（水声工程专业论文）稳健波束形成与高分辨方位估计技术研究.pdf

西北工业大学博士学位论文 匀线列阵的一些高效方法实现信源的解相干以及方位估计。同时，此方法能自动 地在于扰方位形成尖锐的零陷抑制强千扰，提高对弱目标信号的方位估计性能。 计算机仿真验证了此方法的有效性。 6 研究了基于恒定束宽波束输出和基于虚拟插值变换技术的宽带相干高分 辨方位估计方法。通过采用凸优化技术设计恒定柬宽波束形成器和虚拟插值滤波 变换矩阵，有效地提高了设计精度，且能够严格控制旁瓣或阻带衰减级低于期望 值，从而改进了基于恒定束宽波束形成和基于虚拟插值滤波变换技术的高分辨方 位估计方法的性能。计算机仿真和湖上实验结果验证了所提方法的有效性。 7 研究了非相干宽带高分辨方位估计方法。针对不相关的目标信号，采用自 适应空域矩阵滤波器抑制感兴趣的目标区域之外的强干扰；而针对相干目标信号， 将自适应虚拟插值矩阵滤波和空间平滑技术相结合，在实现目标信号解相干的同 时，在干扰方位形成零陷以抑制强干扰。计算机仿真结果表明所提方法具有良好 的干扰抑制性能，能显著提高强干扰背景中对弱目标信号的方位估计性能。 关键词：波束形成，高分辨方位估计，空域矩阵滤波，稳健性，自适应，虚拟插 值变换，波束域 一i i a b s l r a c t a b s t r a c t t h ep c r f b m a n c eo fp a s s i v ea c o u s t i cs i g 眦lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sw o u l db e c o m e v e r e l yd e g 豫d e dw h c nt h ea c o u s t j c s o u r c eo fi n t e r e s ti so b s c u r e d b ys t r o n g i n t e r f 毫r e n c e s t oi m p r o v et 1 1 e p e r f b 咖a n c eo fp a s s i v ea c o u s c i cs i g l l a lp r o c e s s i n g t c c h n i q u e si np r a c t i c a la c o u s t i cs i t u a t i o n s ，t h i sd i s s e 呲i o ns y s t e m a t i c a l l yd e p l o y s t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a is t u d i e so nb 髓m f o m i n ga n dd i r e c t i o n o f a r r i v a l ( d o a ) e s t i m a t i o nt e c h n i q u e si na s p e c t so fe n h 卸c i n gt h ea b i l i t yo fs u p p r e s s i n gi n t c r f 毫r c n c e s a n dt h e j rr o b u s t n e s s 髂w e l j 办i sd i s 辩n a t i o ni ss u p p o m db yt h ef l l t l do ft h ek e y l a b o r a t o r yo fu n d e n a t c ra c o u s t i c s 粕dk e yl a b o r a t 0 叮o fu n d e n v a t e rs i g l l a l p r o c e s s i n ga n dc o n t r 0 1 t h em a i nc o n 打b u t i o n sa r ea sf o i i o w s ： 1 i nt h ec a s eo fp a s s i v es o n a r an o v e ia p p r o a c ht 0a d a p t i v eb e a m f o m l e ri s p m p o s e d ，i nw h i c hf i r s t l yt h ed e s i r e ds i g n a lc o m p o n e n ti sa t t e n u a t e df b mi n c o m i n g d 。