（信息与通信工程专业论文）时反mimo主动声纳探测关键技术.pdf

浙江大学研究生学位论文独创性声明 册ii i ii f l lli iii l lipiif y 17 5 1 9 0 1 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：恕风签字日期：劢l o 年 6 月io 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或 机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权监 垃可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：缸风导师签名：高 降 、，7 签字日期：加p 年6 月f o 日 签字日期：扣d 年6 月，o 日 - ， k l 致谢 致谢 三年的研究生生涯即将结束，这三年来的生活和学习是我人生中一段宝贵的 经历。在此期间，我不仅学习到了理论知识，提高了科研和动手操作能力，更为 重要的是使我有机会领略学术大家的风范，感受浓烈的学术氛围，让我受益匪浅。 首先我要感谢我导师潘翔副教授。本课题选定以来，潘老师多次询问研究进 程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。潘老师一丝 不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人， 给以终生受益无穷之道。对潘老师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢宫先仪院士，他那旺盛的学术热情和严谨的治学态度永远是我学习的榜 样。站得高，看得远，许多貌似复杂的问题他总能抓住实质，并与所学的理论知 识关联起来，用通俗易懂的语言给我们讲解。感谢徐文老师在开题的时候给予指 点，使我对本课题的研究有了更深一步的认识。感谢李建龙老师在理论学习上的 帮助，给了我很多启发和建议。 在此，我还要感谢在一起愉快度过研究生生活的各位同窗，正是有你们的帮 助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。感谢在实 验期间给我莫大帮助的阎丽明师兄和余子斌、郭小虎、李玉琦、官兴华等同学， 实验中出现的问题有了你们的帮助才能解决；感谢同一实验室的姜哲圣、张江帆、 孙锋、夏梦璐同学，能够和大家一起探讨问题和学习是我的荣幸；感谢童丸丸、 颜瑞、陈建娟、李晓雪和陈淑保同学，谢谢你们的陪伴并给我生活带来快乐。 最后感谢我的父母和家人，感谢你们对我的养育之恩、支持和信任。愿你们 身体健康! 蔡立凤 2 0 1 0 年5 月1 4 日 浙江大学硕士学位论文 ， 摘要 摘要 水声技术是海洋资源开发的有效手段，在军事上也具有重要作用。在浅海波 导环境中，因声波传播存在严重的时延扩展和多普勒频偏，常规声纳的性能下降， 需要研究和发展新的水声信号处理方法。 时反处3 里( t i m er e v e r s a lp r o c e s s i n g ，t r p ) 将海洋自身作为滤波器引入信号处 理框架具有较好的宽容性，多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 处理方法挖掘和利用了目标分集特性，克服信道衰落和目标衰落，增强目标探测 能力。为此本文将二者结合起来，进行t r m i m o 主动目标探测机理研究和实验 研究。 从相干和非相干处理出发，通过三种正交发射信号波形设计获取目标分集特 性，通过时反发射波束形成在抑制混响的同时实现目标回波增强，在接收端利用 时反聚焦波束形成结合匹配滤波实现了对目标的测距。数值仿真和实验室波导实 验证明了t r m i m o 探测方法可以有效地提高对目标的探测能力。此外，基于水 平线阵实现了对目标的测向和测距。 关键字：主动目标探测，时反，聚焦，多输入多输( m i m o ) ，分集 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 i v a b s t r a e t a b s t r a c t u n d e r w a t e ra c o u s t i ct e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v et o o lt oe x p l o i to c e a nr e s o u r c e s ， a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n m i l i t a r y i n s h a l