【摘要】：陣列信號處理在現(xiàn)代信號處理的許多應(yīng)用中扮演著不可或缺的角色,從以天線陣列傳感器為代表的電磁波信號處理到以聲納、麥克風(fēng)傳感器為代表的聲波信號處理,均需要設(shè)計適當(dāng)?shù)年嚵行盘柼幚硭惴ㄒ詽M足不同的信號處理任務(wù)。而隨著電子數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,大規(guī)模、分布式的陣列信號處理技術(shù)以其增益高、空間多樣等優(yōu)點(diǎn)在越來越多的信號處理任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。隨之而來的陣列信號處理算法面臨計算復(fù)雜高、模型非線性程度強(qiáng)等難點(diǎn)。另一方面,現(xiàn)代優(yōu)化理論的發(fā)展為解決陣列信號處理算法所面臨的這些難點(diǎn)供了理論基石。本文圍繞現(xiàn)代陣列處理領(lǐng)域的三個關(guān)鍵應(yīng)用問題而展開,結(jié)合現(xiàn)代優(yōu)化理論,聚焦于設(shè)計、分析用于解決各關(guān)鍵應(yīng)用問題難點(diǎn)的最優(yōu)化算法。本文的主要研究的內(nèi)容包括:大規(guī)模陣列穩(wěn)健波束形成技術(shù)、多傳感器系統(tǒng)誤差校正技術(shù)以及相控陣?yán)走_(dá)子陣劃分技術(shù)。對于大規(guī)模陣列穩(wěn)健波束形成技術(shù),現(xiàn)有的穩(wěn)健波束形成技術(shù)其穩(wěn)健性能一方面受限于應(yīng)用場景,另一方面求解穩(wěn)健波束形成器模型往往需要計算復(fù)雜度較高的優(yōu)化算法,無法有效用于大規(guī)模陣列。因此,本文從造成波束形成性能損失的物理因素出發(fā),出了一種新的穩(wěn)健波束形成器,用于改善陣列導(dǎo)向矢量誤差、信號樣本誤差、波達(dá)方向誤差以及陣列自由度有限帶來的波束形成性能損失。所出的波束形成器模型通過在目標(biāo)和干擾信號周圍多個方向施加不等式約束以增加對波達(dá)方向誤差和信號樣本誤差的穩(wěn)健性,通過懲罰不等式約束和波束形成權(quán)系數(shù)的`_2范數(shù)以平衡陣列自由度有限和導(dǎo)向矢量誤差帶來的性能損失。根據(jù)所出穩(wěn)健波束形成器數(shù)學(xué)模型特征,取名為懲罰不等式約束最小方差波束形成器。為了高效地求解該波束形成器,尤其是針對大規(guī)模陣列的應(yīng)用,本文基于交替方向乘子法設(shè)計一種低計算復(fù)雜度的優(yōu)化算法以全局求解波束形成權(quán)系數(shù)。此外,所出懲罰不等式最小方差波束形成器還包含了一系列模型參數(shù)以面對實際中不同穩(wěn)健波束應(yīng)用需求。仿真實驗驗證了該波束形成器在天線自適應(yīng)干擾抑制、麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)以及大規(guī)模陣列特殊方向圖綜合應(yīng)用中的穩(wěn)健性和對不同應(yīng)用需求的適用性。多傳感器系統(tǒng)誤差校正是現(xiàn)代雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的必要前。過去幾十年的研究工作中大多集中在同步假設(shè)條件下,無法有效應(yīng)對實際中往往以異步方式工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文從基本的傳感器量測模型出發(fā),出了一種新的非線性最小二乘估計模型,用于從各傳感器異步量測數(shù)據(jù)中估計系統(tǒng)誤差。為了避免一階近似傳感器之間非線性坐標(biāo)變換所帶來的估計模型失配(現(xiàn)有研究工作所面臨的研究難點(diǎn)),本文首次將半正定松弛優(yōu)化方法引入到方位角系統(tǒng)誤差估計中,并在理論上證明了半正定松弛方法能全局求解方位角系統(tǒng)誤差估計問題�；趯Π胝ㄋ沙诜椒ǖ睦碚摲治�,本文設(shè)計了有一種交替迭代的優(yōu)化算法,用于求解所出的非線性最小二乘模型以估計各傳感器系統(tǒng)誤差。對比現(xiàn)有的五種傳感器系統(tǒng)誤差校正技術(shù),本文所出的模型和算法不僅在噪聲條件下有更高的估計精度同時在沒有噪聲時理論上保證了精確恢復(fù)各傳感器系統(tǒng)誤差。在相控陣子陣劃分的研究中,本文分析了子陣級波束形成的基本陣列信號處理模型�；谠撔盘柲Ｐ统隽藘深愖雨噭澐謨�(yōu)化準(zhǔn)則,方向圖逼近準(zhǔn)則和自適應(yīng)干擾抑制準(zhǔn)則。兩類準(zhǔn)則分別用于子陣級方向圖綜合和子陣級自適應(yīng)干擾抑制這兩個基本的波束形成任務(wù)。兩類優(yōu)化準(zhǔn)則所對應(yīng)的優(yōu)化模型均為混合0-1規(guī)劃問題且有相同的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu),即聯(lián)合優(yōu)化子陣結(jié)構(gòu)(0-1變量)和子陣級權(quán)系數(shù)(復(fù)數(shù)變量),以在子陣級逼近期望的方向圖或自適應(yīng)地抑制干擾。因此針對大型相控陣所帶來的大規(guī)模優(yōu)化變量,本文基于坐標(biāo)輪回下降算法設(shè)計了一種統(tǒng)一的低計算復(fù)雜度優(yōu)化算法,用于求解兩類準(zhǔn)則對應(yīng)的優(yōu)化模型。仿真實驗驗證了所設(shè)計的優(yōu)化算法在方向圖逼近準(zhǔn)則下能同時形成穩(wěn)定的低旁瓣和差波束,在自適應(yīng)干擾抑準(zhǔn)則下能有效調(diào)整子陣結(jié)構(gòu)從而抑制更多的干擾。
【圖文】：

rin和rout表示輸入和輸出的干擾語音信號均方根。從圖中可以看到，在 Setu 4 中，LCMV 和 ICMV 波束形成器對沒有施加約束條件的干擾也達(dá)到了抑制的，，這僅僅是場景設(shè)定的巧合。而在 Setup 2 和 3 中，被忽略的干擾語音源在波束中被放大了 10dB，導(dǎo)致整體波束形成輸出性能急劇下降，IW-SINRI 出現(xiàn)負(fù)值。過人耳主觀評價輸出的語音質(zhì)量，Setup 2 和 3 的語音質(zhì)量是非常糟糕的。相反于 P-ICMV 波束形成器，其通過懲罰函數(shù)自動地分配陣列自由度以同時抑制 4 個語音源，各個干擾語音源均被抑制了 10dB 左右。

MV 波束形成器在 1kHz 頻率點(diǎn)的方向圖。從方向圖中可以看出 P-ICMV 波束形在 4 個方向上均形成了較低的空間響應(yīng)，從而抑制四個干擾語音源。而對于 LCM ICMV 波束形成器，在 Setup 1 和 4 中這兩類波束形成器在對應(yīng)沒有施加約束條方向上也形成較低的空間響應(yīng)。而在 Setup 2 和 3 中，對應(yīng)沒有施加約束條件的上也形成了非常高的空間響應(yīng)，從而放大對應(yīng)干擾語音源。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN911.7

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本文編號：2621039