as n 印s h o sb y h es p a “a j 玎豫撕x 蜀j e r ，a n dt h e n | b e 雠i 曲lo fl h ea d a p l j v e b e a m f o 咖e ri sc o m p u t e d 岱i n gn l t e r e dd a t as n a p s h o t s t h ea p p r o a c ho v e r c o m e sm e d e s i r e ds i g n a lc a n c e l i a t i o np r o b l e m ，a n dt h u sm er o b u s t l l e s sa g a i n s ts y s t e me r r o 陪i s g f c a t l yp r o m o t e d c o m p u t e rs i m u l a t i o nr c s u l t sd e m o n s t r a t ei t sv a i i d i t y 2 i no r d e rt oa l l e v i a t et h ep e r f b 姗a n c ed e g r a d a t i o no fa d a p t i v eb e a m f o m l i n g m e t l o 出i nt i l e p 辩s e n c e o ff a s l - m o v i n gs l r o n gi n t e r f 音r e r s ，ar o b u s ta d a p l i y e b c a m f o 珊i n ga i g o r i t h mi sp r e n t e d n u l l - b r o a d e n i n gt c c h n i q u ei su s e dt 0 鲫p p r e s s m t c 彘f e l l c e s ，a l l dd j a g o n a l i o a d i n gi se m p l o y e dt 0e n h a l l c ei t sr o b u s t l l e s sm e a n t i m e t h i sr o b 哪ta d a p t i v eb e a m f o 硼e rc a na l s ob eu 鹋dt op r o v i d eh 噜hq u a l i t yb e 锄o u t p u t d a t ai nb e a m s p a c em e m o d s c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a tt h ep f o p o s e d a 1 9 0 r i t h mh a sag o o da b i l i t yo fd e t c c t i n ga n dc s t i m a t i n gt h ed o a so fw e a ks t a t j o n a f y s i g n a l su n d e rc i r c u m s t a n c e so f s t r o n gi n t c 睡r e n c e s 3 a ne f n c i e n tm e m o dt 0a l l e v i a t et h ei n f l u e n c eo fa r r a ym i s m a t c he r r o r si s p r o p o s e d ，i nw h i c hc a n b r a t e da r r a y r n a n i f 0 i di s e m p l o y e d i nt h ei o 、v s i d e i o b e b e a m p 毗e ms y n t h e s i sp r o c e d u r ci nt 1 1 eo r d e rt h a tt l l ee 矗- e c to f r e s i d u a i i m e m r e n c e si s w e a k e n e d a n e c h o i ct a n k “p e r i m e n t a i 陀s u 恼s h o wt h a tc 8 i b r a t c da 玎a ym a n i 白l di s a b l et 0a b a t et h ed i s t o r t i o no f b e a m p a n e mc 卸s e db ys y s t e me n d r s ，w h i c hg u a r a r i t e e s 卸e x p e c t c dl o w l e v e ls i d e l o b e ，a l l dt h e r e f o r et l l ea l g o r i t h mc a ng e tb e t t e rp e r f b 肿a n c e o fd o ae s t i m a t i on 4 t 1 l ed e s i g na p p r o a c ho fs p a t i a lm a 打i xf i l t e r8 n d “sa p p l i c a t i o ni nm ed o a e s t i m a t i o na 陀s t u d i e dp r o f o u n d l y d u et 0t h ei n s u f f i c i e n c yo fc o n v e n t o n a lm a t r i x f i l t e 璐，t h i sc o n t r m u t i o nd e v e l o p sad