l o ww a t e r , c o n v e n t i o n a ls o n a r p e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t e sd u et ot i m ed e l a ys p r e a da n dd o p p l e rs h i f to fa c o u s t i cw a v e p r o p a g a t i o ni nw a v e g u i d ee n v i r o n m e n t h e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h e d e v e l o p m e n to ft h ea d v a n c e du n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s t i m er e v e r s a lp r o c e s s i n g ( t r p ) i sr o b u s tt oe n v i r o n m e n t a lu n c e r t a i n t i e sd u et o t h eo c e a nc o n s i d e r e da saf i l t e ri n t e g r a t e di n t ot h es i g n a lp r o c e s s i n gs c h e m e o nt h e b a s eo fe x p l o i t i n gt h ea d v a n t a g eo ft a r g e td i v e r s i t i e s ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) p r o c e s s i n gh a ss h o w nt h ea b il i t yo f t h ee n h a n c e m e n to ft a r g e td e t e c t i o nw i t h m i t i g a t i n gt h ec h a n n e lf a d i n ga n dt a r g e tf a d i n g t h e r e f o r e t h ec o m b i n a t i o no ft l 冲 a n dm i m op r o c e s s i n gi si n v e s t i g a t e db a s e do nt h e o r ya n a l y s i sa n dw a v e g u i d et a n k e x p e r i m e n t s f r o mt h ev i e w p o i n to fc o h e r e n ta n dn o n - c o h e r e n tj o i n t l yp r o c e s s i n g ，t h et a r g e t d i v e r s i t yh a sb e e no b t a i n e db yd e s i g n i n gt h r e eo r t h o g o n a lt r a n s m i t t i n gs i g n a l s w i t h t r a n s m i t t i n gt i m er e v e r s a lb e a m f o r m i n g ，t a r g e te c h oi se n h a n c e dw h i l er e v e r b e r a t i o n i ss u p p r e s s e d f o c u s i n gb e a m f o r m i n gi sp e r f o r m e do nt h er e c e i v e ds i g n a l ，a n dt h e n t h et a r g e ti sd e t e c t e df o l l o w i n gb yam a t c h e df i l t e ra n dt h et a r g e tr a n g ei se s t i m a t e db y r e f e r r i n gt o t h et r a n s m i t t i n gt i m e t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e d e m o n s t r a t e dt h ei m p r o v e m e n