运动目标辐射噪声的宽带波束形成研究

论文摘要

在较大的带宽上无失真地获取目标源的辐射噪声，能够给诸如信号检测、目标识别和定位等后续信号处理提供更为丰富的、完整的目标信息，对提高其性能至关重要，因此具有广泛的实际应用背景。本文结合水下军用目标特性国防重点实验室基金项目，针对能够无失真获取宽带运动源辐射噪声的波束形成技术，系统深入地开展了理论和实验研究。主要研究内容包括：1．建立了存在运动目标时阵列输出信号的数学模型，并从声场的角度对此模型进行了分析。给出了阵列接收到运动源辐射噪声的高精度模拟方法。从理论上论证了要无失真地估计处于主瓣区域宽带目标的辐射噪声，宽带波束形成器必须具有恒定束宽特征。2．给出了两种低旁瓣时域恒定束宽波束形成器(WCBB)的设计方法，即：通过设计低旁瓣期望波束的设计方法和直接优化的设计方法，并用仿真实验检验了它们的有效性。利用仿真实例指出了WCBB的子带设计方法的缺陷，即，无法保证非设计频率点上具有和设计频率点上相同的性能。利用湖上实验说明，使用实测阵元响应设计的WCBB能够改善波束形成器在实际环境中的性能。3．以时域波束输出无失真为准则，提出了WCBB的时域优化设计方法。与子带设计方法不同，此方法能够兼顾设计频段内更多频率点上的设计要求。设计中引入二维代价因子，通过调整代价因子，可以使设计得到的WCBB在期望的频率和方向上更满足设计指标。给出了代价因子的迭代寻优算法和加快实现期望旁瓣级的方法。通过设计实例验证了所提方法的有效性。4．提出了稳健的恒定束宽自适应波束形成方法。此方法通过设计线性约束，一方面使自适应波束形成对目标运动引起的方向矢量失配具有稳健性，另一方面使不同频率上的波束具有恒定束宽特征。通过奇异值分解得到约束矩阵的近似表达，以减小约束的个数。仿真实验表明，此方法能够稳健地形成恒定束宽波束，与非数据依赖的方法相比具有更强的干扰抑制能力，从而保证了存在强干扰时对运动目标源辐射噪声的准确获取。5．提出了基于频率不变波束形成(FIB)的稳健广义旁瓣对消器。为了稳健地实现对目标信号的阻塞，给出了两种具有扩展零陷的FIB的设计方法：直接施加线性约束的设计方法和施加虚拟干扰源的设计方法。仿真实验表明：此方法能够稳健地实现信号阻塞，具有较强的干扰抑制能力，并能够实时地给出目标辐射噪声的时间波形。6．把语音信号处理中的嵌套阵列波束形成方法与多采样率信号处理技术相结合，提出了嵌套阵列的多采样率波束形成方法。在实现中，把子阵设计和变采样率相结合，使不同子阵的波束形成器使用同一组滤波器系数而能得到相同的空间滤波特性，以简化设计和降低信号处理的复杂程度。给出了嵌套阵列的设计方法和实现方法。结合设计实例，利用仿真实验验证了此方法的正确性和有效性。7．利用水池和湖上实验数据，对本文所提方法在实际环境中的性能进行了检验。实验结果表明：利用低旁瓣的WCBB和基于FIB的广义旁瓣对消器均能够实现对宽带目标辐射噪声的无失真获取。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 宽带噪声无失真获取的波束形成技术
• 1.2.2 干扰抑制技术
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 宽带波束形成与运动源辐射噪声获取基础
• 2.1 阵列输出信号的数学模型
• 2.1.1 静止目标的情况
• 2.1.2 运动目标的情况
• 2.1.3 对阵列输出信号模型的分析和说明
• 2.2 宽带波束形成的两种实现方法
• 2.2.1 基于子带波束形成的频域实现方法
• 2.2.2 时域宽带波束形成
• 2.3 无失真获取运动源辐射噪声对波束形成器的要求
• 2.3.1 单个子带的情况
• 2.3.2 宽带的情况
• 2.3.3 对运动源辐射噪声功率估计的影响
• 2.3.4 各类宽带波束形成器对目标源噪声获取的分析和比较
• 2.4 阵列接收到宽带运动目标辐射噪声的精确模拟
• 2.5 本章小结
• 第三章 时域宽带恒定束宽波束形成器的设计与优化
• 3.1 经典的子带设计方法
• 3.2 低旁瓣设计的实现
• 3.2.1 两种低旁瓣WCBB的设计方法
• 3.2.2 设计实例
• 3.3 子带设计方法的缺陷
