傳感器陣列超指向性原理及方法研究.pdf

1、傳感器陣列信號(hào)處理在聲吶、雷達(dá)、語(yǔ)音信號(hào)處理和通信等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其主要功能是利用波束形成技術(shù)提高輸出信噪比、抑制空間干擾和估計(jì)目標(biāo)方位。受應(yīng)用環(huán)境的限制，傳統(tǒng)陣列的尺寸和其性能之間的矛盾越來(lái)越突出，因此如何在有限的陣列尺度下獲得足夠高的空間指向性是陣列信號(hào)處理中亟待解決的問(wèn)題。已有的理論證明，超指向性可有效提高傳感器陣列的信噪比增益和方位分辨力，且能大幅度減小陣列的尺度，具有很好的應(yīng)用前景。然而，由于對(duì)誤差十分敏感，實(shí)現(xiàn)超指向性仍

2、具有很大的挑戰(zhàn)性。本文對(duì)傳感器陣列的超指向性原理進(jìn)行了深入研究，針對(duì)不同陣列形式提出和完善了一系列超指向性波束形成方法。這些方法均得到了計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的充分驗(yàn)證，可用于設(shè)計(jì)實(shí)際的小尺度超指向性傳感器陣列。具體研究?jī)?nèi)容包括：
　　1.提出了圓環(huán)陣相位模態(tài)域波束直接優(yōu)化的一般形式，統(tǒng)一了相位模態(tài)域常規(guī)波束形成、最小方差無(wú)失真響應(yīng)波束形成以及穩(wěn)健超指向性波束形成的表述，豐富了相位模態(tài)波束形成理論。針對(duì)聲透明圓環(huán)陣、剛性球體以及無(wú)限

3、長(zhǎng)和有限長(zhǎng)剛性柱體表面圓環(huán)陣，結(jié)合散射理論，導(dǎo)出了相位模態(tài)域穩(wěn)健超指向性波束形成器，有效地優(yōu)化了指向性、穩(wěn)健性和旁瓣級(jí)等關(guān)聯(lián)的波束參量，獲得了較好的超指向性波束。
　　2.將圓環(huán)陣特征波束分解與綜合超指向性波束形成的誤差敏感度函數(shù)表達(dá)為有限階特征波束誤差敏感度函數(shù)之和，揭示了頻率、特征波束階數(shù)和誤差敏感度函數(shù)相互影響的一般規(guī)律，進(jìn)一步研究了利用降秩處理技術(shù)獲得穩(wěn)健超指向性波束的方法，完善和拓展了特征波束分解與綜合超指向性模型。將該

4、模型推廣至具有任意陣元數(shù)的剛性球體和無(wú)限長(zhǎng)剛性柱體表面均勻圓環(huán)陣，并證明剛性障板對(duì)穩(wěn)健性具有改善作用。基于特征波束分解與綜合超指向性模型推導(dǎo)了圓環(huán)陣最大指向性因子和最優(yōu)波束的極限表達(dá)式，展示了圓環(huán)陣提高指向性的最大潛力。提出了增加旁瓣約束的穩(wěn)健波束優(yōu)化方法，由適用的最高階特征波束確定穩(wěn)健性約束參數(shù)，可靈活地得到滿足不同約束條件的超指向性波束。
　　3.提出了適用于任意陣型的Gram-Schmidt模態(tài)波束分解與綜合超指向性模型。在

5、給定陣列形式和頻率的條件下，利用 Gram-Schmidt正交化過(guò)程推導(dǎo)了超指向性最優(yōu)權(quán)值向量的精確閉式解，進(jìn)而將最優(yōu)波束和其對(duì)應(yīng)的最大指向性因子分別分解為不同階數(shù)的Gram-Schmidt模態(tài)波束及其指向性因子，然后通過(guò)選擇合適的Gram-Schmidt模態(tài)波束合成穩(wěn)健超指向性波束。三種針對(duì)不同類型陣列的設(shè)計(jì)實(shí)例表明，Gram-Schmidt模態(tài)波束的穩(wěn)健性隨階數(shù)的升高而下降，因此也可通過(guò)降秩處理獲得穩(wěn)健的超指向性波束。
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6、.提出了基于期望波束擬合的圓環(huán)陣波束圖綜合超指向性方法。以最小化期望波束和合成波束之間的均方誤差為目標(biāo)，通過(guò)適當(dāng)選擇期望波束并結(jié)合循環(huán)矩陣特性，推導(dǎo)出了最優(yōu)權(quán)值向量的精確閉式解，進(jìn)而得到了合成波束和最小均方誤差的簡(jiǎn)潔表達(dá)式。針對(duì)聲透明圓環(huán)陣、剛性球體以及無(wú)限長(zhǎng)剛性柱體和無(wú)限長(zhǎng)彈性柱體表面圓環(huán)陣，合成得到了最優(yōu)超指向性波束和具有頻率不變響應(yīng)的寬帶超指向性波束。
　　5.針對(duì)實(shí)際陣列的陣列流形和噪聲互譜矩陣不存在解析表達(dá)式的情況，利用

7、波束圖綜合方法，采用實(shí)際測(cè)量結(jié)合數(shù)值計(jì)算的方式，分析了相關(guān)超指向性波束形成器的性能。從期望波束擬合的角度出發(fā)，基于最小二乘原理，由棱柱體表面圓環(huán)陣實(shí)測(cè)陣列流形提取出相位模態(tài)，再通過(guò)期望波束確定系數(shù)，然后對(duì)這些相位模態(tài)加權(quán)求和獲得了穩(wěn)健的超指向性波束。從直接優(yōu)化的角度出發(fā)，依據(jù)環(huán)境噪聲的方向性，結(jié)合優(yōu)化方法，對(duì)安裝在較復(fù)雜支架上的共形矢量水聽(tīng)器陣設(shè)計(jì)出了具有特定空間響應(yīng)的超指向性波束形成器，達(dá)到了空域?yàn)V除噪聲提高信噪比的目的，豐富了矢量水