to fd e t e c t i o no ft a r g e t su s i n gt r - m i m op r o c e s s i n g a p p r o a c h b e s i d e s t h eb e a ra n dr a n g eo ft h et a r g e ta r eb o t he s t i m a t e db a s e do na h o r i z o n t a ll i n e a ra r r a y k e y w o r d s ：t i m er e v e r s a lp r o c e s s i n g ；m i m o ；d i v e r s i t y ；d e t e c t i o n ；s o n a r ； s h a l l o ww a t e r v 浙江大学硕士学位论文 目录 目录 j $ c 谢i 摘要i i i a b s t r a c t v 目录v i i 1 绪论1 1 1 课题背景与意义。1 1 2 国内外研究现状3 1 3 技术路线和研究内容。6 1 3 1 技术路线6 1 3 2 研究内容7 2 信道建模与时反处理9 2 1 信道建模一9 2 1 1 自由场环境9 2 1 2 波导环境一1 0 2 2 时反处理11 2 2 1 时反声场的空时聚焦特性1 1 2 2 2 时反波束形成14 2 3 本章小结16 3 相干与非相干联合处理一17 3 1m i m o 空时编码模型17 3 1 1 目标分集1 7 3 1 2 相干非相干处理1 8 3 1 3m i m o 处理模型2 0 3 2m i m o 的收发和空时联合一2 6 3 3 数值仿真2 9 3 3 1 波形分集2 9 3 3 2 空间分集31 3 4 本章小结3 4 v l l 浙江大学硕士学位论文 4t r m i m o 主动目标探测3 5 4 1 发射波形和波前设计3 5 4 1 1 模糊度函数3 5 4 1 2 正交波形设计3 6 4 1 3 波前设计4 1 4 2 发射聚焦和接收聚焦。4 l 4 2 1 时反发射聚焦波束形成4 l 4 2 2 时反接收聚焦波束形成4 8 4 2 3 发收互动时反目标检测4 9 4 3 匹配滤波5 0 4 4 本章小结5 2 5t r i m i m o 目标检测实验研究5 3 5 1 实验环境及系统设置5 3 5 1 1 实验室波导：。5 3 5 1 2 实验系统构成5 3 5 2 基于p s 和m s 的时反聚焦实验5 5 5 3 分集获取实验5 9 5 3 1 发射分集。5 9 5 3 2 空间分集6 0 5 4t r m i m o 探测实验6 1 5 5 基于水平线阵的m i m o 探测实验6 5 5 6 实验小结6 7 6 总结与展望6 9 6 1 研究总结6 9 6 2 研究方向展望6 9 参考文献7 l 作者简历7 5 v l i i 第l 章绪论 1 绪论 本章着重阐述了时反技术和m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术用于 浅海目标探测的研究意义及本论文的选题背景，总结了时反和m i m o 技术在通 信与目标检测领域的研究现状，并概括介绍了本文的主要研究工作。 1 1 课题背景与意义 地球上有7 0 e 2 上的面积被海洋所覆盖，海洋是人类生存环境的很重要的组 成部分。海洋包含着丰富的生物资源、能源、水资源和金属资源等资源。开发和 利用海洋资源成为各海洋强国的发展战略。在水这一传播介质中，电磁波和光波 的传播由于高衰减率，受到了极大的限制，而声波的衰减相对而言很小，因此发 展水声技术成为了当今热门的研究方向。 在浅海或者近岸海域开展目标探测对水声信号处理是一项挑战，一方面声场 复杂，多途效应严重，航船增多导致海洋环境噪声增大，另一方面目标本身的反 射本领小，通常处于静音状态，如水雷，或者辐射噪声微弱常淹没在海洋背景噪 声之中。这种环境下，被动声纳系统很难有所作为，同时这也对主动声纳系统提 出了更高的要求。浅海水声信道是时变一空变一频变的。不同的介质以及不同的 温度、密度引起的声速变化加上各种散射体前后向散射是海洋成为不确实环境的 重要因素。这时主动声纳发射的有规律的信号经多路径多简正模信道或者该信 道的蜕变形式一一快速衰落失真和时频扩展失真信道传播目标散射后，得到的 回波信号具有原发射信号的时延、多普勒和角度扩展及其变化性，在物理现象上 表现为信道衰落和目标衰落。同时，浅海环境中主动声纳系统面临着强混响的干 扰。为了完成浅海环境下目标探测的任务，将信道建模和信号处理方法结合起来 是唯一的出路。新近出现的时反技术【1 】和多输入多输出( m i m o ) 技术【2 】【3 】【4 】【5 】【6 】为 解决这一问题指明了方向。 