基于矢量传感器阵列的二维波达方向估计研究

矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,可以空间共点、同步测量声压和质点振速的各正交分量.相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息,利用矢量阵所获得的速度场的信息可去除目标方位估计中的模糊.多重信号分类(MUSIC)算法是通过对数据协方差矩阵进行本征分解获得信号空间谱估计的方法.文中采用矢量水听器均匀线阵研究了利用MUSIC算法对声源进行二维角度估计,通过对声压水听器和矢量水听器阵MUSIC算法的仿真对比得出结论:声矢量阵比声压阵具有更好的波达方向估计性能.另外,文中还采用空间平滑技术对相关信号源进行解相关从而得到良好的二维波达方向估计性能.     

基于任意阵形矢量水听器阵的二维波达方向估计

提出了基于任意阵形矢量水听器阵列的二维波达方向估计方法．即在阵元方向一致的前提下，矢量水听器阵可以采取任意阵形，也不需要预先知道阵元的空间位置．每个矢量水听器由3个相互正交空间共点的振速水听器和一个声压水听器构成．声压子阵经过旋转后分别变成了3个振速子阵，子阵之间的旋转因子只与目标信号的方向余弦有关，而与矢量水听器的空间位置无关．基于ESPRIT的思想，采用并行TLS矩阵束方法实现对目标信号的方向余弦的估计和自动配对，从而实现二维波达估计．计算机仿真实验结果证明了该方法的有效性．     

单矢量水听器多目标方位的盲估计研究

为实现单矢量水听器的多目标方位估计,研究了水声矢量信号的盲估计问题.根据单矢量水听器的阵列流型特点,结合盲源分离技术,提出了一种新的单矢量水听器多目标方位估计算法.在目标信号先验信息未知的情况下,该算法可分离出各目标信号及其阵列流型,然后利用单矢量水听器振速分量的正交性,估计出各目标信号的方位.实验验证了该算法的有效性.     

基于单个矢量水听器的二维波达方向估计

提出了一种基于单个矢量水听器的二维波达方向估计方法，该矢量水听器由三个空间轴向垂直的振速水听器和一个声压水听器构成．利用时延数据，以时间变元为旋转因子．构造了两个具有相同阵形的子阵，采用ESPRIT实现了对目标信号的波达方向估计．具有较好的估计精度，能实现方向余弦的自动配对，不造成波达方向的模糊性．计算机仿真实验结果证明了该方法的有效性。     

基于四元数的声压振速联合方位估计算法

常规MUSIC波达方向估计算法的缺点是不能处理相干信号.针对这一情况,文中引入了四元数理论,建立了二维矢量水听器的四元数输出模型,并在此基础上提出了一种声矢量阵声压振速联合方位估计算法.与常规MUSIC方位估计算法相比,该算法利用了四元数紧凑的数据表达形式和较强的正交性约束能力,降低了内存需求和运算复杂度,在不经过任何预处理的情况下可以分辨相干目标.同时,由于利用了声压振速的组合指向特性,算法抗各向同性干扰的能力较强.仿真实验证明了算法的有效性.     

有限快拍下的小尺度矢量阵DOA算法

针对小尺度矢量水听器阵条件下ESPRIT算法目标方位估计精度低、多目标分辨能力弱的缺点,提出了一种基于酉变换的DOA改进算法.该方法无需计算观测数据的协方差矩阵,利用阵列的观测数据及共轭信息构造一中心Hermitian对称矩阵,根据酉变换原理将其转化为实数矩阵并用实值ESPRIT方法估计目标方位.由于利用了观测数据的共轭信息,相当于虚拟增加了阵元个数,改进算法有更高的DOA估计精度和多目标分辨能力,在快拍数与阵元数相当时改进算法比协方差方法有更小的计算复杂度.仿真分析结果证明了算法的有效性.     

任意形状三元阵水下目标被动定位研究

针对传统三元阵安装布放要求较高,且只能给出目标二维位置信息的问题,提出了一种基于矢量水听器的任意形状三元阵三维定位算法,采用一个矢量水听器和两个声压水听器组成阵列,利用矢量水听器给出的信息解算目标方位角,推导了任意形状三元阵条件下目标俯仰角和距离的计算公式,从而实现了对目标三维位置信息的获取．消声水池的实验结果表明：新方法能够对声源目标准确定位,在环境噪声干扰下表现出较好的性能,具有一定的工程应用价值．     

基于改进MUSIC算法的矢量水听器阵列波达方向估计

介绍了改进的MUSIC算法在矢量水听器阵波达方向估计中的应用,并描述了该算法的原理及应用过程.计算机仿真的结果表明,改进的MUSIC算法既能够有效地估计出独立信号源的DOA,也能有效地估计出相关信号源和相隔比较近的小角度差信号源的DOA,从而证明了这种改进MUSIC算法的合理性.     

