在海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中存在大量的窄帶連續(xù)波(CW)、寬帶線性調(diào)頻(LFM)、雙曲調(diào)頻(HFM)等主動(dòng)聲納脈沖信號(hào)和寬帶艦船輻射噪聲信號(hào)。如果能夠截獲這些信號(hào)并通過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)處理,則可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和定位�；陉嚵行盘�(hào)處理新技術(shù)的水聲截獲信號(hào)被動(dòng)定位方法具有平臺(tái)隱蔽性好、方位分辨率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì),正成為水聲信號(hào)處理領(lǐng)域的重要研究方向。其中,聚焦波束形成、分?jǐn)?shù)階傅里葉變換、壓縮感知等新技術(shù)在目標(biāo)被動(dòng)定位方面得到了大量的研究。然而,在現(xiàn)有方法中,有些針對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行定位,有些針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行定位,有些只適合處理LFM信號(hào)。如何將現(xiàn)有方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合與適當(dāng)改進(jìn),實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、窄帶、寬帶等多種條件下對(duì)多種水聲截獲信號(hào)的被動(dòng)定位,值得深入研究。為此,本文開(kāi)展了如下創(chuàng)新性研究工作:(1)針對(duì)近場(chǎng)環(huán)境窄帶CW脈沖信號(hào)被動(dòng)定位問(wèn)題,本文研究了常規(guī)(C-FB)、最小方差無(wú)失真響應(yīng)(MVDR-FB)、多重信號(hào)分類(lèi)(MUSIC-FB)等三種典型聚焦波束形成被動(dòng)定位方法,提出了一種基于空間譜偽峰數(shù)量估計(jì)的定位性能分析方法,從一個(gè)新的角度對(duì)聚焦波束形成技術(shù)應(yīng)用于水下目標(biāo)被動(dòng)定位的性能進(jìn)行分析。定義了空間譜偽峰并給出了偽峰數(shù)量估計(jì)方法,在此基礎(chǔ)上,分析了信噪比、信號(hào)頻率、目標(biāo)距離、偽峰檢測(cè)門(mén)限等因素對(duì)三種方法性能的影響�；诜抡娣治鼋Y(jié)果,本文提出了一種基于偽峰數(shù)量收斂的偽峰檢測(cè)門(mén)限設(shè)置及分類(lèi)方法,為后續(xù)章節(jié)中近場(chǎng)水聲環(huán)境被動(dòng)定位方法研究提供技術(shù)支持。(2)現(xiàn)有分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(FRFT)目標(biāo)被動(dòng)定位方法一般是針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的被動(dòng)測(cè)向,在近場(chǎng)環(huán)境中直接應(yīng)用時(shí)存在測(cè)向誤差增大、不能實(shí)現(xiàn)被動(dòng)測(cè)距等問(wèn)題。本文提出了一種基于FRFT和MUSIC-FB的近場(chǎng)寬帶LFM信號(hào)被動(dòng)測(cè)向與測(cè)距方法(FRFT-MUSIC-FB)。建立了基于球面波模型的近場(chǎng)寬帶LFM信號(hào)接收數(shù)據(jù)模型,將傳統(tǒng)的陣列數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為分?jǐn)?shù)階傅里葉域陣列數(shù)據(jù)模型,同時(shí)將LFM信號(hào)的時(shí)變陣列流形矩陣變換為固定陣列流形矩陣,結(jié)合近場(chǎng)聲源的聚焦波束形成技術(shù),利用MUSIC方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)LFM信號(hào)方位與距離的聯(lián)合估計(jì)。仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明,該方法具有較高的定位精度、較強(qiáng)的抗噪性和抗多徑干擾特性。(3)針對(duì)現(xiàn)有FRFT目標(biāo)被動(dòng)定位方法對(duì)頻率非線性變化的HFM信號(hào)定位誤差增大的問(wèn)題,本文采用分段線性化策略,基于時(shí)域分段FRFT和MUSIC方法,分別提出了遠(yuǎn)場(chǎng)寬帶HFM信號(hào)波達(dá)方向(DOA)估計(jì)方法(TPFRFT-MUSIC)和近場(chǎng)寬帶HFM信號(hào)被動(dòng)測(cè)向與測(cè)距方法(TPFRFT-MUSIC-FB)。