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声矢量阵列目标信号检测与参数估计

声矢量阵列目标信号检测与参数估计

作者：武杰哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着降噪和声隐身技术的不断创新和发展,水下目标的辐射噪声逐渐降低,使得传统的声压水听器阵列难以检测到水下目标。矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,它可以同时共点获得声场中声压和振速正交分量的信息。与传统的声... 详细信息

随着降噪和声隐身技术的不断创新和发展,水下目标的辐射噪声逐渐降低,使得传统的声压水听器阵列难以检测到水下目标。矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,它可以同时共点获得声场中声压和振速正交分量的信息。与传统的声压水听器阵列相比,由声矢量水听器组成的阵列具有更高的处理增益和更丰富的信号处理手段。因此在低信噪比下,使用声矢量阵列处理可以提高目标检测与参数估计性能。本文研究浅海条件下矢量阵水下窄带目标的被动检测及参数估计。在目标与声信道参数部分已知的情况下,通过广义似然比准则对接收信号模型进行不同假设,从而设计出不同检测器,以达到检测位置未知信号源的目的。当目标与声信道参数完全未知时可给出能量检测器形式。对真实接收信号结构进行分析之后,在窄带目标频率及信道参数为先验信息的前提条件下构建接收信号模型,通过最大似然估计实现目标方位及接收信号的估计进而给出截断子空间检测器的形式。目标与声信道参数完全未知时,利用矢量水听器声压振速之间的关系构建接收信号模型,通过最大似然估计实现目标方位及接收信号的估计得到近似信号形式检测器。引入归一化均方信号估计误差来度量真实接收信号与不同的模型估计出不同的接收信号之间差异程度。运用最大似然估计以及传统的方位估计算法实现基于矢量阵的目标方位估计。对不同检测器的渐进性能与非渐进性能进行分析,通过仿真结果表明截断子空间检测器在低信噪比情况下能够获得更好的检测性能,近似信号形式检测器次之,能量检测器最差,并且基于矢量阵的目标检测性能要好于同尺寸声压阵。在浅海中,远场平面波条件下的传统方位估计会出现偏差,而最大似然估计能准确估计目标方位。本文研究矢量阵水下目标信号的主动检测及参数估计。首先介绍了匹配滤波器基本理论,通过模糊度函数来进行主动声呐常用发射信号的选取。以最大输出信噪比为准则,矢量阵中将发射信号和在预设方位区间某一角度波束形成之后的组合振速时反卷积联合处理、声压与组合振速相加处理并将所有角度所得结果进行叠加,通过周期图谱法实现CW脉冲主动检测,通过对回波信号频率的计算,实现信号多普勒频移的估计进而对目标径向速度进行估计。矢量阵列在预设方位区间某一角度波束形成,声压与组合振速相加处理并将所有角度所得结果进行叠加,将其匹配滤波实现LFM脉冲信号主动检测,通过对回波到达时间的计算,实现信号时延的估计进而对目标距离进行估计。

关键词：声压振速联合处理声矢量阵列目标检测参数估计

声矢量阵列脉冲环境下的多伯努利机动源DOA跟踪

同方学位论文库评论

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桂林电子科技大学学报 2021年第1期41卷 1-6页

作者：吴孙勇邹宝红董续东樊向婷桂林电子科技大学数学与计算科学学院广西桂林541004 南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京210016

针对声矢量阵列脉冲环境下的多机动源波达方向的跟踪问题,提出了一种分数低阶矩的交互式多模型多伯努利滤波算法。该算法将交互多模型引入多伯努利滤波器多机动源预测过程中,并利用α稳定分布对脉冲噪声进行建模,通过分数低阶矩得到空... 详细信息

针对声矢量阵列脉冲环境下的多机动源波达方向的跟踪问题,提出了一种分数低阶矩的交互式多模型多伯努利滤波算法。该算法将交互多模型引入多伯努利滤波器多机动源预测过程中,并利用α稳定分布对脉冲噪声进行建模,通过分数低阶矩得到空间谱的MUSIC伪似然函数,并通过粒子滤波实现。仿真实验结果表明,该算法能够有效实现脉冲噪声下多机动目标的跟踪,并能有效跟踪目标状态和估计目标数。

