發(fā)布時間：2018-06-22 15:27

  本文選題：寬帶波束形成 + 聚焦變換�。� 參考：《西北工業(yè)大學》2015年博士論文

【摘要】：在水聲信號處理領域中寬帶信號波束形成是其主要的研究方向之一,對寬帶水聲信號的處理遠比窄帶信號困難很多。本文研究了通過聚焦變換實現(xiàn)寬帶信號的波束形成算法,并通過仿真和實驗對算法進行驗證。具體的研究內(nèi)容包括:1、研究了經(jīng)典的窄帶信號的波束形成算法,給出了常用基陣的理想陣列流形和實測陣列流形的計算方法,描述了用于驗證本文算法的實測陣列流形的獲取方法和步驟。2、研究了決定寬帶聚焦波束形成算法效果的兩個因素。一個是聚焦矩陣,一個是聚焦頻率。給出了最佳聚焦矩陣和最佳聚焦頻率的確定方法,并根據(jù)最佳聚焦矩陣的不同求解方法給出了不同的聚焦算法。文中首次對最佳聚焦頻率的有效性進行了仿真分析和水池實驗的驗證。仿真分析和水池實驗表明:在最佳聚焦頻率處實現(xiàn)的寬帶聚焦波束形成具有更好的效果。3、提出基于最佳聚焦頻率的二階錐寬帶聚焦波束形成算法。首先對二階錐規(guī)劃方法以及二階錐規(guī)劃的求解軟件SeDuMi進行了介紹,描述了將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃求解形式的過程。然后介紹了基于二階錐規(guī)劃的常用波束形成算法,在基于二階錐的寬帶聚焦波束形成算法中,引入了最佳聚焦頻率的確定方法,提出基于最佳聚焦頻率的二階錐寬帶聚焦波束形成算法,并通過仿真實驗以及水池實驗驗證了該算法的有效性。仿真分析和水池實驗表明:本文提出的基于最佳聚焦頻率的二階錐寬帶聚焦波束形成算法充分利用了最佳聚焦頻率的有效性,又結合了二階錐的窄帶波束形成算法,使寬帶聚焦波束圖主瓣更窄,旁瓣級更低。4、與RCB(Robust Capon Beamforming)算法相結合,提出了一種優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法。首先介紹了橢球體的基本理論,在橢球體的不確定約束條件的基礎上,從協(xié)方差估計的角度介紹了RCB算法的原理,并對RCB算法進行了詳細的求解,最后給出了RCB算法的具體求解步驟,在仿真實驗中通過與MVDR(Minimum Variance Distortionless Response)算法在窄帶波束形成中的對比,體現(xiàn)了RCB算法的優(yōu)越性。由于通過RCB算法可以得到更接近真實的導向矢量,因此可以將其與寬帶聚焦波束形成算法相結合,用來修正聚焦變換預處理的聚焦矩陣。本文充分考慮了最佳聚焦頻率的確定問題,與RCB算法相結合,提出了一種優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法。仿真實驗以及水池實驗表明寬帶信號通過RCB算法校正的最佳聚焦矩陣聚焦到最佳聚焦頻率上可以得到更窄的主瓣,使束寬保持較好的恒定,并且旁瓣級也更低。5、提出了一種雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法。首先,利用RCB算法修正聚焦矩陣,然后使由寬帶信號劃分的各個窄帶信號通過修正后的聚焦矩陣聚焦在確定的最佳聚焦頻率上,最后再對窄帶數(shù)據(jù)利用二階錐方法實現(xiàn)波束形成。仿真實驗、水池實驗以及湖試實驗表明雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法充分利用了RCB算法,最佳聚焦頻率,二階錐波束形成算法的優(yōu)點,綜合作用于寬帶波束,使得實現(xiàn)的寬帶聚焦波束形成在本論文中具有最優(yōu)的波束形成效果。
[Abstract]:Wideband signal beamforming is one of the main research directions in the field of underwater acoustic signal processing. The processing of wideband acoustic signal is much more difficult than that of narrow band signal. This paper studies the beam forming algorithm of wideband signal through focusing transformation, and validates the algorithm through simulation and experiment. The specific research contents include: 1, The classical beamforming algorithm of narrow band signal is studied. The calculation method of the ideal array manifold and the measured array manifold of the common base array is given. The method and step of obtaining the measured array manifold used to verify this algorithm.2 are described. Two factors determining the effect of the wide-band focusing beamforming method are studied. One is the focusing moment. One is the focusing frequency. The optimal focusing matrix and the optimal focusing frequency are given, and different focusing algorithms are given according to the different solution methods of the best focusing matrix. The validity of the optimal focusing frequency is first simulated and verified by the pool experiment. The broadband focused beam formed at the best focusing frequency has a better effect.3. The two order cone broadband focusing beamforming algorithm based on the best focusing frequency is proposed. First, the two order cone programming and the solution software SeDuMi of the two order cone programming are introduced, and the optimization problem is transformed into a two order cone programming solution. Then the common beamforming algorithm based on the two order cone programming is introduced. In the wide-band focusing beam forming algorithm based on the two order cone, the optimal focusing frequency is introduced and the two order conical wideband focusing beam forming algorithm based on the optimal focusing frequency is proposed. The algorithm is verified by simulation experiments and pool experiments. Simulation analysis and pool experiments show that the two order conical wideband focusing beamforming algorithm based on the best focusing frequency makes full use of the effectiveness of the best focusing frequency, and combines the narrowband beam forming algorithm of the two order cone, which makes the main lobe of the wideband focused beampattern narrower, the side lobe lower.4, and RCB (Robust Capo). N Beamforming) combined with the algorithm, an optimized wideband focusing beam forming algorithm is proposed. First, the basic theory of ellipsoid is introduced. Based on the uncertainty of the ellipsoid, the principle of the RCB algorithm is introduced from the angle of covariance estimation, and the RCB algorithm is solved in detail. Finally, the RCB algorithm is given. In the simulation experiment, the comparison of the MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) algorithm in the narrowband beam formation shows the superiority of the RCB algorithm. Because the RCB algorithm can get closer to the true guidance vector, it can be combined with the wide-band focusing beam forming algorithm for correction. Focusing on the focused transformation preprocessed focus matrix. In this paper, the optimal focusing frequency is fully considered. An optimized wideband focusing beam forming algorithm is proposed by combining with the RCB algorithm. The simulation experiment and the pool experiment show that the best focus matrix corrected by the RCB algorithm can be obtained on the optimal focusing frequency. To a narrower main lobe, the width of the beam is kept constant and the sidelobe level is lower.5. A dual optimized wideband focusing beam forming algorithm is proposed. First, the focus matrix is corrected by the RCB algorithm, and the narrowband signals divided by the broadband signal are focused on the optimal focusing frequency by the corrected focusing matrix. Finally, the two order cone method is used to realize the beamforming. The simulation experiment, the pool experiment and the lake test experiment show that the dual optimized wideband focusing beam forming algorithm fully utilizes the advantages of the RCB algorithm, the best focusing frequency and the two order cone beamforming algorithm. Beam forming has the best beamforming effect in this paper.
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U666.7

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本文編號：2053269