水下小目标探测声纳阵列设计与算法研究

论文摘要

水下小目标探测阵列与阵列信号处理是水下安全防护系统的重要组成部分,阵列的设计和高分辨率的水下阵列信号处理算法是水声领域的重要研究方向。利用低频声波进行水下目标探测时,由于探测声波波长较长,可以忽略阵列结构的散射以及换能器的指向性影响。然而,在进行水下小目标探测时采用的探测声波频率为几十千赫兹,由于声波波长与阵列尺寸处于同一数量级,工作在该频段的水下换能器具有明显的指向性,且阵列结构的散射也不可忽略。根据工程应用情况,本文一方面在考虑换能器指向性的条件下,分析了阵列尺寸以及换能器数量与DOA（Direction of Arrival,波达方向）估计的CR（Cramer-Rao,克美罗）下界的关系。另一方面,研究了相干信号的DOA估计算法和稀疏圆阵的DOA估计算法。在此基础上,通过实验验证了稀疏圆阵的DOA估计算法的可行性。文章的主要研究内容包括:（1）介绍圆域的模式空间方法,在此基础上,首先分析了阵列尺寸与DOA估计的CR下界的关系;其次,研究了换能器指向性对DOA估计的CR下界的影响;最后,提出了控制DOA估计的CR下界的方法。（2）在引入阵列信号处理基本理论的基础上,通过对MUSIC（Multiple Signal Characteristics,多重信号分类）算法对相干信号DOA估计失效原因的分析,提出了适合相干信号DOA估计的变参考阵元法。该算法不仅具有较高的分辨率,而且保持了阵列的有效口径。（3）在考虑刚性圆柱体散射及换能器指向性对接收信号影响的基础上,研究了刚性圆柱体表面的声场分布,进而提出了适合稀疏圆阵的DOA估计算法。通过噪声分析以及与CBF（Conventional Beam Forming,常规波束形成）算法的比较,证明它在实际中具有重要的应用价值。（4）通过计算仿真确定了实验参数,包括阵列尺寸、换能器数量等。设计了正交解调电路,并编写了数据传输软件以及目标检测软件。利用稀疏阵列的DOA估计算法估计待测目标的方位角,通过估计值与实测值的比较验证该算法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景与意义
• 1.2 水下小目标探测阵列设计及算法的发展与现状
• 1.3 论文的内容与结构安排
• 第二章 阵列信号处理的基本概念
• 2.1 空间谱估计的信号模型
• 2.2 阵列模型的二阶统计特性
• 2.3 空间谱估计的基本原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 水下探测声纳阵列设计理论研究
• 3.1 理论研究的实际背景
• 3.2 模式空间方法
• 3.3 阵列尺寸与DOA 估计的CR 下界关系
• 3.4 换能器数量与DOA 估计的CR 下界关系
• 3.5 换能器指向性对DOA 估计的CR 下界影响
• 3.6 阵列DOA 估计的CR 下界的控制方法
• 3.7 本章小结
• 第四章 阵列DOA 估计算法研究
• 4.1 经典MUSIC 算法分析
• 4.1.1 经典MUSIC 算法描述
• 4.1.2 经典MUSIC 算法对相干信号估计的失效分析
• 4.2 变参考阵元法描述及其实现
• 4.2.1 阵列信号的DFT
• 4.2.2 变参考阵元法
• 4.2.3 变参考阵元法的特点
• 4.3 刚性圆柱体表面的声场散射分析
• 4.4 稀疏圆阵下DOA 估计算法
• 4.4.1 算法原理
• 4.4.2 噪声分析
• 4.4.3 稀疏圆阵的DOA 估计算法与CBF 法的比较分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验设计与结果分析
• 5.1 实验声纳阵列的参数选取
• 5.2 实验电路设计
• 5.3 实验软件描述
• 5.3.1 数据传输软件
• 5.3.2 目标检测软件
• 5.4 实验结果分析
• 5.4.1 实验过程描述
• 5.4.2 比幅法的应用
• 5.4.3 比相法的应用
• 5.4.4 幅度相位冗余法的应用
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果