关键词：声矢量阵列波达方向跟踪脉冲噪声交互式多模型多伯努利滤波

声矢量阵列的求根MUSIC算法及其性能分析

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测试技术学报 2010年第2期24卷 146-151页

作者：王鹏张国军熊继军中北大学电子测试技术国家重点实验室山西太原030051 中北大学理学院山西太原030051 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051

在传统声压传感器阵列的求根MUSIC算法的基础上,提出了基于矢量传感器阵列的求根MUSIC算法及其修正形式,通过接收阵列信号的空间谱,选择合适的引导方位,可实现声源的波达方向(DOA)估计.理论推导和仿真实验表明,采用均匀矢量传感器线性... 详细信息

在传统声压传感器阵列的求根MUSIC算法的基础上,提出了基于矢量传感器阵列的求根MUSIC算法及其修正形式,通过接收阵列信号的空间谱,选择合适的引导方位,可实现声源的波达方向(DOA)估计.理论推导和仿真实验表明,采用均匀矢量传感器线性阵列的求根MUSIC算法在低信噪比、小快拍数情况下的估计性能要优于传统声压传感器阵列的求根MUSIC算法,同时该算法的计算量远远小于矢量传感器列的MUSIC算法.

关键词：声矢量阵列声压阵列求根MUSIC算法波达方向空间谱

色噪声背景下基于声矢量阵列孔径扩展的相干目标波达方向估计

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兵工学报 2011年第3期32卷 257-263页

作者：刘兆霆阮谢永刘中绍兴文理学院数理信息学院浙江绍兴312000 南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

在目标波达方向(DOA)估计中,更大的阵列孔径往往能够获得更高估计分辨率和估计精度。然而,在色噪声背景或相干目标情况下,子空间类DOA估计算法性能急剧下降。针对这个问题,采用2个分置且相互垂直的均匀线性矢量阵列,通过阵列之间的协方... 详细信息

在目标波达方向(DOA)估计中,更大的阵列孔径往往能够获得更高估计分辨率和估计精度。然而,在色噪声背景或相干目标情况下,子空间类DOA估计算法性能急剧下降。针对这个问题,采用2个分置且相互垂直的均匀线性矢量阵列,通过阵列之间的协方差矩阵前向/后向平滑进行解相干预处理,并消除有色噪声的干扰;然后利用传播因子方法(PM)得到目标的方位角和仰角估计,无需奇异值分解和角度搜索;算法同时结合去模糊处理使得当阵元间隔大于半波长并在一定范围内增加时,其估计性能得到显著改善,且无需参考估计值的计算,节省了运算量。最后论文给出了仿真,验证了算法的有效性。

关键词：声学声矢量阵列有色噪声相干目标波达方向

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基于广义相位平滑的矢量阵列波达方向估计

数据采集与处理 2009年第6期24卷 792-796页

作者：董飞徐友根刘志文北京理工大学信息与电子学院北京100081

研究如何利用信号的非圆性提高声矢量阵列信号波达方向(Directon of arrival,DOA)估计的精度。提出通过广义相位平滑预处理提高多重信号分类(Multiple signal classification,MUSIC)DOA估计方法特征子空间对数据协方差矩阵扰动的鲁棒性... 详细信息

研究如何利用信号的非圆性提高声矢量阵列信号波达方向(Directon of arrival,DOA)估计的精度。提出通过广义相位平滑预处理提高多重信号分类(Multiple signal classification,MUSIC)DOA估计方法特征子空间对数据协方差矩阵扰动的鲁棒性。该法适用于任意中心对称声矢量阵列,且无需子阵划分,不存在孔径损失,并可完成两个多径信号的解相干。仿真结果表明,广义相位平滑处理可明显改善恶劣条件下(低信噪比,小快拍数)基于MUSIC的非圆信号DOA估计精度。

关键词：波达方向估计非圆信号声矢量阵列广义相位平滑

基于声矢量传感器阵列的机动目标DOA估计跟踪方法研究

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基于声矢量传感器阵列的机动目标DOA估计跟踪方法研究

作者：姜良旭吉林大学

学位级别：硕士

声矢量传感器（Acoustic Vector Sensor,AVS）能够同步共点地拾取声场中某处的声压和质点振速信息,在水下目标检测定位等领域得到了广泛应用,是水声领域和阵列信号处理领域的研究热点之一。建立在目标静止假设上的空间谱估计算法和建立... 详细信息

