模态域信号处理在水声中的应用

论文摘要

空中目标因其高效的搜索性能和机动性强的特点,在海空对抗中占据优势地位,对水下平台的生存构成威胁。本文以海空对抗中被动声探测技术为研究对象,对海空对抗声纳涉及的若干关键技术进行了研究,旨在为发展、实现海空对抗声纳进行有益的探索。希尔伯特黄变换是一种非线性信号处理理论,通过仿真研究了经验模态分解的突出信号局部特征与多分量信号分离特性,总结提出了不同用途下固有模态函数（IMF-Intrinsic Mode Functions）选取的原则,可用于信号去噪、互相关峰检测和多目标分辨等多种场合；回顾了平均声强器、互谱、能量加权直方图与解析声强流等常见的基于单矢量传感器的方位估计理论；将接收阵元组成阵,介绍了阵列输出模型及均匀直线阵的自然指向性,突出了阵增益及矢量的优势。空中目标辐射噪声频谱包括线谱和连续谱两部分,相比于宽带连续谱,线谱是其主要噪声源；从线谱和连续谱特征提取出发,提出了一种基于经验模态分解（EMD-Empirical Mode Decomposition）的线谱和连续谱分离算法。声波经过空-水界面后,部分声能透射到水中,激发的水下声场亦具有明显的线谱特征。在低频段,声波的声压、振速存在相位差,声能流在有功分量和无功分量间发生“串漏”,传统测向算法是有偏的。本文从试验的角度探索了基于水下声场的空中目标测向方法,分析讨论了将辐射噪声的线谱集中频段、多普勒频偏相对于原频率的比率和线谱的方位（变化趋势）信息作为特征量的空中目标的检测与识别方案；同时,目标的大致方位信息有利于水下平台对其的规避和有效的攻击,有望改善其的对空劣势。物体的入水声、水下目标启动声等是对目标探测非常重要的一类瞬态信号,从物体入水声形成机理上研究了其波形特性,为物体入水声的识别和击水声的源级预报提供理论基础。结合EMD的特性和平均声强器适合连续谱明显的单目标方位估计的优势,提出了模态声强器算法,利用模态声强器（MAIA-Mode Acoustic Intensity Averager method）算法可有效实现平台干扰下,物体入水声、目标启动声的检测和测向,能实现对瞬态信号信号检测。矢量阵最小方差无畸变响应波束形成算法可实现全空间内信号的空间谱估计,但该算法对弱目标的检测能力较差。基于此,结合IMF窄带特性与MVDR（Minimum Variance Distortionless Response）的窄带信号要求,提出了矢量阵模态域MVDR波束形成算法,将分解得到的声压、振速对应阶IMF利用MVDR波束形成估计其方位谱,并将中心频率的概念应用于IMF,综合利用声压、振速对应阶IMF求解中心频率,以此中心频率作为MMVDR （Mode domain Minimum Variance Distortionless Response）算法的中心频率。海试结果表明：MMVDR算法在保持强干扰空间谱能量不变的情况下,有效的增大了弱目标所在方位空间谱的能量,可实现强干扰下弱目标的检测,增加弱目标的有效探测距离。指向最小方差波束形成是一种高分辨波束形成算法,具有低旁瓣和主瓣更窄的优势。通过分析算法的计算量的影响因素,指出STMV（Steered Minimum Variance algorithm）算法计算量近似正比于阵元数M的三次方。当阵阵元数M较大时,STMV波束形成算法需很大计算开销,限制了其应用。基于此,结合α滤波器的积分器特性和矩阵求逆迭代公式,提出了一种STMV快速迭代算法,其计算量近似正比于M2；仿真验证了该算法在计算量降低的同时,保持了STMV算法高方位分辨力和弱目标检测的优点；应用于48元阵海试数据处理,计算量降低了约24倍,有利于算法的实时实现；同时可在多个目标信噪比相差较大和多个目标方位比较接近时,有效地检测到弱目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 希尔伯特黄变换的研究现状
• 1.3 水声中瞬态信号研究概况
• 1.4 矢量传感器及其阵列信号处理概述
• 1.4.1 矢量传感器发展及应用
• 1.4.2 阵列信号处理研究概况
• 1.5 空中目标探测研究现状
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 希尔伯特黄变换与矢量信号处理理论
• 2.1 引言
• 2.2 HHT的理论基础
• 2.2.1 瞬时频率定义及其悖论解释
• 2.2.2 固有模态函数
• 2.2.3 经验模态分解及其特性研究
• 2.2.4 固有模态函数选取原则
• 2.3 单矢量传感器方位估计理论
• 2.3.1 平均声强器法
• 2.3.2 线谱方位估计
• 2.3.3 解析声强流测向
• 2.4 阵列输出模型及其自然指向性
• 2.4.1 阵列信号输出模型
• 2.4.2 均匀直线阵自然指向性
• 2.5 本章小结
• 第3章 空中目标检测识别试验探究
• 3.1 引言
• 3.2 空-水界面上的反射和透射
• 3.2.1 平面波在界面上的反射和透射
• 3.2.2 球面波在界面上的反射和透射
• 3.3 空中目标激发的声场频谱特性
• 3.3.1 空气中声场频谱特征提取
• 3.3.2 激发的水下声场频谱特征
• 3.4 空中目标激发的水下声场的方位特征
• 3.4.1 球面波声场声压、振速相关性
• 3.4.2 柱面波声场声压、振速相关性
• 3.4.3 空中目标方位特征提取试验研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 经验模态分解在瞬态信号检测中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 物体入水声信号特性研究
• 4.3 模态声强器
• 4.4 入水声检测试验研究
• 4.4.1 湖试数据分析
• 4.4.2 海试数据分析
• 4.5 目标启动声检测和测向
• 4.6 本章小结
• 第5章 阵列信号处理在弱目标检测中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 基于经验模态分解的模态域MVDR方法研究
• 5.2.1 矢量阵MVDR波束形成算法
• 5.2.2 仿真研究
• 5.2.3 模态域MVDR波束形成（MMVDR）
• 5.2.4 试验研究
• 5.3 STMV迭代算法及海试研究
• 5.3.1 STMV及其迭代算法原理
• 5.3.2 计算量对比
• 5.3.3 STMV和迭代算法性能对比
• 5.3.4 海试结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