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具有高稳健性的浅海目标方位估计方法研究

作　者: 宋海岩
导　师: 朴胜春
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 矢量最优化稳健性高分辨自适应波束形成多途
分类号: U666.7
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

声纳系统作为对水下目标进行检测、定位及跟踪的重要设备已被广泛应用。在复杂的海洋环境下，对水下目标实现准确而稳健的高分辨方位估计，是新一代声纳迫切需要解决的关键技术。环境及声纳系统参数的失配影响了浅海高分辨方位估计方法的性能。本论文将海洋声传播物理模型与稳健自适应波束形成方法相结合，以克服参数失配对方位估计性能的影响。首先，本文利用联合对角化这一数学工具，分别构造空时相关矩阵组和高阶累积量矩阵组的联合对角化结构，通过统一的Jacobi旋转正交联合对角化方法，重新获得联合特征值并对空间谱进行修正，以提高高分辨算法在噪声环境下的方位估计性能。其次，本文考虑优化准则和多种失配因素的影响，提出矢量最优化稳健波束形成方法，有效地改善算法的方位估计性能，通过理论分析可证明该方法可将主流的稳健自适应波束形成算法整合至矢量最优化的整体框架下。文中推导了利用二阶锥规划求解矢量最优化约束问题的表达式，进一步研究了求解矢量最优化稳健波束形成最优权系数的Lagrange快速算法，得到权矢量的近似解析式，并讨论影响最优对角加载因子的各个因素之间的关系，证明了该算法广义上属于对角加载类方法。数值仿真及实验研究表明该方法在约束参数的选取上具有更强的宽容性，在存在相同方位估计偏差的条件下，具有不低于其他主流对角加载类算法的输出信干噪比性能。同时，在相同的信噪比、快拍数以及导向矢量误差条件下，该算法具有更高的谱峰与最大旁瓣比，更窄的-3dB波束宽度，可明显改善算法的分辨能力及对噪声干扰的抑制能力。再次，本文针对高频近程声纳系统的应用情况，利用虚源理论建立了基阵信号模型并分析了多途效应对方位估计的影响，结合矢量最优化稳健波束形成在约束参数选取宽容性好及稳健性高等方面的优点，提出了一种基于射线理论的矢量最优化浅海稳健方位估计方法。该方法在充分考虑多途信道特点的基础上，进一步考虑实际模型失配的影响，对实际源矢量施加约束条件，以提高高分辨方位估计方法在失配条件下的稳健性。仿真及实验结果表明，该算法在沉积层声学参数不确定、海水深度不确定以及存在导向矢量误差等因素的条件下，具有更为尖锐的谱峰及更低的旁瓣水平，更高的空间分辨能力及更强的噪声干扰抑制能力。最后，本文针对浅海远程探测声纳系统的应用情况，利用简正波理论，建立了符合浅海声传播特点的基阵信号模型，应用矢量最优化方法对阵列源矢量施加约束条件，以提高高分辨方位估计方法在海水跃变层深度、海水深度及声速梯度等环境参数失配下的稳健性。文中对该算法的空间谱结构、PSR、-3dB波束宽度、成功概率及方位估计偏差等进行了详细的讨论和分析。仿真结果表明，该算法在不同信噪比、入射方位角以及海水跃变层深度、海水深度及声速梯度等不确定条件下，均具有更为尖锐的谱峰及更低的旁瓣水平，并可保持较高的成功概率和方位估计精度。本文将信道模型及稳健自适应方位估计方法相结合，提出了具有高稳健性的浅海方位估计方法，明显提高了在模型失配下的高分辨方位估计性能。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-24
  1.1 研究背景及意义  12
  1.2 阵列信号处理的发展历史及研究现状  12-17
    1.2.1 高分辨算法及其分类  12-14
    1.2.2 稳健自适应波束形成  14-17
  1.3 浅海方位估计问题研究热点  17-22
    1.3.1 声场计算模型  17-19
    1.3.2 基于模型的信号处理方法  19-22
  1.4 论文研究内容  22-24
第2章基于联合对角化的方位估计方法  24-40
  2.1 引言  24
  2.2 基于二阶累积量联合对角化的方位估计方法  24-29
    2.2.1 空时相关矩阵联合对角化结构  24-25
    2.2.2 相干源联合对角化结构  25-27
    2.2.3 Jacobi 旋转正交联合对角化方法  27-28
    2.2.4 联合特征值估计及空间谱修正  28-29
  2.3 基于高阶累积量联合对角化的方位估计方法  29-33
    2.3.1 高阶累积量矩阵组联合对角化结构  29-30