矢量水听器阵列MUSIC估计算法研究

矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,可以空间共点、同步测量声压和质点振速的各正交分量.采用矢量水听器均匀线阵研究了利用MUSIC算法对声源进行方位估计,对该算法进行了理论推导,并对数据协方差矩阵进行本征分解,获得了信号的空间谱估计.通过几个仿真对比试验,得出了该算法在多种条件下的高分辨方位估计性能.仿真结果表明,在SNR=10 dB条件下,相对于常规波束形成器输出,MUSIC空间谱的主波束宽度锐化了12.6°,旁瓣降低了22 dB左右,利用该算法可提高对信号源的定向精度及对多目标的分辨能力.     

阵列误差对无源探测快速测向性能的影响

为了定量分析存在方向图误差、位置误差、互耦误差、通道误差4种阵列误差的情况下,非合作无源探测系统的快速测向性能,通过矩阵范数与泰勒级数等理论分析,估计了无阵列误差时目标方向映射角的偏差范围,研究了阵列误差对阵列波束形成的影响,计算了存在阵列误差时目标方向映射角的估计偏差范围,得出并证明了较小阵列误差对方向映射角的估计方差几乎无影响的结论.仿真结果表明:阵列误差引起的最大波束幅度相对偏差为6.5%、信噪比为-20 dB时,16元等距线阵的最大方向映射角估计偏差与均方差均小于0.015 rad,与理论分析结果相符.     

一种新的二元水听器组左右舷分辨方法

为解决拖曳线列阵声呐的左右舷模糊问题,提出了一种新的二元水听器组左右舷分辨方法.该方法以移相处理为基础,将单个二元水听器看作一个小基阵.移相处理的目的是使从镜像源方向来的信号经处理后最小,进而使单个二元水听器具有心形指向性,从而保证二元水听器组能够分辨目标所处的左右舷.经过理论分析和湖试数据验证,证明了这种方法能有效解决大横截尺寸二元水听器组和小横截尺寸二元水听器组的左右舷模糊问题,适用范围广,算法简单,计算量小.     

非平稳信号自适应最大信噪比盲源分离方法

为了提高时变非平稳信号的盲源分离效果,提出了自适应最大信噪比盲源分离新方法.该方法以信噪比函数作为代价函数,并基于改进的多项式系数自回归模型,进行最优滑窗长度的自适应估计.仿真计算表明,FastICA算法需要预设源信号的概率密度函数,以选择适宜的非线性函数近似估计源信号的非高斯性,当假设的概率密度函数与实际不符时无法正确分离源信号;累积量算法在信源的峰度相同时无法正确分离源信号.新方法与经典的FastICA算法和基于累积量的盲源分离算法比较结果表明,对于经典的FastICA算法、累积量算法无法正确分离的时变非平稳信号,新方法能够有效地进行盲源分离,分离结果不受源信号的概率分布、信源的峰度等统计因素影响.      

基于等间隔线列阵的水下三维目标跟踪算法

简要介绍了三点垂直线阵被动定位的原理.结合矢量水听器测得的方位角和高低角及到达阵元间的时延差,建立了三维坐标下的状态方程和观测方程.运用扩展卡尔曼滤波算法,研究了该系统的目标运动分析问题.通过蒙特卡洛模拟仿真试验,结果表明上述方法具有较高的定位性能,有较强的使用价值.     

阵列天线DOA估计中MUSIC算法性能综合分析

阵列信号处理是现代信号处理中的一个重要分支,而信源定位又是阵列信号处理中的重要应用.常规的子空间算法———MUSIC算法可对到达角(DOA)实现超分辨估计.然而,MUSIC算法的超分辨率是在阵列信号模型精确条件下得到的,阵元数、阵元间距、信噪比、快拍数等因素对MUSIC算法的分辨率都会产生一定的影响.本文通过仿真,综合分析了阵元数、阵元间距、信噪比、快拍数等因素对MUSIC算法的分辨率产生的影响,同时表明了,快拍数相对其它参数对MUSIC算法分辨率的影响要小.     

基于子空间跟踪的波束形成算法

在期望信号方向发生变化或未知的情况下，为了获得较理想的波束形成，基于ESPRIT(借助旋转不变技术估计信号参数)方法，借助受限摄动子空间跟踪算法，提出了一种改进的波束形成算法．由于该算法采用子空间跟踪技术，对期望信号导向矢量能实时跟踪，从而能抑制时变信号的指向误差．计算机仿真结果表明，该算法获得的结果与已知期望信号方向理想情况下的波束形成结果相近．