声矢量传感器（Acoustic Vector Sensor,AVS）能够同步共点地拾取声场中某处的声压和质点振速信息,在水下目标检测定位等领域得到了广泛应用,是水声领域和阵列信号处理领域的研究热点之一。建立在目标静止假设上的空间谱估计算法和建立在目标波达方向（Direction of Arrival,DOA）缓慢变化假设上的传统粒子滤波类算法是声矢量阵列信号处理领域的主要研究方向。而在实际环境中,目标通常是运动的,目标DOA也呈现出快速变化和强烈非线性的趋势。尤其在目前水下目标速度和机动性能大幅提高的情况下,传统空间谱估计算法和传统粒子滤波类算法性能急剧下降甚至失效。随着海洋资源争夺日益激烈、海洋资源开发需求日益增长和海上作战能力要求日益提高,更符合实际情况的机动目标DOA跟踪方法的研究具有重要价值和意义。本文主要研究了基于声矢量传感器阵列的机动目标DOA估计跟踪方法,取得的主要研究成果如下:（1）针对DOA跟踪与目标跟踪的异同展开研究,分析了DOA快速变化和强烈非线性的成因,并通过定义DOA速率和非线性度两种参数来定量描述DOA的快速性和非线性;建立了目标DOA的匀速、匀加速和“当前”统计模型;在分析水下目标运动样式的基础上,构建了两种典型场景来模拟目标的实际运动情况,并分析了其DOA的变化规律。（2）研究了一种基于特征空间的DOA估计算法,通过构造似然函数进行粒子权重更新的方式与传统粒子滤波算法相结合,提出一种特征空间粒子滤波算法;并在此基础上,将其与目标DOA的匀速、匀加速和“当前”统计等单模型相结合,提出一种基于单模型的特征空间粒子滤波DOA跟踪算法。该算法与传统基于匀速模型的粒子滤波类算法相比,具有跟踪精度高、实时性好等优点,并且在小快拍、低信噪比时仍具备较高的跟踪精度。（3）针对DOA快速变化和强烈非线性的情况,在分析DOA运动模型性能的基础上,提出一种自适应特征空间粒子滤波DOA跟踪算法。该算法在DOA快速变化和强烈非线性的情况下依然保持较高的跟踪精度,同时对DOA变化缓慢和非线性程度弱的情况也具有较好的普适性,具备自适应性强、实时性好等优点。（4）在传统交互多模型算法（Interacting Multiple Model,IMM）框架下,采用特征空间粒子滤波算法作为滤波器,构建CV+CA的模型集,改进模型概率更新方案,提出一种适用于声矢量阵列DOA跟踪的基于IMM的特征空间粒子滤波DOA跟踪算法。该算法对不同DOA变化情况具有很好的普适性,跟踪精度较高,对运动样式的适应性强,理论分析和仿真实验证明了算法的有效性。理论分析和仿真实验均表明,本文所提算法均能实现对机动目标DOA的实时动态跟踪。本文所提出的基于单模型的特征空间粒子滤波DOA跟踪算法和基于IMM的特征空间粒子滤波DOA跟踪算法在目标DOA快速变化和强烈非线性的情况下依然具备很高的跟踪精度,完成了对机动目标DOA的实时动态跟踪。

关键词：声矢量阵列 DOA 机动目标特征空间粒子滤波 IMM

基于空间域数据拟合的声矢量阵多目标分辨算法研究

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舰船电子工程 2014年第3期34卷 48-50页

作者：汪锋向小梅 91388部队93分队

为了提高矢量传感器阵列的方位估计性能,提出了一种基于空间域数据拟合的矢量阵多目标分辨算法,通过利用已知的空间域数据信息,构造出新的声压与振速的接收数据协方差矩阵,在多目标分辨能力上对经典MUSIC算法予以改进。理论分析和计算... 详细信息

为了提高矢量传感器阵列的方位估计性能,提出了一种基于空间域数据拟合的矢量阵多目标分辨算法,通过利用已知的空间域数据信息,构造出新的声压与振速的接收数据协方差矩阵,在多目标分辨能力上对经典MUSIC算法予以改进。理论分析和计算机仿真表明,在各向同性噪声场中,新算法在提高多目标分辨能力方面比传统方法更有效。

关键词： DOA MUSIC 声矢量阵列数据拟合

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基于■1-SVD算法的声矢量阵DOA估计

基于■1-SVD算法的声矢量阵DOA估计