基于JADE算法的矢量水听器阵列信号盲估计研究

标量声压水听器线阵无法估计信号的二维到达角（方位角和俯仰角）,并且对来波方向相同的信号无法分辨.针对这一情况,文中引入盲信号处理理论,将JADE（特征矩阵联合近似对角化）算法与矢量水听器阵列技术相结合,提出了一种新的阵列信号盲估计算法.该算法应用在结构简单的矢量水听器线阵上,在信号方向矢量没有任何先验知识情况下,对阵列流型矩阵进行盲估计,进而估计出源信号的频率和二维到达角,并实现对来波方向相同信号的辨识.仿真实验证明了算法的有效性.     

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.     

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.     

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.     

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．     

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.     

单矢量水听器改进MUSIC算法的噪声抑制性能研究

针对MUSIC算法在相干噪声背景下估计目标方位性能下降的问题,利用酉变换的空时相关矩阵（unitary spatio-temporal correlation matrice—USTCM）,替代MUSIC算法中的数据协方差矩阵,设计了单矢量水听器的USTC-MUSIC算法,通过仿真验证了新方法不论噪声是不相干或相干,其噪声抑制能力和目标分辨能力均优于原方法.     

矢量水听器线列阵的被动合成孔径技术

针对拖曳线列阵声纳的方位估计问题，提出了由矢量水听器构成线列阵，运用被动合成孔径技术来提高方位估计性能的方法．该方法利用矢量水听器本身所具有的cosθ形式的指向性，从而克服了由传统声压水听器构成的线列阵所固有的左右舷模糊问题；利用舰船噪声低频段的线谱成分，采用被动合成孔径技术实现有效孔径的扩展，从而以小物理孔径的拖线阵达到大物理孔径拖线阵才具有的方位分辨力．通过仿真实验，验证了该方法的可行性和有效性．     

基于WVD-MUISC算法的单矢量水听器DOA估计

针对MUSIC算法在非平稳噪声背景下DOA估计性能下降和信源个数受限的问题,利用空间时频分布（spatial time-frequency distribution ,STFD）,选择时频点构造时频相关矩阵,替代MU-SIC算法中的相关矩阵,设计了单矢量水听器DOA估计的WVD-MUSIC算法,通过仿真验证了新方法在噪声抑制能力、空间分辨能力和多目标分辨能力优于原方法。     

基于矢量传感器阵列的改进MUSIC算法DOA估计

鉴于传统的MUSIC(Multiple Signal Classification)算法分辨率不高且在阵元数目较少的情况下对目标信号方位估计不佳等问题,提出了一种基于矢量传感器的改进MUSIC算法。该方法对空间谱函数进行处理,以得到更加优化的方位估计。从阵元数目和分辨角度等方面与传统的MUSIC算法对比,实验仿真表明该算法相对于传统的MUSIC算法有着明显的优越性。     

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．     

分界面上基于矢量水听器阵列空间谱DOA估计

矢量水听器通常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，可同时测量声信号的振速和声压．为了了解复杂分界面上矢量水听器阵列的定向性能，根据分界面上平面波的反射模型，提出了改进的Bartlett和Capon空间谱，建立了统一框架，并且在绝对硬边界典型界面下，分析了基于矢量水听器阵列的定向性能．给出了具体算例．     

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.     

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.     

基于STFD和PARAFAC的欠定盲源分离信源个数估计算法

为更精确地进行欠定混合条件下的信源个数估计,提出了一种基于空间时频分布（STFP）与平行因子分析（PARAFAC）的欠定盲源分离信源个数估计算法.该算法从空间时频分布矩阵中选择符合单源时频支撑域的时频点构成1个3阶张量,然后由核连续诊断算法计算因子数量,估计出信源个数,并对3阶张量平行因子低秩分解的惟一性条件进行了分析.该算法不需要假设源信号必须满足稀疏性和独立性条件,也不要求其满足高斯分布条件.在计算机仿真实验中,当信噪比为-5 dB时,识别正确率提高18 dB,证明了改进算法的有效性.