• 3.3.1 幅相响应慢变时的设计性能
• 3.3.2 幅相响应变化剧烈时的设计性能
• 3.4 系统误差对波束形成器性能的影响以及提高稳健性的方法
• 3.4.1 实验系统的描述和实验过程
• 3.4.2 系统误差对波束形成器性能的影响
• 3.4.3 提高稳健性的方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 宽带恒定束宽波束形成器的时域优化设计
• 4.1 设计指标在时域的表示
• 4.2 时域优化设计方法的基本原理
• 4.3 时域优化的实现
• 4.3.1 二维代价因子的引入与最优化问题的求解
• 4.3.2 代价因子的迭代寻优算法
• 4.3.3 加快实现期望旁瓣级的方法
• 4.4 设计实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 稳健的恒定束宽自适应波束形成方法
• 5.1 线性约束最小方差（LCMV）自适应波束形成方法
• 5.2 稳健的恒定束宽自适应波束形成方法
• 5.2.1 基本原理
• 5.2.2 减少约束数量的方法
• 5.2.3 影响确定L值的因素
• 5.2.4 稳健的恒定束宽自适应波束形成的实现步骤
• 5.3 运动干扰抑制的零陷扩展技术
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 本章所提方法的最优波束图
• 5.4.2 统计性能比较
• 5.4.3 不同方法对信号功率谱估计结果的比较
• 5.4.4 快拍数和目标源的运动速度对估计的影响
• 5.4.5 使用零陷扩展技术后的性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于频率不变波束形成的稳健广义旁瓣对消器
• 6.1 广义旁瓣对消器
• 6.2 用频率不变波束形成器（FIB）实现广义旁瓣对消
• 6.2.1 宽带信号的聚焦处理
• 6.2.2 广义旁瓣对消的实现
• 6.2.3 基于FIB的部分自适应广义旁瓣对消器
• 6.3 具有特定零陷的FIB设计方法
• 6.3.1 直接施加线性约束的零陷设计方法
• 6.3.2 虚拟干扰源的零陷设计方法
• 6.4 设计实例
• 6.4.1 预形成FIB的设计
• 6.4.2 具有扩展零陷的预形成FIB的设计
• 6.5 仿真实验
• 6.5.1 目标位于预估计方位时的仿真分析
• 6.5.2 目标偏离预估计方位时的仿真分析
• 6.5.3 目标源运动时的仿真分析
• 6.6 对部分自适应技术的仿真分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 嵌套阵列的多采样率波束形成
• 7.1 多采样率嵌套阵列的设计
• 7.1.1 理论推导
• 7.1.2 多采样率嵌套阵列的设计过程
• 7.2 多采样率嵌套阵列波束形成的实现
• 7.2.1 实现过程的描述
• 7.2.2 多采样率的实现
• 7.3 多采样率嵌套阵列波束形成的设计实例
• 7.4 仿真分析
• 7.4.1 对从主瓣方向入射的宽带信号的仿真分析
• 7.4.2 对从旁瓣方向入射的干扰信号的仿真分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 理论方法的实验验证
• 8.1 宽带静止目标的噪声获取实验
• 8.1.1 实验环境和实验过程
• 8.1.2 阵元输出数据的分析
• 8.1.3 波束形成器的设计结果
• 8.1.4 处理结果及分析
• 8.2 宽带运动目标的噪声获取实验
• 8.2.1 实验描述
• 8.2.2 实验数据分析
• 8.2.3 波束形成器的设计结果
• 8.2.4 数据的处理结果
• 8.3 本章小结
• 第九章 全文总结和工作展望
• 9.1 全文总结
• 9.2 有待进一步研究的问题
• 附录 A 用半定规化方法求取低旁瓣恒定束宽加权
• 附录 B 稳健的恒定束宽自适应波束在主瓣区域的响应
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的论文和获得的奖励