在均匀各向同性自由场的环境中，主动声纳利用水平阵发射采用平面波波束 形成的方法产生的波束将能量集中照亮目标，同理，接收到的回波信号也通过平 面波波束形成获得目标的方位信息。但是海洋是一个上受限于空气海洋界面，下 受限于海底的声波导环境。由于波导环境水平对称而垂直不对称的特性，利用垂 一l ，一 浙江大学硕士学位论文 直阵时若仍采用平面波波束形成方法，由于没有实现与波导环境的最佳匹配，发 射的信号不一定在目标位置处聚焦。同样的，接收到的信号因为驾驶向量失配影 响相干增益的获取。匹配场波束形成是适用于垂直阵在波导环境下的处理方法。 但是这种方法是是基于波导环境参数精确已知的处理方法。实际上波导环境参数 具有不确实性，环境参数不可能精确测量，拷贝向量难以准确估计。这一问题可 以通过时反处理来解决。时反处理主要是利用了波方程解的时反不变性，这种不 变性既适用于自由场的环境，也适用于存在多路径的信道。利用时反聚焦特性的 时反处理将“海洋自身”而不是“海洋模型”引入信号处理，既具有匹配场处理 和匹配滤波同样的性能，同时避免因环境失配引起的性能下降，具有较好的宽容 性。而且，信道多途效应越明显，经过时反后的信号聚焦效果越好。时反波束形 成( t i m er e v e r s a lb e a m f o r m i n g ，t r b f ) 将接收到的信号以“先到后发”的方式进行 时间反转，再重新发射出去，最后在声源位置处能够实现波前聚焦和波形压缩【1 1 ， 这是发射聚焦的过程。经目标反射、信道传播后接收到的扩展信号也可利用获得 的信道响应函数通过多路径补偿实现接收聚焦。在浅海波导这样的强散射环境 中，由于虚源效应，时反处理能够获得高分辨力的聚焦。这就为目标检测奠定了 基础 考虑到目标有较大的尺寸并具有复杂的形状和结构，目标衰落是引起主动声 纳性能下降的不容忽视的因素。研究结果表明，水雷目标在不同方位的反射强度 甚至相差2 0 - 4 0 d b ，引起目标衰落。这时，目标不能再建模为点目标，而需要建 模为分布性目标。分布性目标散射的这种起伏特性在常规声纳检测和估计中是讨 厌参量，并不能通过相干积累而克服，从而导致声纳检测和估计性能下降。与时 反处理不同的是，m i m o 利用目标的空间分集特性提高目标的探测能力，仿真结 果表明其性能优于传统的相控阵声纳，具有更高的主瓣分辨力和更低的旁瓣，从 而能够改进角度分辨力并且能提高检测目标的数目。与传统的相控阵或波束形成 的空间处理不同，m i m o 处理在发射模式采用正交信号发射的办法，各阵元彼此 充分分开排列，发射多个不相干信号，从不同角度照亮目标，以减缓目标因分集 造成的目标反射信号的起伏衰落，在接收端则利用不相干回波信号对目标进行检 测与定位。 时反处理挖掘和利用多路径传播知识对目标进行检测和定位，进行相干积累 第1 章绪论 获得相干聚焦增益，但不能克服衰落带来的检测性能下降。而m i m o 处理思想 是基于非相干积累获得非相干分集增益，正视目标存在空间衰落，然后加以充分 利用。将时反处理和m i m o 处理结合起来是本文的主要研究内容，研究成果可 直接运用于国家自然科学基金项目浅海小目标m i m o 探测技术研究，并且为 进一步的主动声纳目标探测研究工作提供技术支持。 1 2 国内外研究现状 时反的研究源于1 9 6 5 年，但是将时反应用于水声领域的实质性研究却开始于 1 9 9 1 年。密歇根大学的j a c k s o n 和d o w l i n g 基于波导中的模分解和压力场对海洋中 的相共轭进行了公式推导【刀。同时，他们也指出了时反具有应用于目标检测和估 计的潜在优势，因为它可以自动的补偿声波在海洋介质中由于海底、海面反折 射、多路径传播引起的扩展，它的空一时聚焦性能可以将发射能量集中于一个很 窄的主波束内，从而有效地增强回波和抑制混响，提高主动声纳的目标检测能力 【8 1 。 近几十年来，将时反运用于水声信号处理成为热门的研究方向。初始阶段的 研究主要集中于理论验证，即假设目标处存在一个探查声源( p r o b es o u r c e ，p s ) 并且在目标位置放置垂直监测阵( v e r t i c a ll i n ea r r a y , v l a ) ，用来监测空一时聚焦 效果以及与自由场假设下的发射相比，回混比的增强情况。时反镜( t i m er e v e r s a l m i m lt r m ) 或者源一接 i 蜂( s o u r c e r e c e i v ea r r a y , s r a ) 是时反处理过程中的重要 设备，它是个收发合置阵，既能接收信号，又可以作为发射阵发射信号。