首先,用多個(gè)短時(shí)LFM信號(hào)近似表示了 HFM信號(hào),分別建立了均勻線列陣聲納遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)寬帶HFM信號(hào)接收數(shù)據(jù)模型;其次,對(duì)接收到的HFM信號(hào)進(jìn)行短時(shí)分段處理,將每一段短時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)化成短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域接收數(shù)據(jù),同時(shí)將HFM信號(hào)的時(shí)變陣列流形矩陣變換為多個(gè)固定的陣列流形矩陣;最后,利用MUSIC方法估計(jì)各短時(shí)信號(hào)的空間譜,通過(guò)求和運(yùn)算得到HFM信號(hào)空間譜,實(shí)現(xiàn)了 HFM信號(hào)的被動(dòng)定位。通過(guò)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn),詳細(xì)分析了時(shí)域分段數(shù)、信噪比、目標(biāo)位置等參數(shù)對(duì)該方法性能的影響,與現(xiàn)有方法相比,該方法具有較高的分辨率和估計(jì)精度。(4)針對(duì)壓縮感知理論在水聲近場(chǎng)目標(biāo)被動(dòng)定位中的空間網(wǎng)格劃分、完備陣列流形構(gòu)建等問(wèn)題,本文提出了一種基于壓縮感知理論的近場(chǎng)水聲目標(biāo)被動(dòng)定位方法(CS-FB)。按照先方位后距離的方法對(duì)近場(chǎng)信號(hào)源分布空間進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,通過(guò)均勻距離間隔構(gòu)造了某一方位上的完備陣列流形矩陣,基于壓縮感知理論和近場(chǎng)線列陣接收數(shù)據(jù)模型構(gòu)造了凸優(yōu)化模型,通過(guò)對(duì)該模型的求解實(shí)現(xiàn)了水聲近場(chǎng)目標(biāo)的被動(dòng)測(cè)向與測(cè)距。仿真結(jié)果表明,該方法可有效解決現(xiàn)有聚焦波束形成技術(shù)對(duì)目標(biāo)距離估計(jì)不敏感的問(wèn)題,能夠較為精確地實(shí)現(xiàn)水下多目標(biāo)的被動(dòng)測(cè)向和測(cè)距。與現(xiàn)有方法相比,該方法具有距離分辨率高、目標(biāo)方向盲區(qū)小、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。(5)針對(duì)現(xiàn)有寬帶波束形成目標(biāo)被動(dòng)定位方法對(duì)以艦船輻射噪聲為代表的水聲寬帶弱目標(biāo)定位分辨率較低的問(wèn)題,本文提出了一種基于相干信號(hào)子空間和壓縮感知理論的水聲寬帶目標(biāo)DOA估計(jì)方法(CSS-CS)�；谙喔尚盘�(hào)子空間寬帶信號(hào)處理框架,采用雙邊相關(guān)變換算法對(duì)寬帶信號(hào)各頻率進(jìn)行聚焦,然后利用目標(biāo)的空間稀疏性和壓縮感知重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)了水聲寬帶目標(biāo)DOA估計(jì)。仿真和海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明,與現(xiàn)有方法相比,該方法能提高弱目標(biāo)的空間譜,具有更好的弱目標(biāo)檢測(cè)和方位估計(jì)能力。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TN911.7
【部分圖文】：

通過(guò)優(yōu)化測(cè)量矩陣，提高了算法的抗噪性Ｌｉ通過(guò)研究陣列的對(duì)稱特性，??構(gòu)造了僅與ＤＯＡ相關(guān)的近似相關(guān)向量，應(yīng)用稀疏重構(gòu)方位估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定分布噪??聲下的近場(chǎng)信號(hào)源被動(dòng)定位［１５５］。Ｑｉａｎ研宄了傳感器位置不確定和非均勻噪聲條件下的??ＣＳ多信源定位方法［１５叱Ｅｌｂｉｒ通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)方向矢量構(gòu)造字典矩陣，提出了一種基于??ＣＳ理論的遠(yuǎn)場(chǎng)源和近場(chǎng)源聯(lián)合定位方法［１５７，１５８］。時(shí)潔等人提出了一種基于ＣＳ理論的矢??量陣聚焦波束形成定位方法，實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)環(huán)境下同頻相干聲源的定位與識(shí)別［１５９］。??綜上所述，ＣＳ理論在信號(hào)被動(dòng)定位領(lǐng)域獲得了廣泛的研宂，也取得了比較好的效??果。目前的研宄主要是集中在對(duì)電磁波信號(hào)或近場(chǎng)語(yǔ)音信號(hào)的被動(dòng)定位中，對(duì)于主動(dòng)聲??納脈沖、寬帶艦船輻射噪聲等水聲信號(hào)的被動(dòng)定位問(wèn)題研究還比較少，如何將ＣＳ理論??應(yīng)用于均勻線列陣聲納對(duì)截獲信號(hào)的被動(dòng)定位中值得深入研宄。為此，本文分別提出了??一種基于近場(chǎng)球面波接收數(shù)據(jù)模型和ＣＳ理論的水聲近場(chǎng)目標(biāo)信號(hào)被動(dòng)定位方法、一種??基于相干信號(hào)子空間和ＣＳ理論的水聲寬帶目標(biāo)ＤＯＡ估計(jì)方法。??１．３本文主要研究?jī)?nèi)容??１．３．１本文研究框架??本文研宄框架如圖１．１所示。??