e s i g ns c h e m eb a s e do nt h es e c o n d o r d e rc o n e - i i i 西北工业大学博士学位论文 p r o g r a m m i n g ( s o c p ) t h ea p p r o a c hc 趴f o r mn u l l si ns t o p b a n dt os u p p r e s ss t r o n g j n t e r f c r c n c e sw h i l eg u 啪m e el h ed e s j g na c c u r a c yo fl h ep a s s b an d f n n h e 珊o r e ，咖 d i m e n s i o n a l i 修r e d u c e da d a p t i v es p a t i a lm a t r i xf i l t e ra r cd e v e l o p e di no r d e rt or c d u c e c o m p u t a t i o ns i g n i f i c a n t i ya lt h ec o s to f m i n o rd e g r a d a t i o no f e s t i m a t i o np e r f b r m a n c e 5 ad e s i g na p p r o a c ho fa d a p t j y ei n t e r p o l a t i o ns p a t j a lm a t r i xf i l t c ri sp r e s e n t e d t bt h eo u t p u td a 协o fa r m y sw i t ha r b i t m 呵g e o m e t r y ，t h i sa p p r o a c hi sa b l et od os o m e v i r t u a ii n t e r p o i a t i o nt r a n s f o 咖s ，w h i c hl e a dt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t p u td a t ao f u n i f o n nl i n e a ra r r a y ( u l a ) ，a n du l t i m a t e l yt ot h ee m p i o y m e n to fm e t h o d ss u i t a b l et o u l a t h ea p p r o a c hc a nf o r md e 印n u l i si nt 1 1 ed i f e c t i o n so fi n t e r f e r e r s ，a n dg e tb e 雠r p e r f o r m a n c eo f d o ae s t i m a t i o n c o m p u t c rs i m u l a t i o nr e s u l f sp r 0 v ei t sv a l i d i t y 6 t h eb r o a d b a n dc o h e r e n th 追hr e s o i u t i o nd o ae s t i m a t i o nm e t h o d sb a s e do n t l l ec o n s t a n tb e a m w i d t hb e a m f o m l i n ga n do nt h ev i r t u a li n t e r p o l a t i o nt e c h n i q u ea r e s u d i c d ，r e s p e c t j v e j y b o mo ft h e ma r ed e s i g n e dt h r o u g ht h ec o n eo p c i m i z a c f o n t e c h n i q u e ，w h i c hc o n s e q u e n t l yp r o m o t em ed e s i g na c c u r a c y a n dh e n c ei m p r o v e p e r f b m a n c e so fb o mm e t h o d si nh i g hr c s 0 i u t i o nd o ae s t i m a t i o ns i g n 湎c a n t l y b o t h c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa n di a k ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m s c a ne n h a n c et h ep e 响r m a n c eo fd o ae s t i m a t i o n 7 i nt h ec a s eo fi n c o h e e