1 9 9 8 年，k u p e r m a n 和他的实验团队在复杂的海洋环境中采用s r a 将接收的信号时反 发射，在p s 处实现了空间的聚焦和波形的压缩，从而验证了时反处理在实际应用 中的可行性【9 1 。实验中s r a 的孔径为7 7 m ，共有2 0 个阵元，水深1 0 0 m ，发射信号 是5 0 m s 的中心频率为4 4 5 h z 的脉冲余弦( p u l s ec o s i n ew a v e p c w ) 信号，距 s r a 6 3 k m 的距离可以观测到稳定的聚焦。p h i l i p p er o u x 对时反的空间聚焦和时 间压缩特性进行了详细的研究，理论推导并实验证明了时反聚焦的空间分辨力的 大小，并和自由场环境进行了比较【1 0 】。时反的聚焦性能以及它的宽容性也是近几 年研究的热点。虽然有p s 时反的实现过程可以不需要任何环境参数、阵的布置情 况等信息，但是时反处理的前提条件是静态环境中波方程的时反不变性和收发互 浙江大学硕士学位论文 易性，因此，当s r a 接收p s 发射信号时的环境与s r a 时反发射信号时的环境发生 变化，时反的聚焦性能将会下降。文献 1 l 】、【1 2 】分别研究了阵变形和阵运动对 时反聚焦性能的影响，文献 1 3 1 、【1 4 1 贝? j 研究了环境变化对聚焦性能的影响并且 提出了宽容性的时反处理方法。时反的空一时聚焦特性保证了它在主动声纳目标 检测和估计应用过程中的潜在优势s k i m 仿真和实验研究了时反发射回波增强 和混响抑制效果，结果显示，与正横发射相比，时反发射在发射声源级低的情况 下，产生了量级较低的混响，但却在目标处产生了较大的入射能量，有效地提高 了目标回混比【蝤】。近来人们开始从统计信号处理的角度出发来研究时反，将其从 物理过程的分析纳入信号处理的范畴，推动时反的发展【16 】【1 7 1 。国内也一直关注 着时反的研究【1 她2 1 。我们的研究团队在宫先仪院士的带领和指导下，经过老师和 同学的共同努力，在时反探测领域从最初的物理聚焦到宽容t r b f ，做了多项理 论研究和多次实验室波导、湖上试验，发表了多篇学术论文1 2 3 - 2 9 1 。 相对时反而言，m i m o 技术在水声声纳方面的应用研究相对滞后m i m o 技 术首先在通信中有出色的表现，在水声中利用时反处理的空一时聚焦特性开展 m i m o 主被动时反通信研究，突破了水声信道的通信容量的限制 3 0 1 。在3 l 】中， a b b a g g e r o e r 利用发射阵的分集技术进行m i m o 通信研究，提高5 0 的通信速 率。在通信中，m i m o 技术可有效的利用信道随机衰落和可能存在的多径传播， 将传统通信中存在的多径影响因素转变成对用户通信性能有利的增强因素，因而 可以在不额外增加占用信号带宽的前提下为通信的性能带来成倍的改善。 m i m o 技术在通信领域中的成功激励了人们考虑将它应用于雷达。m i m o 技 术在雷达中的应用大约始于2 0 0 3 年。e r a n 指出m i m o 技术不仅在改善通信系统 性能上有潜力，还可以应用于雷达，通过捕获目标散射在空间上的起伏特性可以 有效提高雷达的性能，并初步描绘了m i m o 雷达的配置，发射阵上具有多个分离 的很远的阵元，每个阵元独立发射一个空间正交信号，照射目标的一个不同的空 间方向( a s p e c t ) ，而接收阵采用常规的密排阵( 例如半波长布阵) 以便于方位检 测，m i m o 雷达的性能通过评价方位估计均方误差i 均c r a m e r - r a o 性能限进行，分 析结果表明m i m o 雷达在方位估计上较常规的雷达具有更优越的性能【2 1 。 s a m m a r t i n o 在研究m i m o 雷达目标模型时，将m i m o 雷达技术归纳为两大类，空 i 晤 m i m o 和频率m i m o 。空i 百 m i m o 是指发射阵元和接收阵元空间分离较远，主 4 第l 章绪论 要开发利用目标闪烁特性，获得空间分集增益；而频率m i m o 则是指发射与接收 同地，主要开发利用目标的频率特性，利用的是波形分集增益【3 2 1 。同时，他还指 出只有同时利用空间、频率、时间波形编码，以及进一步组合利用极性分集，才 能获取完整的环境信息，从而可提供最有效的目标检测和参数估计手段。j i a nl i 综述了近几年来频率m i m o 雷达所取得的进展，指出了波形分集的潜在优势：能 显著提高参量辨识能力；可以直接应用于目标检测和参数估计的阵自适应处理算 法；可以更灵活的设计发射波束图【3 3 1 。a l e x a n d e r l ) l , 0 综述了空间m i m o 雷达的进展， 指出利用非相干处理获取的空间分集增益可以有效提高闪烁目标的检测和参数 ( 如到达角和多普勒等) 的估计性能，而如果利用m i m o 相干处理，则在目标定 位中能获取超过波形本身提供的分辨能力【3 4 1 。