先计算，从 根据以上的理论分析，就基本上建立了根据时延法 ( 或简称为声程差法) 估计信号源入射角度的步骤。 相对通常的 波束形成算法 1 s ， 声程差几何定位法进行方位估计有以 下几大 优点: 第一，从计算量负担上来说，声程差几何定位法具有很高的计算效率。因 为这种方法在估计方位角和俯仰角时是直接从估计的时延计算得到的，这就省 去了波束形成法中进行二维阵列流形角度搜索的繁冗过程。 第二， 对于二维和三维的基阵来说，声程差几何定位法不需要知道估计方 位角所需的声波传播速率， 从( 2 - 7 ) 、 ( 2 - 8 ) 和 ( 2 - 9 ) 式可以 看出。 这种性质在 第-章声学阵列的定 位原理及s 6 建模 气流和温度对传播速率的影响不确定或者未知的情况下，对应用该方法进行声 测定位是很有用的 t a i 。 这同 波束形 成器 是相反的， 因为波束形成器是以 波束 作 为输出的。利用波束形成器作为预处理的波束域高分辨方位估计方法可以降低 运算量，降低分辨所需的信噪比门限，降低方法对基阵阵元从原则上讲，作为 一个未知的参数，波束形成过程可以 检测和计算出声波传播速率， 但是这必将 增加估计过程中的计算量。 第三， 应用性更加广泛。如果信号是瞬时的或者到达时刻的脉冲是通过系 统硬件检测得到的， 在这种情况下提高了 方位估计的性能。因为， 在这种情形 下，波束形成法就不能应用了。另外，对于声程差几何定位法来说这些信息是 足以进行方位估计。 第四，在特定的声学或地质应用中，如果两个阵元的位置相距过大， 接收 信号空间相关矩阵就很难获得，因此就排除了 使用波束形成方法的可能 性。 在 这种情况下，不管怎样，时延仍然可以通过非相干处理手段估计出来，比如传 播方向上的时间差。 声程差方位估计法有一个主要缺点:局限于只存在一个信号源的 情况。而 当两个声源的角度间隔大于主瓣波束宽 度时，波束形成法可以同时定位两个以 上的信号源。 根据以上原则，我们针对单源估计和多源估计在估计方法上的不同，在下 面的两个章节中， 分别详细地阐述了单源估计和多源估计所使用的原理和算法， 并且进行了实测数据的分析和处理来证明所用算法的优越性。 第三章单目 标的定向方法研究 第三章 单目 标的定向方法研究 本章中主要研究单目 标的定向方法。由于系统的尺寸限制和实际应用的需 要，在以后的研究中主要是应用小尺度的平面四元阵来估计方位。前一章己经 提到过，根据时延来估计方位的几何方法具有计算量小，而且具有连续的目 标 定向能力，所以受到广泛的应用。时延的几何定向方法，是利用各个阵元上接 收同一目 标信号的时间差，以及几何关系解算目 标的方位信息。鉴于时延估计 的精确度直接影响到方位估计的好坏，在第一节将着重研究时延的估计方法并 比较各种方法的性能优劣。第二节是研究数据的取样长度对时延估计结果的影 响，第三节是研究信噪比和数据取样长度对单目 标方位估计结果的影响。 3 . 1时延估计算法的研究及其性能分析 选择恰当的时延估计方法是进行实时的目 标方位估计的关键。现有的各种 时延估计方法包括广义互相关法， 广义双谱法，广义相位谱法，参量模型法和 自 适应法等。这些方法大体上可分为基于相关法的时延估计和基于参数估计的 时延估计。 基于参数估计的时延估计方法虽然有较强的时延分辨能力， 但往往 要进行矩阵分解等复杂的运算，很难实时处理。所以 基于相关法的时延估计以 其计算简单， 在高 信噪比 下较好的 估计精度，而被广泛的 应用到各种实时的时 延估计中。为了比 较起见， 还简要介绍了自 适应法的时延估计算法，并利用该 方法进行时延估计。 3 . 1 . 1 广义互相关( g c c 时延 估计算 法的 基本原理11 6 1 考察两个空间分离的传感器，假设信号源在远场，此时信号源的大小和方 向 性相对于传播距离可以忽略， 则这两个传感器接收到的信号x ( n ) 和y ( n ) 可以 表示成 x ( n ) = s ( n ) + 玛 ( n ) y ( n ) = s ( 。 一 d ) + w 2 ( n ) 式中， s ( n ) 为1 号传感器源上接收的信号， s ( n 一 d ) 表示、 ( n ) 的时延信号， ( 3 - 1 d为 数 字 延 迟量;w i ( n ) 和w 2 ( n ) 为 分 别为 两 个 传 感器 接 收到 的 噪声， 它 们 相 互 统 计 独立且统计平稳，并且与信号: ( n ) 不相关。时延估计就是利用两个传感器接收 到的信号x ( n ) 和y ( n ) 来估计时延d. 第三章单目 标的定向方法研究 第三章 单目 标的定向方法研究 本章中主要研究单目 标的定向方法。由于系统的尺寸限制和实际应用的需 要，在以后的研究中主要是应用小尺度的平面四元阵来估计方位。前一章己经 提到过，根据时延来估计方位的几何方法具有计算量小，而且具有连续的目 标 定向能力，所以受到广泛的应用。