ms 培n a l s ，m ep r o p o s e da l g o r i t h me m p i o y sm e a d a p t i v es p a t i a lm a t r 奴6 l t c rt 0s u p p r e s si n t e r f b r e n c c so u t s l d et h ea r e ao fi n t e r e s t ；a n d i nc a s eo fc o h e r e n ts i g n a l s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc o m b i n e sm ea d a p t i v ev i r t u a i i n t e r p o l a t i o nm a ”i xa n dt h es p a t i a ls m o o t h i n gt e c h n i q u e ，t h u sf o r m sn u l l smt h e d i r c c t i o n so fi n t e r f b r e r st 0s u p p r e s st h e mi nt h em e a n t i m e0 fd e a l i n gw i t ht h ec o h e r c n t p r o b l e m c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u n ss h o wt h a tm ep r o p o s c ds c h e m eh a sad e s i r a b j e p e r f o 咖a n c ei ns u p p r c s s i n gi n t e r l e r c n c e st i i u se n h a n c et h ea b i i i t yo fe s t f m a t i n gt h e d o a s o f w e a ks t a t i o n a r ys i g n a i s u n d e r c i r c u m s t a n c e so f s t r o n g i n t e r f c n c e s k e yw o r d s ：b e a m f o 咖i n g ，h i g hr c s o i u t i o nd o ae s t i m a t i o n ，s p a t i a lm a t r i xf l l 把r i n g ， r o b u s t n e s s ，a d a p t i v eb e a m f o 硼i n g ，v i r “j a ii n t e r p o l a t i o nt r a n s f o m ， b e 8 m s p a c e 一i v 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即；研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究 课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：毖 指导教师签名： 3 - 。石年，9 月p 牛日妒6 年， 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈 交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 饧标 。口。莎年，d 月d 乒日 第一章绪论 第一章绪论 水声基阵信号处理研究的主要内容就是在充分利用基阵的先验信息( 例如阵 形、阵元特性等) 的基础上提取信号场的有用信息，它无论在民用还是军事领域 都有着广泛的应用。随着水声对抗环境的日益复杂，要求新一代的声纳设备具有 检测弱信号、精确估计目标参数的能力，这对水下阵列信号处理的方法和手段提 出了更高的要求。阵列信号处理的根本任务就是消除接收信号中的干扰和噪声， 以便获得信号的有用信息。波束形成是阵列信号处理的主要组成部分，是现代声 纳的核心，是声纳具有良好的战斗，技术性能的基础。而方位估计则是声纳系统 的主要功能之一。针对以上两个声纳基阵信号处理的关键技术：波束形成和方位 估计，本文从提高它们的稳健性和干扰抑制性能两个方面开展了深入的研究，以 提高算法在实际环境中对弱目标信号的检测和估计性能，进而增强声纳系统的远 程感知能力。 1 1 研究背景及意义 潜艇具有良好的隐蔽性和较强的突防能力，是各国海军的重要作战力量。声 纳作为对潜艇进行检测、定位、识别和跟踪的主要设备，它的发展一直与潜艇的 发展紧密联系在一起。随着科学技术的进步，潜艇和声纳技术都得到了迅速发展。 为了躲避声纳的探测，自2 0 世纪6 0 年代开始，美国和前苏联等国就开始有计划 地对潜艇降噪工作进行重点研究，经过4 0 年的努力，取得了重大突破，潜艇的辐 射噪声越来越低，与先前相比噪声平均下降了3 5 d b 【m 1 a 9 9 l 。