本文關(guān)鍵詞：基于水下陣列的被動(dòng)測(cè)向和干擾抑制技術(shù)研究　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：在水聲工程領(lǐng)域,水下信道復(fù)雜的物理特性極大限制了聲信號(hào)有效、穩(wěn)定的傳播,給信號(hào)的接收、檢測(cè)、估計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。水下聲信道對(duì)聲信號(hào)的影響具體表現(xiàn)在:海水介質(zhì)對(duì)聲波能量的吸收明顯,聲波在海洋傳播過程中散射、反射、混響、多途效應(yīng)顯著,海洋環(huán)境噪聲影響等等。淺海環(huán)境中由于海水介質(zhì)分布不均勻、海水溫度隨深度變化明顯,上述的影響會(huì)進(jìn)一步加劇。另外,人為的噪聲同樣會(huì)給信號(hào)處理效果帶來影響。因此,水下聲信號(hào)處理可以歸結(jié)為“強(qiáng)損耗、強(qiáng)干擾環(huán)境下微弱信號(hào)的處理”。在這種情況下,利用信號(hào)空間特性的陣列信號(hào)處理技術(shù)在水下信號(hào)處理方面體現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)。本文在研究過程中考慮了四種導(dǎo)致水下基陣性能下降、性能亟待提升的工作場(chǎng)景,在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上結(jié)合干擾抑制技術(shù)、魯棒性接收技術(shù)、稀疏表示理論以及盲源分離理論,探索提升水下被動(dòng)監(jiān)測(cè)、信號(hào)接收性能的信號(hào)處理方法。本文的主要研究內(nèi)容包括:首先,提出了一種遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)被動(dòng)監(jiān)測(cè)過程中近場(chǎng)干擾的抑制算法。對(duì)于固定式的水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng),當(dāng)本方艦艇返航、入港�？�、維修的時(shí)候,艦船的輻射噪聲以及艦載、船載電子設(shè)備的噪聲都會(huì)對(duì)該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能造成很大的影響。這時(shí)來自螺旋槳、船載電子設(shè)備的干擾,通常位于基陣的近場(chǎng)范圍,會(huì)對(duì)基陣的監(jiān)測(cè)效果產(chǎn)生非常大的影響。然而傳統(tǒng)的干擾抑制算法基于目標(biāo)和干擾處于遠(yuǎn)場(chǎng)的假設(shè),與實(shí)際情況并不相符。為了抑制本方艦船自噪聲對(duì)固定式聲納系統(tǒng)的影響,本文提出了一種波束零陷權(quán)的設(shè)計(jì)方法。該權(quán)可以在不影響遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)的情況下在近場(chǎng)某一特定位置或某一特定區(qū)域形成指向性零點(diǎn),達(dá)到對(duì)近場(chǎng)干擾進(jìn)行抑制的目的。該方法的優(yōu)勢(shì)在于:(1)權(quán)的形式僅與干擾源所在空間的位置坐標(biāo)有關(guān),不會(huì)影響遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的探測(cè)、避免產(chǎn)生探測(cè)盲區(qū);(2)該權(quán)產(chǎn)生的波束零陷可以預(yù)成不需要實(shí)時(shí)計(jì)算,因此計(jì)算量小,適合工程應(yīng)用;(3)該算法不受陣列形狀的限制;(4)該算法適用于相干源的情況。其次,基于MD(Minimum Dispersion)準(zhǔn)則本文提出了一種水下非高斯信號(hào)穩(wěn)定接收的算法。實(shí)際工程中經(jīng)常遇到以下兩種情況:(1)基陣的測(cè)量區(qū)域存在強(qiáng)干擾源,且干擾源的AOA(Angleofarrival)隨著時(shí)間迅速變化;(2)目標(biāo)和干擾輻射的信號(hào)均服從非高斯分布。以上兩種情況中,傳統(tǒng)自適應(yīng)波束形成器的性能退化嚴(yán)重。為了克服這個(gè)問題,本文利用信號(hào)和干擾的非高斯特性將傳統(tǒng)自適應(yīng)波束的MV(Minimum Variance)準(zhǔn)則更新為MD準(zhǔn)則,以提高波束形成器對(duì)非高斯信號(hào)的接收性能。在此基礎(chǔ)上通過約束波束輸出在非穩(wěn)定干擾可能擴(kuò)展角度范圍的平均功率,消除非穩(wěn)定干擾在波束輸出中的能量。從而實(shí)現(xiàn)了非穩(wěn)定干擾下,對(duì)水下非高斯信號(hào)的穩(wěn)定接收。與以往的波束形成器相比,本文提出的方法有兩方面的優(yōu)勢(shì):(1)在非穩(wěn)定干擾源存在的情況下,本文提出的波束形成器對(duì)非高斯SOI(Signal of interest)的接收性能與MDDR波束形成器一致;(2)在干擾可能擴(kuò)展的角度范圍,本文提出的波束形成器可以提供一個(gè)寬的波束零陷,因此對(duì)于水下信號(hào)的接收具有魯棒性。本文同時(shí)對(duì)文中提出的波束形成器給出了三種快速實(shí)現(xiàn)算法,即類MVDR算法,基于牛頓法的下降算法,改進(jìn)的梯度投影算法。對(duì)這三種快速算法,給出了輸出信干噪比(Signal-to-interference-plus-noise Ratio,SINR)、收斂特性、計(jì)算復(fù)雜度等方面的性能分析。再次,本文進(jìn)行了基于壓縮感知理論的水下目標(biāo)被動(dòng)測(cè)向應(yīng)用技術(shù)研究。