进一步，a l e x a n d e r 提出在信道间 相关衰减系数较大的情况下，可通过增加发射阵元数来获得发射分集【2 1 ，这更接 近于实际雷达环境。 主动声纳的工作机理与雷达有着异曲同工之处，因而m i m o 技术有望成为 在信道衰落和目标衰落环境提高主动声纳性能的一项有力措施。宫先仪院士在 2 0 0 8 总装备部科技委年会提出了波导m i m o 声纳概念。波导m i m o 声纳在海洋 环境中通过发射阵同时发射多个独立或不相干的信号，并用多个接收阵接收，以 这种多输入多输出的方式作指向性图和模糊度函数可自适应控制空间和时间处 理，对水雷目标进行探查、检测和定位。文献4 1 中b e k k e r m a n 面向雷达和声纳 提出了共同适用的m i m o 检测和定位方法，通过生成虚拟基元扩大阵孔径，获 得窄波束，在广义似然比检验( g e n e r a l i z e dl i k e l i h o o dr a t i o t e s t , g l r t ) 框架下进 行目标检测，利用最大似然估计( m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n m l e ) 估计目 标方位并推导了c r a m e r - r a o 性能限。 对于m i m o 雷达或m i m o 声纳来说，无论是空间m i m o 还是频率m i m o ，关 键在于一个“多”字，多样的波形和多样的波前设计f 6 】【3 5 1 。发射信号的波前可通 过对多个发射信号的相关矩阵来描述。若不具备信道环境知识，则利用m i m o 技 术，利用多个发射阵元在空间上无指向性发射探查信号( 此时相关矩阵为单位 阵) ，以获得环境知识。在获取了信道环境的先验知识，则通过适当调节发射信 号间的相关性以达到与环境的匹配提高m i m o 雷达声纳的性能。文献f 6 1 f 3 3 1 提出 了波束图匹配、低旁瓣的发射波束模式图设计等方法来考虑信号波前的相关矩 浙江大学硕士学位论文 阵，提高了自适应m i m o 探测性能。 近年来，尽管m i m o 雷达的研究如火如荼，但作为一种新体制雷达，目前 还处于原理性和可行性研究阶段，鲜有实验研究的报道。在模型中仅考虑自由场 环境，噪声简化为高斯白噪声。面向声纳应用的处理框架也刚刚建立，其与水声 信号处理的特殊性还未很好地挂钩。尤其是与时反技术的结合几乎没有涉及。只 是在 3 6 】提出了一种伪时反m i m o 的方法，利用时延使能量聚焦在目标处，增加 信噪比。本毕业设计课题结合之前承担的“m 1 m o 时反水声通信”( 自然科学基 金资助) 研究体会，尝试将m i m o 处理模型和时反技术相结合用于浅海目标探 测进行研究，希望通过本项目的研究和探索，为目标探测开辟新的路子，同时推 动m i m o 探测技术进一步发展。根据互联网检索获悉，国内较少有开展m i m o 探测技术研究的报道，在【3 7 】中，仿真和验证了生成非相干分布源的数学模型并进 行了入射信号的方位估计。在 3 8 1 q ，介绍了一种基于e s p r i t 的算法对双基地 m i m o 雷达系统的离去角和到达角的联合估计，并通过三个发射机结构的设计， 克服空间有色噪声。 1 3 技术路线和研究内容 1 3 1 技术路线 本论文的主要技术路线如图1 1 所示。首先设计正交的发射波形，与t r b f 结合形成多样的发射波前，发射正交的信号聚焦在目标的不同截面，经目标反射 和信道传播后，利用时反驾驶向量对接收信号做接收聚焦，通过匹配滤波器分辨 相互正交的信号。这是相干处理的思想。最后将匹配滤波器的输出能量进行非相 干叠加，实现非相干处理，从而将相干处理和非相干处理结合，提高目标检测性 能。 6 第1 章绪论 1 3 2 研究内容 l 一一一一一一一 非相干处理 图1 1 论文技术路线 本论文立足将信道建模与信号处理联合，开展时反与m i m o 结合的主动目 标探测研究。主要研究内容如下： 第一章绪论介绍了本课题的研究意义，分析了国外的研究现状和未来的发展 方向，简洁的给出了本文的研究路线和研究内容。 第二章主要论述了信号传播模型与时反处理原理。给出了水声信道的两种典 型环境即自由场和波导环境下的信道建模方法，由波动方程引申出时反处理和 t r b f ，并归纳到信号处理范畴，最后将其与常规的平面波波束形成和匹配场波 束形成技术进行对比。 第三章提出了相干与非相干联合处理框架，研究了目标分集获取方法，通过 结合相干和非相干处理方法，提高目标检测性能。基于分布式m i m o 声纳和共 址m i m o 声纳分别讨论了其空间分集增益和波形分集增益。