目前，一艘常规动力 潜艇的噪声级已由2 0 世纪5 0 年代的1 6 0 1 7 0 d b ，降到1 1 0 1 2 0 d b ，相当于2 3 级海况的自然噪声级，而美国“海狼”级核潜艇的噪声级则降至9 0 d b 左右，与海洋 背景噪声大致相同。潜艇隐身技术的进步，对声纳的作用距离提出了严峻的挑战， 使得被动声纳的作用距离从5 0 l o o 千米下降到不足l 千米l m a 0 3 】。另外，作为舰船 辐射噪声的背景，海洋环境噪声极其复杂，因时间和地理位置的不同而变化，特 别是在地理条件复杂的近海，海面交通、近岸工业和航空活动等导致交通噪声和 离散杂波的干扰大大增加，使得待检目标信号受到污染，严重影响目标检测与目 标定位。如何在远距离、低信噪比的情况下对目标进行有效的检测与精确估计是 西北工业大学博士学位论文 水声信号处理中迫切需要解决的问题。 纵观各国海军对未来水下战争的评述，无不把对远程和超远程目标的探测作 为先敌发现、克敌制胜的重要途径。水下目标远程探测、目标跟踪和识别是各国 海军的重点研究领域，也是衡量海军武器装备性能的重要指标，战术上声纳不仅 要发现目标，更主要的是要准确和实时地确定目标的方位。声纳远程探测的距离、 精度和可靠性以及对目标信号的提取和识别能力主要取决于水声基阵信号处理技 术的能力，其中关键技术是波束形成和波达方位( d o a ：d i r c c t i o no fa 玎i v a i ) 估 计，而d o a 估计在很多情况下是以波束形成技术为基础的。研究波束形成技术 使其能有效地抑制干扰将有助于提高基阵输出信噪比，从而增大声纳作用距离。 而对高分辨d o a 估计算法的研究将有助于提高多目标的检测、跟踪性能，进而 提高被动声纳检测弱信号的能力，改善声纳系统的远程感知力。 针对提高被动声纳检测弱信号的能力问题，国内外从不同角度进行了大量而 深入的研究【忱9 8 ，。”0 0 1 ，主要的研究技术途径有：匹配场信号处理；超低旁瓣波束 形成和自适应噪声抵消等。超低旁瓣波束形成和自适应噪声抵消对噪声和干扰的 抑制有很大的价值，但当前遇到不少技术困难。主要表现在； ( i ) 随着水声及水声对抗环境的日益复杂，以及各种新型传感器及其布阵形式 的出现，现有的波束形成技术已经越来越不能满足期望的性能要求。 ( 2 ) 一些现有的算法还需要进一步完善以适应实际情况，如：波束域高分辨算 法通常只考虑感兴趣的波束区域内信号的方位估计问题，而对波束区域之外的强 干扰对方位估计性能的影响缺乏必要的研究。 ( 3 ) 常规的波束形成和方位估计算法，特别是高分辨算法，通常都是在理想( 已 知) 阵列流形和自由空间传播模型的假设条件下工作的，但实际系统中总是存在 误差，包括采样数据序列有限引起的协方差矩阵估计误差和各种系统误差，如阵 元幅相误差、阵元位置误差、阵元之间的互耦、通道频率特性失配等。误差使得 实际的基阵模型与理想模型失配，从而使基于理想阵列流形设计的波束形成器和 方位估计算法在实际的应用中性能严重下降。 ( 4 ) 由本舰的螺旋桨及其引起的海水空化、湍流噪声和干扰源的运动等因素， 使得基阵接收的噪声是时域非平稳、空间各向异性的，而各种高分辨算法的噪声 模型是平稳高斯白噪声过程，所以噪声模型的失配将导致波束形成和高分辨算法 的海上实用性能变差。 波束形成和目标方位估计算法的稳健性研究在国内外都受到极大的重视，算 法的稳健性是算法能获得实际应用的前提。现有波束形成和d o a 估计算法必须 2 第一章绪论 针对实际情况作进一步的改进才有可能应用于海上复杂环境。因此，提高波束形 成和方位估计算法的稳健性是目前所面临的主要任务之一，同时也是提高强干扰 噪声背景中弱目标信号检测性能的有效手段。 本文的研究工作就是在常规布阵理论基础上，借鉴其它领域中阵列信号处理 的新概念和新技术，针对声纳基阵使用的特定场合，寻求有效的理论与方法，解 决满足特殊要求的声接收基阵波束设计和方位估计的关键问题，通过理论研究和 数值分析提出几种对信号模型稳健的波束形成和d o a 估计算法，从而为提高海 军装备的水中目标远程感知能力提供理论和应用基础。 1 2 研究历史及现状 水下基阵信号处理是对水昕器基阵接收到的声信号实现空域滤波的过程，用 以提高目标探测的距离和方位估计的精度。与传统采用单个水听器相比，基阵处 理具有灵活的波束控制、高的信号增益、强的抗干扰能力及好的空间分辨能力等 优点，受到人们的极大关注【9 8 邯】。水声基阵信号处理涵盖的内容非常广泛， 本节将围绕基阵的波束形成与方位估计算法的于扰抑制性能和稳健性方面的研究 历史和现状作一简要评述。 1 - 2 1 波束形成技术 在声纳系统中，对声信号的处理是从水听器基阵开始的。水听器基阵除了完 成把声信号转换成电信号的任务之外，通常还要具有如下的功能：1 ) 抑制环境噪 声，提高接收信号的信噪比；2 ) 实现对目标信号波达方向的估计；3 ) 能独立检 测和分辨多个不同方位到达的平面波信号。这些功能的实现，传统上需要依靠波 束形成。常规波束形成的目的就在于选取一个适当的加权向量以补偿各个阵元上 的传播延时，从而使某个期望方向上的信号到达基阵是同相的，进而在该方向上 产生一个空间响应的极大值。