矢量传感器阵高分辨方位估计及其稳定性研究

论文摘要

在人们迄今为止所熟知的各种能量形式中,在海水中声波的传播性能是最佳的。声波兼具标量场和矢量场信息,但是长期以来,声压标量传感器在水声领域一直占据主导地位。矢量传感器由声压传感器和振速传感器复合而成,可以空间共点、时间同步测量声场的标量(声压)和矢量(声压梯度、质点振速、加速度、位移等)信息,它的出现给水声信号处理和声呐技术的发展带来了新的活力。在短短的几十年中,矢量传感器已成功应用于弱信号检测、目标定向、鱼雷制导等领域。本文在回顾矢量传感器波达方位估计技术的发展、现状及应用的基础上,展开对二维矢量传感器直线阵的二维高分辨方位估计技术及其稳定性的研究。从理论上建立了二维矢量传感器直线阵无模糊定向模型,对坐标系中沿各坐标轴排列的直线阵的方位估计性能进行了分析;针对二维矢量传感器垂直线阵(振速Vx和Vy分别指向坐标系的X轴和Y轴,而传感器阵位于Z轴)的数学模型,推导了其组合指向性的数学表达式及在该阵型下矢量传感器阵的Bartlett波束形成器及矢量传感器阵传统MUSIC高分辨算法的矩阵表示;首次给出三元二维矢量传感器垂直线阵MUSIC算法的谱估计公式,同时给出了两种矢量传感器阵解相干的MUSIC算法;给出矢量传感器阵误差模型,研究了幅相误差、阵元轴向偏差及多卜勒频偏对矢量传感器阵高分辨方位估计性能的影响,并采用小生境遗传算法对相位误差和波达方位进行联合搜索。从理论和仿真试验两方面对上述模型及各种算法进行了研究。文章最后给出湖试的数据处理结果,对本文提出的二维矢量传感器线阵空间无模糊定向模型和该阵型下的矢量传感器线阵Bartlett波束形成器、矢量传感器线阵MUSIC高分辨算法及其误差校正方法进行了验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 立题意义
• 1.2 矢量传感器简介
• 1.2.1 矢量传感器及其分类
• 1.2.2 各向同性噪声场中的矢量相关性
• 1.3 矢量传感器方位估计技术的发展
• 1.3.1 矢量传感器常规波束形成技术的发展
• 1.3.2 矢量传感器高分辨方位估计技术的发展
• 1.4 阵列误差校正
• 1.5 论文研究内容
• 第2章 二维矢量传感器线阵无模糊定向模型
• 2.1 单矢量传感器测量模型
• 2.2 二维矢量传感器线阵无模糊定向数学模型
• 2.2.1 二维矢量传感器线阵位于X轴
• 2.2.2 二维矢量传感器线阵位于Y轴
• 2.2.3 二维矢量传感器线阵位于Z轴
• 2.3 垂直阵组合指向性
• 2.4 本章小结
• 第3章 矢量传感器阵高分辨算法的研究
• 3.1 二维矢量传感器垂直阵常规波束形成方法
• 3.1.1 Bartlett波束形成
• 3.1.2 P+Vc组合波束形成
• 3.2 垂直阵MUSIC高分辨算法
• 3.2.1 MUSIC高分辨算法理论模型
• 3.2.2 三元垂直阵MUSIC高分辨算法理论谱估计公式
• 3.2.3 MUSIC高分辨算法仿真
• 3.3 矢量传感器阵解相干MUSIC算法
• 3.3.1 空间平滑算法
• 3.3.2 矢量奇异值法（SVD）
• 3.3.3 矢量传感器阵解相干MUSIC算法仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 矢量传感器阵高分辨算法的稳定性研究
• 4.1 矢量传感器阵误差模型
• 4.1.1 阵元幅相误差
• 4.1.2 阵元位置误差
• 4.1.3 阵元轴向偏差
• 4.1.4 多卜勒频偏
• 4.1.5 阵元互耦
• 4.2 阵列误差对垂直阵定向性能的影响
• 4.3 遗传算法校正阵列相位误差
• 4.3.1 遗传算法简介
• 4.3.2 构造代价函数及算法的实现
• 4.3.3 算法仿真实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 湖试数据处理
• 5.1 湖试简介
• 5.2 灵敏度校准
• 5.3 相位补偿
• 5.4 试验数据处理
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