    2.3.2 相干源联合对角化结构  30
    2.3.3 高阶累积量组联合对角化方法  30-32
    2.3.4 联合特征值估计及空间谱修正  32-33
  2.4 性能分析  33-38
    2.4.1 二阶累积量联合对角化方位估计方法性能分析  33-35
    2.4.2 高阶累积量联合对角化方位估计方法性能分析  35-38
    2.4.3 导向矢量误差和基阵相位不一致性方差的关系  38
  2.5 本章小结  38-40
第3章矢量最优化稳健自适应波束形成  40-76
  3.1 引言  40
  3.2 凸优化问题  40-42
    3.2.1 凸优化问题  40-41
    3.2.2 二阶锥及二阶锥规划  41
    3.2.3 矢量最优化问题及正则化方法  41-42
  3.3 经典稳健自适应波束形成算法  42-46
    3.3.1 线性约束最小方差法  42
    3.3.2 特征子空间法  42-43
    3.3.3 对角加载法  43-46
  3.4 基于矢量最优化的稳健自适应波束形成  46-49
    3.4.1 矢量最优化约束优化问题  46-47
    3.4.2 正则化求解  47-48
    3.4.3 最优权矢量及空间谱  48-49
  3.5 Sedumi 和 Lagrange 求解结果对比分析  49-51
  3.6 波束输出时域波形特性分析  51
  3.7 稳健性对比分析  51-65
    3.7.1 输出信干噪比  51-58
    3.7.2 谱峰与最大旁瓣比以及-3dB 波束宽度  58-64
    3.7.3 空间谱对比分析  64-65
  3.8 湖试试验研究  65-75
    3.8.1 试验概况及系统参数设置  65-67
    3.8.2 试验数据处理及结果分析  67-75
  3.9 本章小结  75-76
第4章浅海多途条件下的稳健方位估计方法  76-100
  4.1 引言  76
  4.2 基于射线理论的阵列信号模型  76-81
    4.2.1 射线模型下的声压场  76-78
    4.2.2 水平线阵接收信号模型  78-81
  4.3 基于矢量最优化的浅海稳健方位估计方法  81-84
    4.3.1 稳健性算法的提出  81-82
    4.3.2 稳健性算法的 Sedumi 求解  82-83
    4.3.3 稳健性算法的 Lagrange 快速求解  83-84
    4.3.4 稳健方位估计结果  84
  4.4 多途影响分析  84-89
  4.5 射线模型下的稳健性对比分析  89-96
    4.5.1 环境及系统失配下的空间谱分析  89-91
    4.5.2 PSR 和-3dB 波束宽度随不同入射角的变化关系  91-93
    4.5.3 失配条件下的 PSR 和-3dB 波束宽度统计性能分析  93-96
  4.6 海试试验数据处理  96-98
    4.6.1 试验数据方位估计结果  96-97
    4.6.2 试验数据处理空间谱图  97-98
  4.7 本章小结  98-100
第5章基于简正波理论的浅海稳健方位估计方法  100-122
  5.1 引言  100
  5.2 简正波模型  100-105
    5.2.1 声压场  100-103
    5.2.2 基阵接收信号模型  103-105
  5.3 基于矢量最优化的浅海稳健方位估计方法  105-108
    5.3.1 稳健性算法的提出  105-106
    5.3.2 稳健性算法的 Sedumi 求解  106-107
    5.3.3 稳健性算法的 Lagrange 快速求解  107-108
    5.3.4 稳健方位估计结果  108
  5.4 简正波模型下的多途影响分析  108-110
  5.5 简正波模型下的稳健性对比分析  110-121
    5.5.1 谱峰与最大旁瓣比以及-3dB 波束宽度  110-114
    5.5.2 空间谱分析  114-115
    5.5.3 成功概率及方位估计偏差  115-121
  5.6 本章小结  121-122
结论  122-125
参考文献  125-135
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  135-136
致谢  136

具有高稳健性的浅海目标方位估计方法研究

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