最后从驾驶向量和 波束模式的角度分析m i m o 的发射一接收、空间一时间联合处理，并与常规声 纳系统的波束图进行比较。 第四章将时反处理与m i m o 处理联合进行主动目标探测研究。给出了正交 波形设计的三种方法，并从自相关函数和互相关函数的角度进行了性能分析。发 射正交信号在目标不同截面处空时聚焦，对回波信号匹配滤波处理分辨出不同发 浙江大学硕士学位论文 射信号，进行相干和非相干处理，同时获得聚焦和分集增益，提高目标的回混比。 在实际检测问题中，时反处理中的p s 可以由模拟声源( m o d e l i n gs o u r c e ，m s ) 替代，通过声场模型计算获得驾驶向量，形成时反发射波束。经过有效初始照射 后，目标可以看成是二次声源，利用目标反射回波引导，再次进行时反接收聚集、 实现回波信号增强。在不确实环境中进行了宽容t r b f 的初步研究。 第五章主要介绍t r - m i m o 主动目标探测的实验研究。分别研究了p s 和 m s 导引的声场的时反聚焦特性。验证了宽容的时反发射聚焦波束形成方法。在 目标和发射分集获取研究的基础上，进行了t r m i m o 框架下的主动目标探测实 验。对于水平线阵初步进行了m i m o 处理下的方位估计和距离估计。 第六章对本文的研究内容和取得研究成果进行了总结，对理论分析和实验研 究中发现的问题，给出了初步的研究思路。 第2 章信道建模与时反处理 2 信道建模与时反处理 2 1 信道建模 根据l l s c h a r d 3 9 】关于n e y m 粕p e a r s o n ( n p ) 准则指导下最佳检测器的论述， 我们知道检测器和估计器的核心运算是滤波，即经过空间处理( 波阵面的处理一 波束形成) 和时间处理( 波形的处理一匹配滤波) ，提取有关信息，作出某种判 决。波场表征是为了对这种波阵面波形空一时结构性信息作建模，增加观察 数据的模型性知识，获取驾驶向量。对于声场的建模是基于对于海洋环境的认识 展开的，然而随着获取知识的增加，其不确实性也在增加。因为海洋本身就是一 个动态随机加上边界复杂的场。但是，只有捕捉了这种不确实性，才能获取准确 的知识。水声信号处理和声场建模是紧密联系在一起的，只有正确的对声场进行 表征和建模才能进行可靠的声信号处理。根据声场的复杂程度，海洋信道可表征 为自由场环境、波导环境和动态不确实波导环境。下面对信道建模的几种方法进 行分析。 2 1 1 自由场环境 在最简单的自由场环境中，我们做了两点简化假设。首先，假设信号由一个 点源产生：即源的大小与源到测量信号接收阵元之间的距离很小。其次，假定源 位于远场，即离接收阵列很远，以至于球状波可以合理的近似为平面波。假定有 一间隔为d ，入射信号源角度为织，波长为a ，阵元数为m 的均匀直线阵接收 信号。由于平面波传播到每个阵元的距离差是相对于吮的函数，则阵响应向量可 表示为： v ( 织) = 击 如啊列唑膨( 价叫觚m ( 2 1 ) v ( 嗔) 是先验已知的、确定性的，反映着平面波条件下阵元间时延相移的简 单关系。 9 浙江大学硕上学位论文 2 1 2 波导环境 海洋是一个声波导，其物理参数涉及到很多参量，但是归根结底可以表示为 海洋的声速结构，它决定了水层波导的折射情况。水层和底部特性联合决定了声 传播路径。水声学中应用最广泛的四种传播模型是基于声波方程的四种数学解 ( 不同物理角度的观察描述) 。多种模型同时存在的原因就是试图寻找针对不同 频率和环境的有效算法。当然，模型计算的结果仅仅是对输入的环境而言的。而 这个事先描述的环境是不会随时间变化的，但是实际的海洋环境显然是存在起伏 的，这是确定性模型所不能解决的，所以模型的输出只是对声场在平均意义上的 预测，这也是寻求宽容性信号处理的必要。 常见的四种波传播模型分别是：射线理论、谱方法快速场算法、简正模和 抛物线方程。它们都是针对波方程( 2 2 ) 在不同假设和条件下的一种近似，适 用于不同的环境。 v ：p ( 彬) 一占堡粤：0 ( 2 2 ) c o t 式中：c 为声速，p ( r ，f ) 为时域声压值，为声源到测量处的距离。 波方程是单参量单变量的偏微分方程，因为其参量和变量都是空间( r ，z ) 和 时间f 的变量，所以解起来存在很大的困难。通常我们认为声压是简谐解的形式， 对其进行空时变量的分离，简化为解空间三维变量的h e l m h o l t z 方程。其过程见 下图2 1 所示。下面对简正波模型进行公示推导，其他模型的计算可参考文献 4 0 。 巨三习 波方稷 巨三二歪三夏至 简谐辫 心，一“善搿 。r。a。n。g。e。”-也。-。p。c。n。d。m。a。t(。3。“。