基于凸优化的自适应零陷空域滤波器设计与目标方位估计

发布时间：2020-05-22 21:28

【摘要】：由于受到复杂多变的海洋环境因素影响,水下目标的探测和识别一直是水声信号处理中的重要难题之一。在复杂的海洋环境中,获取较高信噪比的目标回波数据是提高水下目标探测和识别能力迫切需要解决的关键问题。本文围绕水下目标方位估计问题,对抑制水下阵列接收信号的干扰以及噪声,以及获取高信干噪比的回波数据等问题进行研究。本文研究的思路是基于阵列信号处理手段,通过空域矩阵滤波器抑制回波信号中阻带区域的噪声以及干扰,以提升高分辨算法的实用性。同时应用一种稳健自适应零陷展宽波束形成算法,抑制信号中的强干扰,通过在阵元域和波束域上实现对干扰以及噪声的抑制,以提高目标信号的信噪比。文中首先对声呐探测目标所涉及到的目标回波信号形式在信号模型和信号特性方面进行了总结,对几种常见的目标方位估计方法进行介绍,根据二种空域矩阵滤波器设计准则,给出相应的求解方法。通过仿真可知,空域矩阵滤波器能够使某些预设方位的信号尽量无失真的通过,并抑制其他方位的干扰和噪声,从而降低了分辨信号所需的信噪比门限,同时,对采用预滤波算法的MUSIC方位估计方法和常规的MUSIC方位估计方法进行比较,对分辨率,低信噪比下的估计效果等参数均有明显的提升。其次,本文基于最优权矢量自适应波束形成算法对接收信号进行处理,可定量控制算法对阵列扰动的敏感度,同时结合深度可调的零陷展宽方法,使目标方位较近的干扰形成较深零陷,从而有效降低干扰对目标方位估计的影响。针对文中自适应方法,通过正则化变换使约束优化问题转化为具有双目标函数的二阶锥规划问题,更加方便于求解。针对传统零陷展宽算法在加宽零陷的同时会导致零陷变浅的问题,利用以Hanning窗扩展空间谱函数从而展宽零陷的方法,通过对空间谱函数自身加权,可以指定零陷的深度。同时通过输出信干噪比对该算法的稳健性进行分析,仿真结果表明,应用的算法对干扰具有较好的抑制能力,在不同输入信噪比时,算法均表现出良好的稳健性。最后,利用湖内进行的水中悬挂目标回波实验数据对本文中方法进行验证,在不同的实验条件以及实验参数下利用空域滤波方法及稳健最优权矢量自适应波束形成算法进行数据处理,同时与常规波束形成和高分辨算法处理效果相比较,以检验算法在实际应用中的有效性和可靠性。
【图文】：

阵元,布放,位置关系,空间

图 2.1 空间中两个阵元的布放位置关系元之间的声程差为1( x cos cos y sin cos +z sin )c 论，下面推导在实际的应用中几种阵列与阵元，另一个阵元的空间位置为 , )( 1,2, , k k（ x y k 1,2, , )i N，分别将令其作为方位角和俯仰角，1( cos cos sin cos )ki k i i k i ix yc 空间坐标为 )( 1,2, , )k（x k N，原点依旧作为则

波束形成,空间谱,常规

( ) ( ) ( )HCBFP w Rw (2-19)为了验证常规波束形成的方位估计效果，假设由 16 个各向同性的阵元组成的均匀线列阵，定义阵列的法线方向为0 ，阵元间距为 /2，两个等强度的窄带信号入射到该阵列，信号的频率为 2000Hz，噪声背景为高斯白噪声，同时信号和噪声不相关，快拍数为 1024，改变信号的入射角度和信噪比，仿真结果如下：(a)入射角[ 5 5 ] ，，SNR=15dB (b)入射角[ 5 2 ] ，，SNR=15dB
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U666.7

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