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谈波束具有高稳健性浅海目标方位估计策略库

收藏本文 2024-02-13 点赞:19736 浏览:84979 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:声纳系统作为对水下目标进行检测、定位及跟踪的重要设备已被广泛运用。在复杂的海洋环境下,对水下目标实现准确而稳健的高分辨方位估计,是新一代声纳迫切需要解决的关键技术。环境及声纳系统参数的失配影响了浅海高分辨方位估计策略的性能。本论文将海洋声传播物理模型与稳健自适应波束形成策略相结合,以克服参数失配对方位估计性能的影响。首先,本论文利用联合对角化这一数学工具,分别构造空时相关矩阵组和高阶累积量矩阵组的联合对角化结构,通过统一的Jacobi旋转正交联合对角化策略,重新获得联合特点值并对空间谱进行修正,以提升高分辨算法在噪声环境下的方位估计性能。其次,本论文考虑优化准则和多种失配因素的影响,提出矢量最优化稳健波束形成策略,有效地改善算法的方位估计性能,通过论述浅析可证明该策略可将主流的稳健自适应波束形成算法整合至矢量最优化的整体框架下。文中推导了利用二阶锥规划求解矢量最优化约束不足的表达式,进一步探讨了求解矢量最优化稳健波束形成最优权系数的Lagrange快速算法,得到权矢量的近似剖析式,并讨论影响最优对角加载因子的各个因素之间的联系,证明了该算法广义上属于对角加载类策略。数值仿真及实验探讨表明该策略在约束参数的选取上具有更强的宽容性,在有着相同方位估计偏差的条件下,具有不低于其他主流对角加载类算法的输出信干噪比性能。同时,在相同的信噪比、快拍数以及导向矢量误差条件下,该算法具有更高的谱峰与最大旁瓣比,更窄的-3dB波束宽度,可显著改善算法的分辨能力及对噪声干扰的抑制能力。再次,本论文针对高频近程声纳系统的运用情况,利用虚源论述建立了基阵信号模型并浅析了多途效应对方位估计的影响,结合矢量最优化稳健波束形成在约束参数选取宽容性好及稳健性高等方面的优点,提出了一种基于射线论述的矢量最优化浅海稳健方位估计策略。该策略在充分考虑多途信道特点的基础上,进一步考虑实际模型失配的影响,对实际源矢量施加约束条件,以提升高分辨方位估计策略在失配条件下的稳健性。仿真及实验结果表明,该算法在沉积层声学参数不确定、海水深度不确定以及有着导向矢量误差等因素的条件下,具有更为尖锐的谱峰及更低的旁瓣水平,更高的空间分辨能力及更强的噪声干扰抑制能力。最后,本论文针对浅海远程探测声纳系统的运用情况,利用简正波论述,建立了符合浅海声传播特点的基阵信号模型,运用矢量最优化策略对阵列源矢量施加约束条件,以提升高分辨方位估计策略在海水跃变层深度、海水深度及声速梯度等环境参数失配下的稳健性。文中对该算法的空间谱结构、PSR、-3dB波束宽度、成功概率及方位估计偏差等进行了详细的讨论和浅析。仿真结果表明,该算法在不同信噪比、入射方位角以及海水跃变层深度、海水深度及声速梯度等不确定条件下,均具有更为尖锐的谱峰及更低的旁瓣水平,并可保持较高的成功概率和方位估计精度。本论文将信道模型及稳健自适应方位估计策略相结合,提出了具有高稳健性的浅海方位估计策略,显著提升了在模型失配下的高分辨方位估计性能。关键词:矢量最优化论文稳健性论文高分辨论文自适应波束形成论文多途论文

