均匀线列阵声纳截获信号被动定位方法研究

发布时间：2020-10-30 17:04

　　 在海战场环境中存在大量的窄带连续波(CW)、宽带线性调频(LFM)、双曲调频(HFM)等主动声纳脉冲信号和宽带舰船辐射噪声信号。如果能够截获这些信号并通过进一步的信号处理,则可实现对目标的识别和定位。基于阵列信号处理新技术的水声截获信号被动定位方法具有平台隐蔽性好、方位分辨率高、探测距离远等优势,正成为水声信号处理领域的重要研究方向。其中,聚焦波束形成、分数阶傅里叶变换、压缩感知等新技术在目标被动定位方面得到了大量的研究。然而,在现有方法中,有些针对窄带信号进行定位,有些针对远场环境进行定位,有些只适合处理LFM信号。如何将现有方法进行有机结合与适当改进,实现近场、远场、窄带、宽带等多种条件下对多种水声截获信号的被动定位,值得深入研究。为此,本文开展了如下创新性研究工作:(1)针对近场环境窄带CW脉冲信号被动定位问题,本文研究了常规(C-FB)、最小方差无失真响应(MVDR-FB)、多重信号分类(MUSIC-FB)等三种典型聚焦波束形成被动定位方法,提出了一种基于空间谱伪峰数量估计的定位性能分析方法,从一个新的角度对聚焦波束形成技术应用于水下目标被动定位的性能进行分析。定义了空间谱伪峰并给出了伪峰数量估计方法,在此基础上,分析了信噪比、信号频率、目标距离、伪峰检测门限等因素对三种方法性能的影响。基于仿真分析结果,本文提出了一种基于伪峰数量收敛的伪峰检测门限设置及分类方法,为后续章节中近场水声环境被动定位方法研究提供技术支持。(2)现有分数阶傅里叶变换(FRFT)目标被动定位方法一般是针对远场环境实现目标的被动测向,在近场环境中直接应用时存在测向误差增大、不能实现被动测距等问题。本文提出了一种基于FRFT和MUSIC-FB的近场宽带LFM信号被动测向与测距方法(FRFT-MUSIC-FB)。建立了基于球面波模型的近场宽带LFM信号接收数据模型,将传统的阵列数据模型转化为分数阶傅里叶域阵列数据模型,同时将LFM信号的时变阵列流形矩阵变换为固定阵列流形矩阵,结合近场声源的聚焦波束形成技术,利用MUSIC方法实现了对多个LFM信号方位与距离的联合估计。仿真和实测数据结果表明,该方法具有较高的定位精度、较强的抗噪性和抗多径干扰特性。(3)针对现有FRFT目标被动定位方法对频率非线性变化的HFM信号定位误差增大的问题,本文采用分段线性化策略,基于时域分段FRFT和MUSIC方法,分别提出了远场宽带HFM信号波达方向(DOA)估计方法(TPFRFT-MUSIC)和近场宽带HFM信号被动测向与测距方法(TPFRFT-MUSIC-FB)。首先,用多个短时LFM信号近似表示了 HFM信号,分别建立了均匀线列阵声纳远场和近场宽带HFM信号接收数据模型;其次,对接收到的HFM信号进行短时分段处理,将每一段短时信号转化成短时分数阶傅里叶域接收数据,同时将HFM信号的时变阵列流形矩阵变换为多个固定的阵列流形矩阵;最后,利用MUSIC方法估计各短时信号的空间谱,通过求和运算得到HFM信号空间谱,实现了 HFM信号的被动定位。通过开展仿真实验,详细分析了时域分段数、信噪比、目标位置等参数对该方法性能的影响,与现有方法相比,该方法具有较高的分辨率和估计精度。(4)针对压缩感知理论在水声近场目标被动定位中的空间网格划分、完备阵列流形构建等问题,本文提出了一种基于压缩感知理论的近场水声目标被动定位方法(CS-FB)。按照先方位后距离的方法对近场信号源分布空间进行了网格划分,通过均匀距离间隔构造了某一方位上的完备阵列流形矩阵,基于压缩感知理论和近场线列阵接收数据模型构造了凸优化模型,通过对该模型的求解实现了水声近场目标的被动测向与测距。仿真结果表明,该方法可有效解决现有聚焦波束形成技术对目标距离估计不敏感的问题,能够较为精确地实现水下多目标的被动测向和测距。与现有方法相比,该方法具有距离分辨率高、目标方向盲区小、探测距离远等优势。(5)针对现有宽带波束形成目标被动定位方法对以舰船辐射噪声为代表的水声宽带弱目标定位分辨率较低的问题,本文提出了一种基于相干信号子空间和压缩感知理论的水声宽带目标DOA估计方法(CSS-CS)。基于相干信号子空间宽带信号处理框架,采用双边相关变换算法对宽带信号各频率进行聚焦,然后利用目标的空间稀疏性和压缩感知重构算法实现了水声宽带目标DOA估计。仿真和海上实测数据结果表明,与现有方法相比,该方法能提高弱目标的空间谱,具有更好的弱目标检测和方位估计能力。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN911.7
【部分图文】：

