恒定束宽波束形成及宽带DOA估计应用研究（可复制论文）.pdf

相干源波束域估计的实时处理。
关键词阵列信号处理宽频带高分辨波束域估计
恒定束宽波束形成
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西北工业大学硕卜论文
第一章绪论
研究目的和研究意义
阵列信号处理作为水声信号处理的一个基本环节,要在背景噪声中检测信
号并估计信号参数,如信号源数目、方位、波形等。主要内容包括形成波束,
获得空间增益,抑制干扰,为后置信号处理环节提供良好的波形,同时估计目
标参数,为目标定向跟踪提供方位信息。
在国防建设中,研制新一代声纳和自导鱼雷等先进设备,进行电子对抗,
实现目标精确定位是一个非常重要而且需要迫切解决的问题,这就要求提高检
测微弱信号的能力、目标参量精确估计的能力和目标识别能力等性能。鉴于宽
频带信号具有目标回波携带的目标信息量大,混响背景相关性弱,有利于目标
检测,参量估计和目标特征提取等特点,从而采用宽频带信号形式称为解决上
述问题的有效途径。
宽频带信号通过一个设计好的基阵时,会有高频能量的损失,引起信号波
形畸变,这对于信号检测、参量估计和目标识别等信号处理均会产生不良影响。
因此需要设计恒定束宽阵,使得在信号带宽内,基阵对信号的响应特性不随频
率改变,为后置信号处理环节提供良好的波形。迄今为止,国内实际应用的水
下目标探测与跟踪系统均采用常规方法进行目标参数估计。常规方法虽然具有
运算量小、实时性强等突出特点,但是目标分辨力和参数估计精度已经难以满
足实际工程应用中不断提高的工作性能要求。因此迫切需要估计精度高、分辨
能力强的新技术,并且出于工程实际应用的考虑,要求算法的运算量要小,以
便能够满足实时性的要求。目前,国内宽频带技术的研究尚处于起步阶段,因
此对于宽频带信号处理技术的探索具有十分重要的现实意义。
论文在国防科技“十五”重点预研项目的资助下,从实际工程应用的角度
出发,针对宽频带恒定束宽波束形成以及宽带源估计等技术进行了系统、
深入的理论分析、计算机仿真和实验室硬件实验研究。
研究背景以及发展现状
阵列信号处理的一个基本问题是确定感兴趣的信号的方位,也是雷达、声
一一
西北工业大学硕士论文
纳等许多领域的重要任务之一。关于这方面的研究已有相当长的历史,最早出
现的处理方法是波束形成法,此类方法目前仍广泛应用于声纳、雷达等系统。
这类方法虽然运算量小,适用范围广,但是估计性能十分有限,目标分辨能力
受到瑞利限的制约,无论信噪比多高,观测时间多长,都无法分辨位于一个波
束宽度内的多个目标,更无法精确确定它们的方位难以满足多目标高分辨精
确定位的技术要求
后来出现的高分辨处理技术解决了这一问题,如子空间类方法,也称特征
结构类方法。该类方法基于协方差矩阵特征分解理论,引入信号子空间和噪声
子空间的概念,根据信号子空间与噪声子空间的正交性进行谱估计。只要观测
时间足够长,信噪比足够高,假设模型准确,就可以获得理论上与阵列孔径无
关的分辨能力,并可用于任意形状的阵列,突破了瑞利限的制约,使目标分辨
能力显著提高,具有良好的参数估计性能。代表方法有法【
法法等。这类方法已经成为阵列信号处理领域中的研究热点。
为了实现算法的实时实现,关键问题是降低运算量。’为解决这一问题。产
生了波束域高分辨处理以及基于多项式求根的方位估计方法。波束域处理
是利用波束形成,把阵元输出的维阵元空间转换为维的波束空间
为波束数目,为阵元数目。若有个信号源,则有。因此形成的协
方差矩阵的维数降低了,从而使得特征结构类方法的运算量大大降低。此外,
波束域处理也改善了分辨的信噪比门限,提高了估计性能。对于均匀线列阵,
谱搜索可以用多项式求根代替,这就出现了方法〔,它与
方法相比,分辨力有所改善,而且计算简化。
在多目标定向中,一般来自不同方向的信号是不相关的。但是在多途传播
或人为千扰的军事环境中。不同方向来的信号可能是相关的,甚至完全相关相
干。这时,以上介绍的高分辨算法便不能适应。因为这些高分辨算法都是以采
样协方差矩阵为基础的,当强相关或相干信号源存在时。采样协方差矩阵是降
秩的,从而导致算法不能适用。为此,等人提出了空间平滑技术【其
目的在于消除因相干信号存在而导致的基阵协方差的奇异性,为获得这种非奇
异性所付出的代价是牺牲基阵的有效孔径。对于个源,一般方法要求最少阵
元数目为,而使用空间平滑技术,要求阵元数目最少为。信号
源数目越多,阵列孔径损失越大。为了充分利用阵列孔径,可以使用前后向平
滑技术
,一
西北工业大学硕十论文
但是,最初的高分辨算法都是基于窄带信号源的假设提出的,而水下信号
处理