若和时域的滤波器作类比，则可以把波束形成器看 作是空域的滤波器【v b 船j ，而波束图则是该滤波器的空间频率响应。 常规波束形成( c b f ：c o n v e n t i o n a lb e a m f o r n l i n g ) 加权向量的设计仅利用了 基阵的结构信息，它具有运算简单、适应性强的优点，但它无法对空间中其它方 向入射的干扰进行有效抑制i o o d 9 7 1 。然而在实际应用中，接收的信号不仅被环境噪 声所淹没，同时还夹杂着来自不同方向上的多种干扰。为了提高强干扰噪声背景 中对弱目标信号的检测性能，需要使用能在干扰方向形成较大衰减的波束形成方 西北工业大学博士学位论文 法，以便于有效地抑制干扰，提取期望信号。当前能有效地抑制干扰的波束形成 方法主要有基于低旁瓣波束优化的波束形成和自适应波束形成。 一低旁瓣波束优化的常规波束形成 为了提高常规波束形成的干扰抑制性能，一般要求波束具有低的旁瓣级，以 利于有效地抑制旁瓣区域内的干扰【蝎k 9 州，降低系统的虚警概率，这往往要通过波 束的低旁瓣优化设计来实现。在窄带波束形成中，最为经典的是d o l p h c h e b y s h e v 法i d “”，该方法在给定主瓣宽度的条件下能获得最低的旁瓣级，或者在给定旁瓣 级的条件下能够得到最小的主瓣宽度。t a y l o r 提出了适用于连续线阵【1 对5 5 】的旁瓣 约束方法，该方法约束最大旁瓣高度，并获得远离主瓣方向逐渐下降的旁瓣。 e 1 1 o t t 对t a y l o f 方法进行了改进，使旁瓣高度能根据需要进行特殊设计删7 6 1 。 h a n s e n 对这一类波束图设计旁瓣控制方法进行了总结【“釉舶。但是这些方法都只适 用于由各向同性阵元组成的均匀线列阵或者特定形状的基阵。 对于任意结构的基阵，存在两类主要的旁瓣控制优化波束形成方法。第一类 是基于自适应阵原理的方法。基于该原理，马远良最先提出了适用于任意结构形 状传感器阵方向图的最佳化方法l m a s 4 】。此方法通过在旁瓣区域人为放置若干合适 强度的虚拟干扰源的方法，能够获得期望的低旁瓣。基于同样的原理，o l e n 等人 提出了静态波束图的数字综合方法【0 c 州，该方法对旁瓣区域内干扰源强度的自适 应调整做了进一步的讨论。随后，许多学者对这种方法进行了改进，提高了算法 的收敛性能和设计精度【w b m 9 6 ，2 1 “9 8 ，y w 0 4 ，y m s 0 5 1 。 第二类方法需要借助于期望波束并使用优化方法，例如使用二次规划方法 i n 联9 3 ，2 9 9 ，n z 。0 1 ，z s z 0 3 1 ，在设计中使设计波束与期望波束的误差平方和( 或范数) 最 小，达到波束优化的目的。该类方法通过设定不同的期望波束，实现第一类方法 所能达到的设计效果，且比第一类方法更为灵活。 在设计时，这些方法通常都基于理想基阵模型的假设条件，但是，在实际的 系统中由于阵元位置误差、阵元方向性各异以及电路和传输系统所引入的误差， 使得实际的基阵模型与理想基阵模型失配，从而使根据理想基阵模型设计的低旁 瓣波束形成器在实际中会产生波束图畸变，特别是旁瓣大幅度升高，不能有效地 抑制来自旁瓣区的干扰，增加了系统的虚警概率。而且，低旁瓣设计还会带来主 瓣的展宽和阵增益的下降【u “”j ，这也是我们所不希望的。 - 4 第一章绪论 二自适应波束形成 提高波束形成干扰抑制能力的另一种有效措施是采用自适应波束形成技术， 其中最为典型的是c a p o n 提出的最小方差无畸变响应( m v d r ：m i n i m u mv a r i a n c e d i s t o 币o n l e s sr c s p o n s eb e a m f o m i n g ) 波束形成技术【o 印6 9 ，“掣9 6 1 。它在保持波束指 向方向信号无失真的条件下，透过使基阵输出功率最小来实现对干扰的有效抑制， 具有较好的方位分辨能力和较强的干扰抑制能力。 设计自适应波束形成器的传统方法通常假设基阵输出数据中不含期望信号分 量【r m 8 7 4 ，m m ，。砷2 1 ，这时波束形成对阵列系统误差和协方差矩阵估计误差具有较 强的稳健性扣。】。但是在被动声纳情况下，观测数据中不可避免地包含期望信号。 而且在实际情况下，受到方向向量误差、有限次快拍数据引起的协方差矩阵估计 误差，阵元位置及阵元幅相误差等因素的影响，导致基阵模型失配，使自适应波 束可能将信号误当作干扰进行抑制，导致信号对消，造成旁瓣升高和波束图畸变 1 8 姻1 ，。酗1 4 y u 9 3 ，跏9 4 w a 9 6 1 ，此时传统的自适应波束形成器难以给出令人满意的输出 信干噪比( s i n r ：s i g n a l - t o i n t e m 佗n c e - a n d n o i s er a t i o ) l j a b 8 6 ，k u 9 2 1 。 除了基阵模型误差外，由于扰源的运动和基阵平台的运动或震动所引起的数 据非平稳性是引起自适应波束形成性能降低的另外一个重要原因【o s b 9 6 ，o n 聃7 “a y 9 。”。