基于拖曳阵的稳健波束形成技术研究

作     者：牛聪 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊水东;马树青

授予年度：2016年

学科分类：082403[工学-水声工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：拖曳阵 波束形成 MVDR 凸优化 

摘      要：拖曳阵声纳在军事上的水下目标探测和商业中的海洋地层、油气勘探等领域得到了广泛的应用。其中,目标方位估计是拖曳阵目标探测的核心功能。但是,由于拖曳阵本身的特点,在拖曳过程中存在阵形畸变、流噪声等影响,在目标方位估计时,需要采用高稳健性波束形成技术。本文分析了几类常用拖曳阵波束形成算法的基本原理,重点对特殊情况下,拖曳阵自适应波束形成算法的性能进行了分析。在阵形层面上,论文设计了基于航向传感器的阵形重构算法,实现了阵形的校正,提高了目标测向的精度。在信号层面上,文中采用了凸优化方法进行MVDR(最小方差无畸变响应)波束形成算法优化,降低了波束形成算法对条件失配的敏感性。论文的主要工作和创新点如下:1.针对MVDR自适应波束形成算法,仿真分析了拖曳阵通道幅相误差和有限快拍数对MVDR波束图的影响。随着通道幅相误差的增大和快拍数的降低,波束形成得到的主瓣宽度和旁瓣高度增加,测向精度降低。2.针对拖曳阵阵形畸变问题,提出了基于航向传感器和多项式拟合的阵形重构算法。采用航向传感器,获得拖曳阵特定位置的角度信息,再利用多项式拟合获得全阵角度信息的估计值,最后积分计算获得每个基元的位置信息。仿真结果表明该算法对典型阵形畸变下,拖曳阵波束形成目标测向的精度改善具有较好效果(在16基元,传感器误差0.5°条件下,波束形成测向误差由8°降低至1°)。3.将凸优化方法应用到MVDR算法的权值优化中,推导出了凸优化波束形成算法。仿真分析和试验数据处理的结果都表明,凸优化改进的MVDR算法,在波束形成目标测向中具有更好的性能。