一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.

利用水平阵模态域波束形成判别声源深度

针对近水面声源和水下声源的深度判别问题,根据近水面声源难以激发低阶模态的物理现象,研究利用声源波数谱结构和波数位置的不同来分辨近水面声源和水下声源。通过采用最小方差无失真响应的谱估计方法进行模态域波束形成,补偿水平阵各阵元之间各号简正波的相位差,获得主瓣窄、旁瓣低的声源信号波数谱。波数谱的波数位置与频率呈近似线性关系,水中声速剖面、海底参数、海深都会影响波数谱的具体结构和位置。此外,声源信号的到达角估计误差同样也会影响波数谱主瓣的位置估计。数值仿真结果表明,在浅海负跃层声速剖面条件下,可利用水平阵模态域波束形成判别声源深度,区分近水面声源和水下声源。

球体表面圆环阵模态域波束形成误差分析

模态域波束形成方法由于将波束形成器分为独立的2个波束形成器,可更有效地设计高阶期望波束,因而得到了广泛的关注。分析了球体表面圆环阵模态域波束形成过程中的误差传递。推导研究了不同阶数下,波束形成中的阵元误差、混淆误差和测量噪声,并对各种误差进行了计算机仿真,从原理上为设计高阶声场传感器及其性能分析起到了指导作用。

基于经验模态分解的模态域MVDR方法研究

矢量阵MVDR波束形成可有效地实现信号的空间谱估计,但它仅适用于窄带信号,当各目标强度相差较大时,难以实现对弱目标的有效检测.经验模态分解具有突出信号局瞬特征的特点,可将多分量信号分解成多阶固有模态函数.结合固有模态函数特性和MVDR窄带信号要求,提出了矢量阵模态域MVDR波束形成算法,并将中心频率的概念应用于固有模态函数,以此作为模态域MVDR波束形成算法的中心频率.海试结果表明:本方法可增强弱目标所在方位空间谱的能量,有效地实现强干扰下弱目标的检测.

基于最小Csiszár's Ⅰ-散度的高精度深度定位方法

模态波束形成技术可用于水下目标定位,在深度定位方面,其定位精度(百米量级)往往不能满足实际需求,因此,高精度的深度定位方法需要被探索。传统高精度估计方法,如最小方差无畸变响应,面临着许多问题,如需要大量的快拍样本数等。最小Csiszár’s I-散度的迭代算法可以解决线性系统的求逆问题,但需满足系统的非负性条件,在图像的去模糊领域已得到广泛应用。该文将此算法和模态波束形成技术相结合,提出了一种新的高精度深度定位方法。基于SWellEx-96实验的海洋环境参数,分别用仿真和实验数据验证了该方法的以下性能:实现深度的高精度定位且抑制旁瓣能量;在小快拍数的情况下,深度定位性能良好。