    摘要5-7

    ABSTRACT7-12

    第1章 绪论12-24

    1.1 探讨背景及作用12

    1.2 阵列信号处理的进展历史及探讨近况12-17

    1.2.1 高分辨算法及其分类12-14

    1.2.2 稳健自适应波束形成14-17

    1.3 浅海方位估计不足探讨热点17-22

    1.3.1 声场计算模型17-19

    1.3.2 基于模型的信号处理策略19-22

    1.4 论文探讨内容22-24

    第2章 基于联合对角化的方位估计策略24-40

    2.1 引言24

    2.2 基于二阶累积量联合对角化的方位估计策略24-29

    2.2.1 空时相关矩阵联合对角化结构24-25

    2.2.2 相干源联合对角化结构25-27

    2.2.3 Jacobi 旋转正交联合对角化策略27-28

    2.2.4 联合特点值估计及空间谱修正28-29

    2.3 基于高阶累积量联合对角化的方位估计策略29-33

    2.3.1 高阶累积量矩阵组联合对角化结构29-30

    2.3.2 相干源联合对角化结构30

    2.3.3 高阶累积量组联合对角化策略30-32

    2.3.4 联合特点值估计及空间谱修正32-33

    2.4 性能浅析33-38

    2.4.1 二阶累积量联合对角化方位估计策略性能浅析33-35

    2.4.2 高阶累积量联合对角化方位估计策略性能浅析35-38

    2.4.3 导向矢量误差和基阵相位不一致性方差的联系38

    2.5 本章小结38-40

    第3章 矢量最优化稳健自适应波束形成40-76

    3.1 引言40

    3.2 凸优化不足40-42

    3.2.1 凸优化不足40-41

    3.2.2 二阶锥及二阶锥规划41

    3.2.3 矢量最优化不足及正则化策略41-42

    3.3 经典稳健自适应波束形成算法42-46

    3.3.1 线性约束最小方差法42

    3.3.2 特点子空间法42-43

    3.3.3 对角加载法43-46

    3.4 基于矢量最优化的稳健自适应波束形成46-49

    3.4.1 矢量最优化约束优化不足46-47

    3.4.2 正则化求解47-48

    3.4.3 最优权矢量及空间谱48-49

    3.5 Sedumi 和 Lagrange 求解结果比较浅析49-51

    3.6 波束输出时域波形特性浅析51

    3.7 稳健性比较浅析51-65

    3.7.1 输出信干噪比51-58

    3.7.2 谱峰与最大旁瓣比以及-3dB 波束宽度58-64

    3.7.3 空间谱比较浅析64-65

    3.8 湖试试验探讨65-75

    3.8.1 试验概况及系统参数设置65-67

    3.8.2 试验数据处理及结果浅析67-75

    3.9 本章小结75-76

    第4章 浅海多途条件下的稳健方位估计策略76-100

    4.1 引言76

    4.2 基于射线论述的阵列信号模型76-81

    4.2.1 射线模型下的声压场76-78

    4.2.2 水平线阵接收信号模型78-81

    4.3 基于矢量最优化的浅海稳健方位估计策略81-84

    4.3.1 稳健性算法的提出81-82

    4.3.2 稳健性算法的 Sedumi 求解82-83

    4.3.3 稳健性算法的 Lagrange 快速求解83-84

    4.3.4 稳健方位估计结果84

    4.4 多途影响浅析84-89

    4.5 射线模型下的稳健性比较浅析89-96

    4.5.1 环境及系统失配下的空间谱浅析89-91

    4.5.2 PSR 和-3dB 波束宽度随不同入射角的变化联系91-93

    4.5.3 失配条件下的 PSR 和-3dB 波束宽度统计性能浅析93-96

    4.6 海试试验数据处理96-98

    4.6.1 试验数据方位估计结果96-97

    4.6.2 试验数据处理空间谱图97-98

    4.7 本章小结98-100

    第5章 基于简正波论述的浅海稳健方位估计策略100-122

    5.1 引言100

    5.2 简正波模型100-105

    5.2.1 声压场100-103

    5.2.2 基阵接收信号模型103-105

    5.3 基于矢量最优化的浅海稳健方位估计策略105-108

    5.3.1 稳健性算法的提出105-106

    5.3.2 稳健性算法的 Sedumi 求解106-107

    5.3.3 稳健性算法的 Lagrange 快速求解107-108

    5.3.4 稳健方位估计结果108

    5.4 简正波模型下的多途影响浅析108-110

    5.5 简正波模型下的稳健性比较浅析110-121

    5.5.1 谱峰与最大旁瓣比以及-3dB 波束宽度110-114

    5.5.2 空间谱浅析114-115

    5.5.3 成功概率及方位估计偏差115-121

    5.6 本章小结121-122

    结论122-125

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