基于二階錐規(guī)劃的波束優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、波束形成作為現(xiàn)代聲吶陣列信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要應(yīng)用包括目標(biāo)的方位估計(jì)和信號(hào)的有效接收。如何根據(jù)實(shí)際的工程需求對(duì)波束的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行綜合優(yōu)化，從而提高聲吶陣列對(duì)水下目標(biāo)定位和檢測(cè)的能力，一直是陣列信號(hào)處理的主要任務(wù)之一。二階錐規(guī)劃的引入給波束優(yōu)化技術(shù)帶來了新的契機(jī)。本文詳細(xì)研究了基于二階錐規(guī)劃的波束優(yōu)化技術(shù)，并對(duì)目標(biāo)方位估計(jì)的波束優(yōu)化、目標(biāo)二維聲成像的波束優(yōu)化、恒定束寬的波束優(yōu)化進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。具體內(nèi)容包括：
　　

2、1.研究了波束形成的原理以及波束形成的時(shí)域和頻域?qū)崿F(xiàn)方式，描述了波束形成波束圖和方位譜之間的聯(lián)系。通過對(duì)波束圖各項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)，給出了數(shù)據(jù)獨(dú)立的波束設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)表達(dá)式，并利用二階錐規(guī)劃計(jì)算出波束優(yōu)化的最優(yōu)權(quán)值。通過構(gòu)造不同的優(yōu)化準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)出可以兼顧主瓣精度、旁瓣級(jí)、零陷深度和穩(wěn)健性等多個(gè)性能指標(biāo)的優(yōu)化波束，且對(duì)陣列的形狀無要求，適用于任意形狀的陣列。但是由于設(shè)計(jì)的優(yōu)化權(quán)值完全依賴于陣列流形，在陣列流形發(fā)生偏差時(shí)，波束優(yōu)化的性能下降，需要對(duì)

3、陣列流形進(jìn)行校正或采用對(duì)陣列誤差較寬容的穩(wěn)健波束優(yōu)化算法。
　　2.基于波形分集的集中式MIMO虛擬陣列技術(shù)可以在節(jié)省陣元的前提下，提高方位估計(jì)的分辨力。為了提高系統(tǒng)的性能，同樣需要對(duì)虛擬陣列進(jìn)行波束優(yōu)化。針對(duì)雙基地MIMO聲吶無法直接利用虛擬陣列技術(shù)的缺陷，本文結(jié)合雙基地目標(biāo)定位解算，將雙基地MIMO聲吶的二維合成方向矢量轉(zhuǎn)化為隨目標(biāo)位置變化的一維虛擬陣列的陣列流形，保留了虛擬陣列技術(shù)提高目標(biāo)分辨力的優(yōu)勢(shì)。研究了雙基地MIMO虛

4、擬陣列的波束圖與接收波束圖和發(fā)射波束圖的關(guān)系。討論了由于波束圖在角度域之間的映射是非線性的，導(dǎo)致合成的虛擬陣列波束性能嚴(yán)重下降的問題，并提出了一種基于二階錐規(guī)劃的抗陣列流形失配穩(wěn)健波束優(yōu)化算法，在兼顧固定方向上相干干擾抑制和旁瓣控制的同時(shí)，提高了波束優(yōu)化算法對(duì)陣列流形失配的寬容性，并進(jìn)行了水池試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　3.由于二維聲成像要求同時(shí)具有距離和角度的分辨能力，需要在時(shí)域上進(jìn)行滑動(dòng)窗的信號(hào)截取。而常規(guī)的滑窗過程導(dǎo)致陣列接收信號(hào)矢量與

5、陣列流形失配，波束優(yōu)化的性能下降。針對(duì)二維聲成像的常規(guī)滑動(dòng)窗無法在滿足距離分辨力的同時(shí)，保證波束優(yōu)化性能的缺陷，本文給出一種改進(jìn)的固定距離滑窗模型，通過仿真模擬出不同距離上的滑窗過程，將窗內(nèi)截取的理論陣列的接收信號(hào)矢量代替陣列流形來進(jìn)行基于二階錐規(guī)劃的權(quán)值設(shè)計(jì)。以犧牲部分的距離分辨性能為代價(jià)，保證了波束優(yōu)化的性能。同時(shí)研究了相干干擾情況下的二維聲成像優(yōu)化技術(shù)，通過波束優(yōu)化設(shè)計(jì)干擾位置處的零陷，實(shí)現(xiàn)了圖像域的相干干擾抑制，并分別進(jìn)行了基于

6、相干干擾抑制的相干聲源與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維聲成像水池試驗(yàn)。
　　4.為了獲得高精度的時(shí)域波束輸出信號(hào)，同時(shí)克服常規(guī)波束形成接收偏離主軸方向信號(hào)失真的缺陷，研究了基于FIR濾波器的恒定束寬時(shí)域波束形成。通過二階錐規(guī)劃設(shè)計(jì)出恒定束寬的優(yōu)化波束，并利用FIR濾波器在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)陣列單路信號(hào)每個(gè)頻點(diǎn)的復(fù)數(shù)加權(quán)。針對(duì)FIR濾波器系數(shù)的分步設(shè)計(jì)法無法滿足波束零陷設(shè)計(jì)和旁瓣約束精度的缺陷，給出了一種全局約束的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了相干干擾抑制的恒定束寬FI