d。) ( ，：) ；o ( ，) 甲( ：) r a n g c - a n 蛳n d e n t p ( r ，。) = 缈( ，= ) 联1 ( 氕，) 热馘爵趸蒂赫镒诵：j 百：) 简藏模摸搿 被皴积分 抛锈线方摆 图2 1 波方程求解示意图 第2 章信道建模与时反处理 基于简正波模型，在频域的波动方程可写为： 2 一k 2 g ( ，z ) = 0 ( 2 3 ) 式中g ( ，z ) 为格林函数； k 2 = 国2 c 2 ( z ) 为波数，仞为信号源角频率，c ( z ) 为声 速梯度。利用分离变量法，设g ( ，z ) = 咖( ，) 少( z ) ，将其代入式( 2 3 ) 经整理可得到 深度3 - 程( 2 4 ) 和距离方程( 2 5 ) ： t 0 2 t ( z ) + 后：2 少( z ) ：0 ( 2 4 ) 挈堕+ ! 掣+ k r ：痧( ，) ：o ( 2 5 ) o r ro r 式中t 、七分别为波数的水平分量和垂直分量，它们满足： k r 2 + k 一2 = k 2 ( 2 6 ) 式( 2 4 ) 是经典的s t r u m l i o u v i l l e 特征值问题。式( 2 5 ) 是一阶b e s s e l 方程，其解为 零阶h a n k e l 函数。假设激励声源位于水下z s 处，在远场条件下，忽略时间因子 e - j 。，它产生的声场可近似为： ，z ) 而i e - , 喜少小芦小) 菇 ( 2 7 ) 式中p 为介质密度，j i 。为第朋号水平波数。其值可作为驾驶向量对波导环境进 行匹配场处理。 在动态不确实海洋波导环境中，其阵响应向量应当视为未知确定性或随机性 的，不能只是由模型先验求得，而应当采取模型和数据的结合，得到相应的估计 驾驶向量。 2 2 时反处理 2 2 1 时反声场的空时聚焦特性 时反处理技术利用了声场的可逆性原理和声波的传播特性以及线性波动方 程的时反不变性【4 1 1 。利用波导方程解的时反不变性，假设p ( r ，f ) 是式( 2 2 ) 的解， 嚣一冀淼谶露 毙蝴龇雌号按先到后发、后到纂毒：三：尊s 趴盯佧元构 兰嚣嚣沁殿雅号在声场中的二：嚣：篡摹筹茎竺弯 s r a 的距离为月。 “1o 阻于尔f z p s 处，与 豳2 2 时反处理示意宙 林函：；s发射信号为s(t),3h别es到sra,-2t$2 c = ，2 ，个阵元处的信道格g ( r 枇炯。, 5 , 彩) 懈腓喇的淼篡三州趟格 ：二慧黧絮竺嘲嗍撕反篡 轧姚于粉蝇因嗽发射信毒= 铋删黻椴 t ( 叫= 5 ，g ( 月，弓，c o ) 时反发射后在观测点，处的声压场在频域表示为： ( 2 9 ) 嘞乞叫= 姜s ( 叫g ( 忍啪p 石彩1 它是，个阵元产生的时反声场的综合效果，对应的时域表示为 ( 2 io ) 铀删= 善去p 蛳n 删缈锄 ，、 慨 第2 章信道建模与- e t , j - 反处理 聃石纠：荟j 萎m n 垡掣掣e 喇( p 呐 ，= l ln = l p 、庀m 庀h r r 在理想情况下，s r a 垂直布满整个波导且充分采样，利用模深度函数的正 交性质： j c 9 ( z ) 匕( z ) i p d z = 万( 行一聊) ( 2 1 3 ) 取y = m 并在上积分得到： 岛( ，z ，功) 姜鬻e x p ( 腩。o r ) ) s ( 缈) ( 2 1 4 ) 当，= r 时 冰石小薹警协 ( 2 1 5 ) 对于能在波导中传播的有效简, - f 模，七近似为常数。同时， m ( z ) 匕( 乙) p 万( z 一乙) m = l ( 2 1 6 ) 最后，k ( 2 1 5 1 近似为 尸豫( 足乙c o ) = ( z 一乙) 9 ( 缈) ( 2 1 7 ) 式中a 为一常量。求式( 2 1 7 ) 的傅里叶反变换得到时域的声压场如下： 砌( 足乙f ) = 做z o s ( - 0 ( 2 z 8 ) 很明显，当z = 2 s 时，有下式成立： p 豫( r ，z ，t ) = a s ( 一f ) ( 2 1 9 ) 由式( 2 17 ) 和( 2 1 9 ) 可见，通过，= r 和z = 2 s 完成时反发射信号在声源位置处 的空间聚焦。从式( 2 1 9 ) 又可见，时反发射信号在声源位置处的信号波形表现为 源信号在时间上的反转形式，克服了多途径传播产生的信号在时间上的扩展。 下面通过数值仿真验证时反的空时聚焦性，考虑一个p e k e r i s 波导，波导深度 d = i 4 1 m ；水体声速1 5 0 0 m s ；海底声速1 6 0 0 m s 。p s ( 深度0 6 m ，距离时反阵1 0 m ) 发射信号为中心频率】o k h z 的p c w 信号，脉冲持续时间i r e s 。3 2 元s p a 在深度 浙江大学硕士学位论文 o 0 4 m 一1 2 4 m