特别是在被动声纳的情况下，为了提高目标分辨能力和获得较多的阵增益， 以便能提高强干扰噪声环境中对弱目标信号的检测性能，发展的趋势之一就是采 用多阵元大孔径基阵8 0 9 9 ，。o 棚】。但在浅海环境下，背景噪声主要由快速运动的水 面舰船组成，由于大7 l 径基阵形成的波束较窄，在获得满秩的采样协方差矩阵的 采样时间内，这些舰船的方位变化通常会达到几个波束宽度。而且多阵元大孔径 基阵通常要求较长的采样时间l g g l 9 5 ，m g 9 7 j ，因此，快速运动的干扰导致严重的“快 拍失效”，当传统的自适应波束形成方法的权向量不能足够快地适应非平稳信号 时，其波束形成性能将急剧降低f 8 。蚬c 0 。峨g n 8 媳v g l 。疆”o 渊。另外，由于干扰源 的快速运动，自适应波束形成需要更多的自由度以抑制运动强干扰，而在给定可 用的快拍时间内，自适应波束形成不能形成足够多抑制强干扰的零陷，此时，弱 目标信号将被干扰掩盖【s o o 】 为了提高自适应波束形成算法对基阵模型误差的稳健性，稳健自适应波束形 成算法近年来成为研究热点【v a 6 粥- g c 巾3 1 。目前，在有限次快拍和系统误差存在情况 下提高自适应波束形稳健性的方法主要有： ( 1 ) 对角加载方法【0 2 0 8 7 t 。郴8 ，1 h t b ”o ”。此方法是存在基阵方向向量误差和 西北工业大学博士学位论文 有限次快拍情况下最常用的一种稳健波束形成算法。该方法通过给协方差矩阵的 对角线元素增加较小的加载量来使协方差矩阵的噪声特征值的扩散程度减小，从 而减小噪声特征向量对自适应权向量的影响，提高了对系统误差的稳健性，减小 了波束图畸变。但是该方法会使自适应波束图的零陷变浅，使得干扰抑制能力有 所降低。面且在没有先验信息的情况下，对角加载量难以确定。 ( 2 ) 线性约束最小方差( l c m v ：l i n e a rc o n s t r a i n e dm i n i m u mv a r i a n c e ) 方法 【f 町2 ，7 0 矧。该方法通过旌加多个线性约束来减小算法对基阵方向向量误差及波束 指向误差的灵敏度。但缺点是要损失阵列的自由度。并且使运算量加大。 ( 3 ) 基于特征空间的波束形成方法【0 7 9 2 ，0 9 4 ，。7 9 5r 。一7 。l 0 0 ，a t h 0 0 ，8 7 。0 0 1 。这种方 法的关键是将基阵扫描向量投影到信号加干扰子空间上，用投影后的扫描向量代 替有误差的扫描向量。此方法对方向向量误差具有较强的稳健性，但由于需要子 空间分解，因此需要确切已知声源的个数且仅适用于高信噪比和点信号源的情况 【h n 8 0 1 ，”o 。0 3 b 】。另外一种特征空间的波束形成方法是正交投影方法1 9 肿，8 a 9 3 1 ，这种 方法首先求得干扰子空间，最后把扫描向量向干扰子空间的正交补空间投影以得 到自适应权。由于自适应权与干扰子空间正交，所以该方法有较好的干扰抑制性 能，同时有较快的收敛速度和较强的稳健往。但在被动声纳中，单纯的干扰子空 间很难得到。文献【c l 0 5 】提出通过修改协方差矩阵来消除期望信号分量以获得干 扰子空间，但这种方法需要对信号和干扰方位进行预估计。 ( 4 ) 盲波束形成方法【”w 9 6 ，6 m 9 7 ，7 l 0 4 1 。盲波束形成不需已知阵列流形和信号的 d o a 估计，所以对基阵方向向量误差有较强的稳健性，但足通常需要利用信号的 高阶累积量或循环平稳特性，且计算复杂。 ( 5 ) 零陷展宽方法。零陷展宽方法可以通过方向约束【6 ”咖】、导数约束【e c 8 3 t 0 5 8 9 6 ，g ”8 9 7 域协方差矩阵加权法( c m t ：c o v a r i a n c em a t r i xt a p e r ) ( r g v 9 t 知例来实 现。c m t 方法将干扰看作空间扩展信号，用空间扩展信号的空间相关矩阵对原协 方差矩阵加权，得到增强的协方差矩阵，由此得到的权向量能加宽零陷，z a t m a “ 证明了导数约束是c m t 的特例四删。但c m t 类算法会遇到加载量确定问题，而 且使得阵增益和空间分辨能力有所降低【m j c o o ，8 0 n 0 孔。 ( 6 ) 贝叶斯( b a y e s i a n ) 宽容自适应波束形成方法1 8 8 v 9 7 ，8 8 ”0 们。利用经典检测理 论中的贝叶斯准则、m a p ( m a x i m u mp 0 s t e r i o “p r o b a b i i 时) 准则来提高波束形成 对指向误差的宽容性。b a y e s i a n 方法在高s n r 时退化为m v d r 算法，低s n r 时 在信号真实方向附近具有稳定增益，可以防止目标信号被抑制。该方法的缺点是 计算较为复杂。 - 6 第一章绪论 但是，所有这些方法都是对某些实际情况中存在的某一种或几种误差具有稳 健性，如贝叶斯方法对指向误差的宽容性较好，但对信道误差的宽容性较差，所 以，对各种误差均具有较好稳健性的自适应波束形成算法成为新的研究方向。 