????本文在全面總結(jié)現(xiàn)有目標(biāo)被動(dòng)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)ＣＷ、ＬＦＭ、ＨＦＭ等主動(dòng)??聲納脈沖信號(hào)和寬帶艦船輻射噪聲信號(hào)的基本特點(diǎn)，重點(diǎn)研究基于均勻線列陣聲納的水??聲截獲信號(hào)被動(dòng)定位方法。??針對(duì)窄帶ＣＷ脈沖信號(hào)，研宄Ｃ－ＦＢ、ＭＶＤＲ－ＦＢ、ＭＵＳＩＣＪＢ等聚焦波束形成技術(shù)，??在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研宄基于ＣＳ理論的窄帶ＣＷ脈沖信號(hào)被動(dòng)定位方法。??針對(duì)寬帶ＬＦＭ脈沖信號(hào)，以分?jǐn)?shù)階傅里葉變換為基礎(chǔ)開(kāi)展研宄，研宄基于分?jǐn)?shù)階??傅里葉變換和ＭＵＳＩＣ－ＦＢ的ＬＦＭ信號(hào)被動(dòng)定位方法。??針對(duì)頻率非線性變化的寬帶ＨＦＭ脈沖信號(hào)，將ＨＦＭ信號(hào)用多段ＬＦＭ信號(hào)近似表??示，在此基礎(chǔ)上研究基于時(shí)域分段分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的ＨＦＭ信號(hào)被動(dòng)定位方法。??針對(duì)寬帶艦船輻射噪聲信號(hào)，重點(diǎn)研究基于相干子空間寬帶信號(hào)處理框架和ＣＳ理??論的艦船輻射噪聲ＤＯＡ估計(jì)方法。??１．３．２各章節(jié)主要研究?jī)?nèi)容??根據(jù)上述研宄技術(shù)路線，本文主要研宄工作及各重點(diǎn)章節(jié)關(guān)系如圖１．２所示。??

設(shè)在近場(chǎng)環(huán)境中，均勻線列陣聲納有Ｍ個(gè)接收陣元，陣元間距為將陣列第１個(gè)陣??元作為參考陣元，并標(biāo)記為１點(diǎn)，近場(chǎng)環(huán)境中存在０個(gè)窄帶目標(biāo)源信號(hào)。均勻線列陣近??場(chǎng)接收數(shù)據(jù)模型［７｜＿７４］如圖２．１所示。??ｙ個(gè)??＾近場(chǎng)聲源９??ｉｒ－■／?ｒｉｍ??〇?ｄ￣￣〇?ｏ?〇?？??１２?ｍ?Ｍ?Ｘ??參考陣元??圖２．１均勻線列陣近場(chǎng)信號(hào)接收模型＾??Ｆｉｇ．?２．１?Ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｒｅｃｅｉｖｅｄ?ｓｉｇｎａｌ?ｂｙ?ＵＬＡ?ｉｎ?ｎｅａｒ?ｆｉｅｌｄ１７＾??圖２．１中，第ｇ個(gè)聲源到達(dá)第ｍ個(gè)陣元的距離為／＾，設(shè)該聲源與參考陣元（１號(hào)陣??元）的距離＼和方位角＆，為該聲源與整個(gè)線列陣的距離＼和方位角＆，即??ｆｅ＝：：?－??設(shè)第ｍ個(gè)陣元接收信號(hào)的時(shí)域一般形式為??＾，（〇?＝?Ｚ５？（ｒ＿ｒ？ｍ?）?＋?？？（〇？?ｍ?＝?（２．２）??分＝１??式中，表示第＾個(gè)信號(hào)，表示第＾個(gè)信號(hào)到達(dá)均勻線列陣聲納第ｍ個(gè)陣元時(shí)相??對(duì)于參考陣元（１號(hào)陣元）的時(shí)延，是附加的高斯白噪聲。當(dāng)實(shí)信號(hào)是窄帶信號(hào)時(shí)，??用其解析形式可以更為方便地表示基陣的接收信號(hào)，（２．２）式的解析形式為??Ｑ??＾?（０?＝?（０?ｅｘｐ?（－ｙ＾ｍ）?＋?ｎｍ?（０?（２．３）??令＝１??式中，％？是第ｇ個(gè)信號(hào)到達(dá)第ｗ個(gè)陣元相對(duì)于參考陣元（１號(hào)陣元）的相位差，定義如下??（Ｐｑｍ＝＾ｆ｛ｆｑｍ－ｒｑ）?
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2862764