时延的几何定向方法，是利用各个阵元上接 收同一目 标信号的时间差，以及几何关系解算目 标的方位信息。鉴于时延估计 的精确度直接影响到方位估计的好坏，在第一节将着重研究时延的估计方法并 比较各种方法的性能优劣。第二节是研究数据的取样长度对时延估计结果的影 响，第三节是研究信噪比和数据取样长度对单目 标方位估计结果的影响。 3 . 1时延估计算法的研究及其性能分析 选择恰当的时延估计方法是进行实时的目 标方位估计的关键。现有的各种 时延估计方法包括广义互相关法， 广义双谱法，广义相位谱法，参量模型法和 自 适应法等。这些方法大体上可分为基于相关法的时延估计和基于参数估计的 时延估计。 基于参数估计的时延估计方法虽然有较强的时延分辨能力， 但往往 要进行矩阵分解等复杂的运算，很难实时处理。所以 基于相关法的时延估计以 其计算简单， 在高 信噪比 下较好的 估计精度，而被广泛的 应用到各种实时的时 延估计中。为了比 较起见， 还简要介绍了自 适应法的时延估计算法，并利用该 方法进行时延估计。 3 . 1 . 1 广义互相关( g c c 时延 估计算 法的 基本原理11 6 1 考察两个空间分离的传感器，假设信号源在远场，此时信号源的大小和方 向 性相对于传播距离可以忽略， 则这两个传感器接收到的信号x ( n ) 和y ( n ) 可以 表示成 x ( n ) = s ( n ) + 玛 ( n ) y ( n ) = s ( 。 一 d ) + w 2 ( n ) 式中， s ( n ) 为1 号传感器源上接收的信号， s ( n 一 d ) 表示、 ( n ) 的时延信号， ( 3 - 1 d为 数 字 延 迟量;w i ( n ) 和w 2 ( n ) 为 分 别为 两 个 传 感器 接 收到 的 噪声， 它 们 相 互 统 计 独立且统计平稳，并且与信号: ( n ) 不相关。时延估计就是利用两个传感器接收 到的信号x ( n ) 和y ( n ) 来估计时延d. 第二章单口 标的定向方法研究 两个传感器接收到信号的互相关函数可以表示为 r te , ( r ) = e x (n )y (n + r ) = e s ( n ) + w ,( n ) s ( n + r - d ) + w 2 ( n + r ) = r ( : 一 d ) ( 3 - 2 ) 由 于自 相 关 函 数 具 有 性 质r , ( 0 ) ? r rp ( r ) ， 所 以 互 相 关 函 数r , , ( r ) = r . ( r - d ) 在 t = d处取最大值。由于在实际的测量中，噪声之间以及噪声和信号之间的相 关性并不像模型中假设的那样理想，所以单纯用互相关函数的峰值来确定时延 会带来较大的误差。 为了 提高互相关法时延估计的精度，通常利用加窗法对数据进行平滑，而 且用估计互功率谱代替估计互相关函数，最后进行傅立叶反变换估计出所要求 的 互 相 关 函 数 。 这 一 类 方 法 被 称 为 广 义 互 相 关 法 (g c c ) l ， 可 以 表 示 为 r ry ( r ) 一 if ft p ( co ) w ( w ) 卜r ., , ( r ) * w ( r ) (3 - 3 ) 式 中 ， * 表 示 卷 积 ， 凡( 。 ) 是 互 相 关函 数凡( r ) 的 傅氏 变 换即 x ( n ) 和y ( n ) 的 互 功率谱，w ( a ) ) 为窗函 数。 广义互相关的 关 键是 平 滑窗函 数的 选择， 常用的窗 函 数 用k n a p p 和c a r te r 提 出 的 平 滑 相 干 窗 17 1 . h a n n a n - t h o m p s o n 提 出 的 最 大 似 然 窗 1s 等 。 木 研 究 利 用w e lc h 提出 的 修 正 的 周 期 图 法 估 计 互 功 率 谱 1e ， 利 用 似 然 窗 进 行相关函数的平滑处理，以更加精确地估计各个阵元间的时延。 3 . 1 .2自 适应l ms 算法估计时延的基本原理 广义互相关时延估计以 及广义双谱等方法存在一些共同的缺点。首先，这 些方法都是建立在已知有关输入信号和噪声的统计先验知识基础上的，而在实 际应用中， 这些先验知识难以得到， 一般都是采取一定的手段估计得到。 比如， 要求已 知信号和噪声是广义平稳的，观测时间是有限的，时延和衰减幅度随时 间的变化是缓慢的等。其次，接收信号中常常伴有周期性或相关干扰和随机噪 声， 广义互相关等方法可以 有效地抑制随机噪声的影响， 但对于周期性或相关 干 扰环境下的时延估计， 却不尽如人意。 第三， 上 述各种方法对于非平稳以 及 时变条件下的时延估计显得无能为力。 自 适应时延估计方法不仅具有上述各种方法的一般优点，而且可以克服其