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基于矢量水听器的圆柱阵波束形成方法

作　者: 李冬方
导　师: 方尔正
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 矢量圆阵圆柱阵波束形成 MVDR算法 MUSIC算法 ESPRIT算法
分类号: U666.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 26次
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内容摘要

圆柱阵在水下的声纳系统和航空的飞行器雷达系统中都有着非常广泛的应用，由于现代潜艇隐身技术飞速发展和海洋资源开发的实际需要，声纳系统的目标探测和定位跟踪能力需要进一步的提高，因此研究圆柱阵的波束形成方法和提高圆柱阵信号处理性能是很有必要和实际意义的。矢量水听器凭借其能同时测量声压和振速信息的优势在直线阵中已经被广泛应用并且取得了很好的效果，因此本文以声压圆阵和圆柱阵为基础，通过理论推导、Matlab仿真验证和外场实验数据处理三种方式研究基于矢量水听器的圆阵和圆柱阵针对窄带和宽带的波束形成方法，讨论了矢量圆柱阵相对于声压圆柱阵的性能提升情况。本文根据实际的研究内容分为以下几部分：1.矢量圆柱阵的数学模型的建立：建立声压圆阵和圆柱阵的数学模型，分析圆阵和圆柱阵的方向图之间的关系和方向图特性，在此基础上建立矢量圆柱阵的数学模型，理论推导和仿真验证了矢量圆柱阵相对于声压圆柱阵在空间指向性，阵增益和方位估计的克拉美罗下界方面都有明显的优势。2.理论研究和仿真分析验证矢量圆阵和圆柱阵不同的窄带和宽带波束形成方法：针对窄带信号，首先研究矢量圆阵和圆柱阵的模式空间变换方法和经过模式空间变换后的实值MUSIC方法以及ESPRIT算法，并和声压圆阵进行对比分析。然后研究矢量圆柱阵的声压、振速以及联合处理的MVDR方法和高分辨力MUSIC算法并进行仿真验证，最后研究非空间ESPRIT算法在矢量圆柱阵上的应用。对于宽带信号主要是研究矢量圆阵模式空间变换的宽带算法和矢量圆柱阵的TCT算法。3.实验数据处理：应用以上研究的方法对实际的湖试数据进行处理，验证各种算法在实际应用中的性能和效果。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 波束形成发展概况  10-11
  1.3 矢量传感器和矢量传感器信号处理发展概况  11-12
  1.4 论文研究内容  12-14
第2章声压圆柱阵的方向图特性  14-24
  2.1 圆柱阵的数学模型  14-16
    2.1.1 窄带远场信号的数学模型  14-15
    2.1.2 圆柱阵模型分析  15-16
  2.2 圆柱阵的方向图函数及仿真  16-23
    2.2.1 圆阵的方向图特性  17-18
    2.2.2 圆柱阵的方向图特性  18-20
    2.2.3 仿真分析  20-23
  2.3 本章小结  23-24
第3章矢量圆柱阵的数学模型和分析  24-36
  3.1 矢量信号处理的基本理论  24-25
    3.1.1 声压、振速相关性  24-25
    3.1.2 各向同性干扰声场中声压和振速的相关性  25
  3.2 基于矢量水听器的圆柱阵数学模型  25-26
  3.3 矢量圆柱阵的组合指向性  26-30
    3.3.1 单个矢量传感器的指向性研究  26-27
    3.3.2 矢量圆柱阵组合指向性研究  27-30
  3.4 矢量圆柱阵增益分析  30-33
    3.4.1 圆柱阵空间增益  30-31
    3.4.2 圆柱阵时间增益  31-33
  3.5 矢量圆柱阵的 CRB 分析  33-35
    3.5.1 CRB 介绍  33-34
    3.5.2 仿真分析  34-35
  3.6 本章小结  35-36
第4章矢量圆柱阵的波束形成  36-61
  4.1 矢量圆柱阵基于模式空间的波束形成  36-46
    4.1.1 均匀声压圆阵的模式空间变换理论  36-37
    4.1.2 矢量圆阵和圆柱阵的模式空间变换  37-39
    4.1.3 矢量圆阵模式空间的实值 MUSIC 方法  39-42
    4.1.4 矢量圆阵的模式空间 ESPRIT 方法  42-44
    4.1.5 仿真分析  44-46
  4.2 矢量圆柱阵的 MVDR 波束形成  46-49
    4.2.1 圆柱阵与矢量圆柱阵的 MVDR 波束形成器  46-47
    4.2.2 矢量阵不同组合的 MVDR 波束形成器  47-48
    4.2.3 仿真分析  48-49
  4.3 矢量圆柱阵基于 MUSIC 算法的波束形成  49-52
    4.3.1 圆柱阵与矢量圆柱阵常规 MUSIC 算法的波束形成  49-50
    4.3.2 矢量圆柱阵不同组合的 MUSIC 算法的波束形成  50-51
    4.3.3 仿真分析  51-52
  4.4 矢量圆柱阵的非空间 ESPRIT 算法的波束形成  52-55
    4.4.1 非空间 ESPRIT 方法原理  53-55
    4.4.2 仿真分析  55
  4.5 矢量圆柱阵的宽带信号的波束形成  55-60
    4.5.1 宽带信号模型和 CSM 类方法模型  56
    4.5.2 矢量圆阵模式空间变换后的宽带信号波束形成方法  56-57
    4.5.3 矢量圆柱阵的宽带聚焦 TCT 算法  57-58
    4.5.4 仿真分析  58-60
  4.6 本章小结  60-61
第5章圆阵的波束形成数据处理  61-70
  5.1 实验概况  61-62
  5.2 实验数据修正  62
  5.3 实验数据处理  62-69
  5.4 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  75-76
致谢  76

基于矢量水听器的圆柱阵波束形成方法

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