运动小平台近场干扰抑制技术研究

发布时间：2020-08-14 10:37

【摘要】：以水下无人航行器(UUV)为代表的小平台是当今探测海洋的主力军。但海洋运动平台上安装的声呐设备均受到严重的近场干扰，如不同声呐设备间的串扰、螺旋桨噪声干扰等，UUV平台也是如此，这对勘测海洋产生了极大的影响，因此如何抑制平台的近场干扰，受到世界各国学者的广泛重视。本文以自适应滤波和空间矩阵滤波器等技术为基础，围绕近场干扰抑制技术进行研究，通过计算机仿真验证方法的可行性和有效性。本论文的主要研究内容包括以下几方面：首先，研究常规波束扫描、MVDR波束扫描和MUSIC谱方位估计三种经典的DOA估计方法，对比三种算法的性能；并根据线列阵的实际应用场合在MUSIC算法仿真条件中加入近场强干扰，得到的仿真结果受干扰影响很大，指出抑制近场强干扰的必要性。其次，研究基于自适应滤波的近场声抑制方法。研究基于最小均方算法的自适应滤波器以及水平线列阵声图测量的基本原理。由声图测量结果上的亮点信号提取出参考信号，结合自适应干扰抵消，进行声抑制研究，结果表明该方法能较为有效的抵消近场干扰。但该方法提取的参考信号不够“纯净”，包含其它目标源的信息，随着抵消目标增多、迭代次数增加，算法抵消效果会变差；在自适应抵消过程中，目标数据失真较严重，影响到目标的方位估计。最后，针对自适应滤波方法难以获取“纯净”的参考信号及目标信号易失真的情况，本文研究基于空间矩阵滤波器的近场声抑制方法。研究空间矩阵滤波器的基本原理，以及构建空间矩阵滤波器需要遵守的三种约束准则。仿真结果显示该方法抑制近场干扰的效果良好，但也存在一定的不足：其对近场区域干扰抑制的同时，也会对部分远场扇面区域的信号产生衰减，滤波器对此方位范围内的远场信号探测能力变弱。
【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】：2013
【分类号】：U666.7;P715.5
【图文】：

功率谱,空间功率谱

a.信号入射方向 = b.信号入射方向 = 图 2.1 12 元阵的空间功率谱式(2-5)中，空间谱 2Y 在1 两侧的第一个零点之间的方位宽度，即空间谱的主瓣宽度，由0BW 给出。 Md 称为阵列孔径。通过接收信号的空间谱能估计出信号的来源方向，进而估计出目标所在方位，所以空间谱估计被称为目标源 DOA 估计(estimation of direction-of-arrival)，也称为信号的波达方向估计。然而，受到“瑞利准则”的限制，空间功率谱主瓣存在一定的宽度，因此当两个入射角度接近的信号传播到接收阵列时，功率谱主瓣就会叠加在一起，不能有效的分辨出目标源的所在方位。由式(2-5)可知，空间谱估计的方位分辨能力是由阵列孔径Md 控制的，若想获得更好的方位分辨能力，就需要更大的阵列孔径。但在实际应用中，受制造成本及制造水平的限制，阵列孔径不会无限增大。为了获得更好的分辨性能，近几十年来，出现了多种高分辨率的方位估计方法。下面本文将研究两种应用较多的高分辨率方位估计技术：基于 MVDR 算法的波束形成器和基于 MUSIC 算法的信号方位估计方法。2.2 基于 MVDR 算法的波束形成器

波束扫描,方位估计,性能对比,常规

如 2.2 节所述，得不到R ，只能由阵列采样数据自相关矩阵 R 近似，对其进行分解得到信号子空间 SE 和噪声子空间 NE 。式(2-27)更改为：MUSICH H1( ) ( ) ( )N NP a E E a(2MUSIC 谱 MUSICP 与 MVDR 波束形成器一样，都是找到谱中的 K 个峰值位置为信号入射到阵列的方位。谱函数 MUSICP 的峰值方位反映了信号的入射方向，并不是信号的方位谱，通常称 MUSICP 为伪谱，或者 MUSIC 谱。.4 计算机仿真结果及分析下面将从分辨力角度对上述的三种方位估计方法：常规波束扫描、MVDR 波束器扫描、MUSIC 谱方位估计的性能进行计算机仿真分析。仿真条件：12 元半波长（对应的频率为1kHz）间隔均匀分布的线列阵，假定两噪比均为 10dB 的目标信号从 1 与2 方向入射到阵列。信号是中心频率为1kHz、为40Hz的随机高斯带限过程；背景噪声为带限高斯白噪声，信号噪声互不相关。快拍数取 100，仿真结果如图 2.2 所示。

示意图,强干扰,方位估计,MUSIC算法

1 与2 方向入射到阵列，背景噪声为带限高斯白噪声，但场干扰，具体示意图如图 2.3 所示。xz15m0.5m( 5,3,12)100y0.5m海深25m海底海面远场平面波近场干扰源图 2.3 强干扰背景下线列阵测量模型干扰区，离散化后坐标分别为 5 m,3m,12m ， 5 m2m ， 5 .5m,3.5m,12m ，总干噪比为 40dB。在此种背景条计结果如图 2.4 所示。

【参考文献】