通过优化测量矩阵，提高了算法的抗噪性Ｌｉ通过研究阵列的对称特性，??构造了仅与ＤＯＡ相关的近似相关向量，应用稀疏重构方位估计方法实现了稳定分布噪??声下的近场信号源被动定位［１５５］。Ｑｉａｎ研宄了传感器位置不确定和非均匀噪声条件下的??ＣＳ多信源定位方法［１５叱Ｅｌｂｉｒ通过远场和近场方向矢量构造字典矩阵，提出了一种基于??ＣＳ理论的远场源和近场源联合定位方法［１５７，１５８］。时洁等人提出了一种基于ＣＳ理论的矢??量阵聚焦波束形成定位方法，实现了近场环境下同频相干声源的定位与识别［１５９］。??综上所述，ＣＳ理论在信号被动定位领域获得了广泛的研宂，也取得了比较好的效??果。目前的研宄主要是集中在对电磁波信号或近场语音信号的被动定位中，对于主动声??纳脉冲、宽带舰船辐射噪声等水声信号的被动定位问题研究还比较少，如何将ＣＳ理论??应用于均匀线列阵声纳对截获信号的被动定位中值得深入研宄。为此，本文分别提出了??一种基于近场球面波接收数据模型和ＣＳ理论的水声近场目标信号被动定位方法、一种??基于相干信号子空间和ＣＳ理论的水声宽带目标ＤＯＡ估计方法。??１．３本文主要研究内容??１．３．１本文研究框架??本文研宄框架如图１．１所示。??

????本文在全面总结现有目标被动定位技术的基础上，针对ＣＷ、ＬＦＭ、ＨＦＭ等主动??声纳脉冲信号和宽带舰船辐射噪声信号的基本特点，重点研究基于均匀线列阵声纳的水??声截获信号被动定位方法。??针对窄带ＣＷ脉冲信号，研宄Ｃ－ＦＢ、ＭＶＤＲ－ＦＢ、ＭＵＳＩＣＪＢ等聚焦波束形成技术，??在此基础上重点研宄基于ＣＳ理论的窄带ＣＷ脉冲信号被动定位方法。??针对宽带ＬＦＭ脉冲信号，以分数阶傅里叶变换为基础开展研宄，研宄基于分数阶??傅里叶变换和ＭＵＳＩＣ－ＦＢ的ＬＦＭ信号被动定位方法。??针对频率非线性变化的宽带ＨＦＭ脉冲信号，将ＨＦＭ信号用多段ＬＦＭ信号近似表??示，在此基础上研究基于时域分段分数阶傅里叶变换的ＨＦＭ信号被动定位方法。??针对宽带舰船辐射噪声信号，重点研究基于相干子空间宽带信号处理框架和ＣＳ理??论的舰船辐射噪声ＤＯＡ估计方法。??１．３．２各章节主要研究内容??根据上述研宄技术路线，本文主要研宄工作及各重点章节关系如图１．２所示。??

设在近场环境中，均匀线列阵声纳有Ｍ个接收阵元，阵元间距为将阵列第１个阵??元作为参考阵元，并标记为１点，近场环境中存在０个窄带目标源信号。均匀线列阵近??场接收数据模型［７｜＿７４］如图２．１所示。??ｙ个??＾近场声源９??ｉｒ－■／?ｒｉｍ??〇?ｄ￣￣〇?ｏ?〇?？??１２?ｍ?Ｍ?Ｘ??参考阵元??图２．１均匀线列阵近场信号接收模型＾??Ｆｉｇ．?２．１?Ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｒｅｃｅｉｖｅｄ?ｓｉｇｎａｌ?ｂｙ?ＵＬＡ?ｉｎ?ｎｅａｒ?ｆｉｅｌｄ１７＾??图２．１中，第ｇ个声源到达第ｍ个阵元的距离为／＾，设该声源与参考阵元（１号阵??元）的距离＼和方位角＆，为该声源与整个线列阵的距离＼和方位角＆，即??ｆｅ＝：：?－??设第ｍ个阵元接收信号的时域一般形式为??＾，（〇?＝?Ｚ５？（ｒ＿ｒ？ｍ?）?＋?？？（〇？?ｍ?＝?（２．２）??分＝１??式中，表示第＾个信号，表示第＾个信号到达均匀线列阵声纳第ｍ个阵元时相??对于参考阵元（１号阵元）的时延，是附加的高斯白噪声。当实信号是窄带信号时，??用其解析形式可以更为方便地表示基阵的接收信号，（２．２）式的解析形式为??Ｑ??＾?（０?＝?（０?ｅｘｐ?（－ｙ＾ｍ）?＋?ｎｍ?（０?（２．３）??令＝１??式中，％？是第ｇ个信号到达第ｗ个阵元相对于参考阵元（１号阵元）的相位差，定义如下??（Ｐｑｍ＝＾ｆ｛ｆｑｍ－ｒｑ）?
【参考文献】

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本文编号：2862764