基于二階錐規(guī)劃的波束優(yōu)化技術及其應用研究.pdf

1、波束形成作為現(xiàn)代聲吶陣列信號處理的關鍵技術之一，主要應用包括目標的方位估計和信號的有效接收。如何根據(jù)實際的工程需求對波束的各項性能指標進行綜合優(yōu)化，從而提高聲吶陣列對水下目標定位和檢測的能力，一直是陣列信號處理的主要任務之一。二階錐規(guī)劃的引入給波束優(yōu)化技術帶來了新的契機。本文詳細研究了基于二階錐規(guī)劃的波束優(yōu)化技術，并對目標方位估計的波束優(yōu)化、目標二維聲成像的波束優(yōu)化、恒定束寬的波束優(yōu)化進行了理論研究和試驗驗證。具體內(nèi)容包括：
　　

2、1.研究了波束形成的原理以及波束形成的時域和頻域實現(xiàn)方式，描述了波束形成波束圖和方位譜之間的聯(lián)系。通過對波束圖各項性能指標的設計，給出了數(shù)據(jù)獨立的波束設計數(shù)學表達式，并利用二階錐規(guī)劃計算出波束優(yōu)化的最優(yōu)權值。通過構造不同的優(yōu)化準則，設計出可以兼顧主瓣精度、旁瓣級、零陷深度和穩(wěn)健性等多個性能指標的優(yōu)化波束，且對陣列的形狀無要求，適用于任意形狀的陣列。但是由于設計的優(yōu)化權值完全依賴于陣列流形，在陣列流形發(fā)生偏差時，波束優(yōu)化的性能下降，需要對

3、陣列流形進行校正或采用對陣列誤差較寬容的穩(wěn)健波束優(yōu)化算法。
　　2.基于波形分集的集中式MIMO虛擬陣列技術可以在節(jié)省陣元的前提下，提高方位估計的分辨力。為了提高系統(tǒng)的性能，同樣需要對虛擬陣列進行波束優(yōu)化。針對雙基地MIMO聲吶無法直接利用虛擬陣列技術的缺陷，本文結合雙基地目標定位解算，將雙基地MIMO聲吶的二維合成方向矢量轉化為隨目標位置變化的一維虛擬陣列的陣列流形，保留了虛擬陣列技術提高目標分辨力的優(yōu)勢。研究了雙基地MIMO虛

4、擬陣列的波束圖與接收波束圖和發(fā)射波束圖的關系。討論了由于波束圖在角度域之間的映射是非線性的，導致合成的虛擬陣列波束性能嚴重下降的問題，并提出了一種基于二階錐規(guī)劃的抗陣列流形失配穩(wěn)健波束優(yōu)化算法，在兼顧固定方向上相干干擾抑制和旁瓣控制的同時，提高了波束優(yōu)化算法對陣列流形失配的寬容性，并進行了水池試驗驗證。
　　3.由于二維聲成像要求同時具有距離和角度的分辨能力，需要在時域上進行滑動窗的信號截取。而常規(guī)的滑窗過程導致陣列接收信號矢量與

5、陣列流形失配，波束優(yōu)化的性能下降。針對二維聲成像的常規(guī)滑動窗無法在滿足距離分辨力的同時，保證波束優(yōu)化性能的缺陷，本文給出一種改進的固定距離滑窗模型，通過仿真模擬出不同距離上的滑窗過程，將窗內(nèi)截取的理論陣列的接收信號矢量代替陣列流形來進行基于二階錐規(guī)劃的權值設計。以犧牲部分的距離分辨性能為代價，保證了波束優(yōu)化的性能。同時研究了相干干擾情況下的二維聲成像優(yōu)化技術，通過波束優(yōu)化設計干擾位置處的零陷，實現(xiàn)了圖像域的相干干擾抑制，并分別進行了基于

6、相干干擾抑制的相干聲源與運動目標的二維聲成像水池試驗。
　　4.為了獲得高精度的時域波束輸出信號，同時克服常規(guī)波束形成接收偏離主軸方向信號失真的缺陷，研究了基于FIR濾波器的恒定束寬時域波束形成。通過二階錐規(guī)劃設計出恒定束寬的優(yōu)化波束，并利用FIR濾波器在時域上實現(xiàn)陣列單路信號每個頻點的復數(shù)加權。針對FIR濾波器系數(shù)的分步設計法無法滿足波束零陷設計和旁瓣約束精度的缺陷，給出了一種全局約束的設計方法，實現(xiàn)了相干干擾抑制的恒定束寬FI