傳感器陣列超指向性原理及方法研究.pdf

1、傳感器陣列信號處理在聲吶、雷達(dá)、語音信號處理和通信等領(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處理中亟待解決的問題。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，由于對誤差十分敏感，實現(xiàn)超指向性仍

2、具有很大的挑戰(zhàn)性。本文對傳感器陣列的超指向性原理進行了深入研究，針對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算機仿真和實驗數(shù)據(jù)的充分驗證，可用于設(shè)計實際的小尺度超指向性傳感器陣列。具體研究內(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。針對聲透明圓環(huán)陣、剛性球體以及無限

3、長和有限長剛性柱體表面圓環(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)的剛性球體和無限長剛性柱體表面均勻圓環(huán)陣，并證明剛性障板對穩(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正交化過程推導(dǎo)了超指向性最優(yōu)權(quán)值向量的精確閉式解，進而將最優(yōu)波束和其對應(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。三種針對不同類型陣列的設(shè)計實例表明，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，進而得到了合成波束和最小均方誤差的簡潔表達(dá)式。針對聲透明圓環(huán)陣、剛性球體以及無限長剛性柱體和無限長彈性柱體表面圓環(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.針對實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，采用實際測量結(jié)合數(shù)值計算的方式，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)陣實測陣列流形提取出相位模態(tài)，再通過期望波束確定系數(shù)，然后對這些相位模態(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，對安裝在較復(fù)雜支架上的共形矢量水聽器陣設(shè)計出了具有特定空間響應(yīng)的超指向性波束形成器，達(dá)到了空域濾除噪聲提高信噪比的目的，豐富了矢量水