g e r s h m a n 等人【”“】提出当确定方向向量的值域为某个误差集合时，稳健波 束形成可表述成一个二阶锥规划ts o c p ：s e c o n do n d e rc o n v e xp r o g r a m m i n g ) 问 题，可以利用标准的内点算法软件来求解权向量，如s e d u m i 凸优化工具包【s 邶9 1 ， 但是其优化过程计算很复杂，离实用还有一定距离。l o r e n z 【l b 0 3 荆用椭球来覆盖 方向向量的值域，权向量的寻优过程比s o c p 法简单，采用拉格朗日乘子法，但 不确定椭球的模型构造较为复杂。l i 【l s 0 3 ，l 5 w 0 4 1 等人利用观测数据作为信号方向向 量的似然估计，并代替理想的方向向量，提出了广义对角加载的自适应波束形成 算法。该算法中，对角加载量可以随期望信号功率的变化而调整，但加载量增大 时会导致算法对强、弱干扰抑制的灵敏度有不同程度的降低【c l 0 5 】。文献【s g l 0 3 】 提出了所谓负加载量的稳健方法，但是加载量的确定仍是一个问题。 1 2 2 高分辨方位估计技术 在被动声纳阵处理技术中，首要的任务是辨识声源数目并确定其方位。方位 估计可以为自适应干扰抵消算法提供干扰方位信息，战术上声纳利用高分辨方位 估计方法可以分辨敌方远程舰艇编队，使武器系统的精确打击成为可能。常用的 方位估计技术主要有波束形成方法和高分辨方位估计方法。由于常规波束形成易 于实现、稳健性好及对信号之间的相干性不敏感，现代声纳系统多采用这种技术 预成多波束来实现对目标方位的估计。但常规波束形成的角度分辨能力受瑞利极 限的限制【汹卵，”们，分辨能力较低。近几十年来涌现出来的各种阵元域高分辨方 位估计方法，如m u s i c 算法1 8 ”8 3 ，8 6 1 、e s p r i t 算法r k 神，。8 8 9 4 】和加权子空间拟 合算法( w s f ：w i f g h t c ds u b s p ef m 衲g ) f 州，弧9 ，5 。州，从理论上突破了常规 波束的瑞利限，获得了超过常规波束形成的角度分辨能力，受到人们的广泛关注。 近年来，国际上一些针对声纳系统的海上高分辨方位估计实验也时有报道1 8 b r 9 3 ， 9 4 ，恤9 8 ，o “8 0 0 1 ，但在实际系统中获得成功应用的范例却一直未见公开报道。主要 的原因有：1 ) 高分辨算法的运算量高于常规方法，不利于对信号方位的实时估计； 2 ) 高分辨算法对基阵的输入端的信噪比有较高要求，在信噪比较低时，高分辨算 法的性能会急剧下降。提高算法在短数据，低信噪比条件下的性能是高分辨阵列 处理的研究重点，也是实现中远距离、弱信号检测与估计必须解决的问题；3 ) 对 7 西北工业大学博士学位论文 基阵模型误差具有较大的敏感度，很小的阵列流形误差都将导致高分辨算法性能 的严重恶化8 9 2 ，”8 9 4 ，5 0 9 8 】；4 ) 相干源问题在水下信号处理中经常遇到，如浅海中 的多途效应，智能干扰等。相干信号会导致高分辨子空间类方法的分辨性能严重 下降，使水声系统无法正常工作【d j ”l 。5 ) 信号非平稳等情况下，性能会急剧下降 甚至给出错误估计口s 1 ”j 。针对上述问题，研究者们想方设法对高分辨技术加以某 种改进，以便其能在实际系统中获得应用。 一，波束域高分辨方位估计 波束域高分辨方位估汁技术不同于直接采用基阵阵元输出的传统阵元域高分 辨方位估计技术，它具有运算量小、分辨所需的信噪比门限低以及对阵元误差不 敏感等优点【。8 8 9 ，l w 9 0 ，8 “9 1 。8 9 3 1 ，得到了大量研究【o m 9 6 t v 0 0 ，y w s 0 3 b ，8 7 0 4 1 ，已成为高 分辨方位估计技术发展的一个重要方向。而且波束域处理可在现役装备原有多波 束系统上直接使用，避免了对现有水声系统的较大改造或者重新设计。因此，在 水下多波束系统基础上应用高分辨处理的理论和方法具有重要的实用价值和应用 前景朋3 ，醛缁l 。 波束域高分辨方位估计的思想早在1 9 8 4 年就被提出【8 0 8 4 1 。b i e n v e n u 和k o p p 考虑到常规波束形成对阵元误差的较大的宽容性，提出在应用高分辨技术之前， 先用波束形成器对阵元域数据进行预处理，以减小高分辨方法对阵元误差的灵敏 性。这一思想的提出，掀开了高分辨技术发展新的一页。b y m e 和s t l e 考虑到 当环境噪声空间相关时，以特征分解为基础的高分辨方法的方位谱很不稳定，而 通过波束形成器，在所感兴趣的空间区域内就可得到稳定的方位估计。他们从这 角度提出了在进行高分辨方位估计之前，首先用波束形成器对阵元域数据进行 预处理【b 8 州。在文献 b l 8 4 】和 b s 8 7 】中，作者同时还指出了经过波束形成对阵元 域数据进行降维处理后的个显而易见的优点，就是减轻了运算负担，从而提高 了采用多阵元大孔径基阵进行方位估计的实时性【8 。9 9 1 。 波束域高分辨估计方法提出后，针对m u s i c 算法许多学者在这一领域作了 大量卓有成效的研究工作l w 9 0 ，。8 9 0 ，8 ”9 1 2 8 9 ，。8 9 3 ，k z 9 6 ，2 1 ，对波束域m u s l