該研究是在壓縮感知理論框架下,利用水下目標(biāo)在空間稀疏分布的前提,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)方位的參數(shù)估計(jì)。該部分的工作可以分為三個(gè)部分:(1)從工程應(yīng)用的角度介紹了壓縮感知理論當(dāng)中常用的性能評(píng)價(jià)參數(shù),RIP常數(shù)和相關(guān)系數(shù)。從量測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度分析了壓縮感知量測(cè)系統(tǒng),由此印證了隨機(jī)矩陣更適合作為量測(cè)矩陣的結(jié)論;(2)研究了一種基于“接收數(shù)據(jù)稀疏表示的DOA(Direction of arrival)估計(jì)”算法,給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程和改進(jìn)的恢復(fù)算法。利用感知矩陣的性質(zhì),對(duì)該DOA估計(jì)算法的估計(jì)誤差給出了定量分析,獲得的結(jié)論可對(duì)該算法在工程應(yīng)用中的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過分析感知矩陣的Gram矩陣的結(jié)構(gòu),對(duì)“高精度的DOA估計(jì)”這一需求給出了陣列結(jié)構(gòu)選擇上的建議;(3)研究了一種基于“接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣稀疏表示的DOA估計(jì)”算法,給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程,并且給出了一種加速獲得稀疏解的改進(jìn)算法。相較于上一種算法,該算法計(jì)算量小、目標(biāo)方位估計(jì)精度高。最后,研究了基于虛擬陣元的盲源分離技術(shù),并且將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于海洋哺乳動(dòng)物聲學(xué)監(jiān)測(cè)當(dāng)中。一般來說,陣的尺寸越大,陣處理的效果越好。但是陣列孔徑的增大,給陣列的布放、探測(cè)的機(jī)動(dòng)性都帶來了很大的限制。虛擬陣元的方法在陣列現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用信號(hào)傳播時(shí)延可以擴(kuò)展陣的孔徑。虛擬陣技術(shù)與盲源分離理論相結(jié)合,為欠定盲分離的問題的解決提供了一種途徑。在此基礎(chǔ)上提出了多次盲分離的概念,即將上一次盲分離的結(jié)果再次輸入盲源分離器進(jìn)行二次盲分離,多次盲分離后的結(jié)果與源信號(hào)具有更高的相關(guān)性。近年來海洋哺乳動(dòng)物聲信號(hào)的研究引起了越來越多的關(guān)注,本文將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于海洋哺乳動(dòng)物聲學(xué)監(jiān)測(cè)中,可以提高聲學(xué)監(jiān)測(cè)的效率,同時(shí)為后續(xù)海洋哺乳動(dòng)物信號(hào)的分類、識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:In the field of underwater acoustic engineering , the complex physical properties of underwater channels greatly limit the effective and stable propagation of acoustic signals . The effect of underwater acoustic channel on acoustic signals is greatly affected . In this case , the interference from propeller and ship - borne electronic equipment has a great influence on the monitoring performance of the system . In this case , the underwater acoustic signal processing can be summed up as " strong loss and strong interference environment " . ( 3 ) The algorithm is not limited by the shape of the array ; ( 4 ) The algorithm is applicable to the case of the coherent source . Secondly , based on the MD ( Minimum Variance ) criterion , the performance analysis of the underwater non - Gaussian signal is presented . Based on the analysis of the structure of the Gram matrix of the perceptual matrix , the paper presents a detailed derivation process for the requirement of " DOA estimation with high precision " .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN911.7

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