復(fù)域DSLA空-時(shí)四維匹配場(chǎng)定位.pdf

1、檢測(cè)與估計(jì)是信號(hào)處理的基本問(wèn)題。水下目標(biāo)定位包括兩項(xiàng)任務(wù)：(1)檢測(cè)：確定是否有目標(biāo)；(2)估計(jì)：若有目標(biāo)，則同時(shí)估計(jì)出相應(yīng)的位置參量。檢測(cè)和估計(jì)是密不可分的。本文從最佳檢測(cè)器和估計(jì)器出發(fā)，推導(dǎo)了水下目標(biāo)定位最佳處理器的具體形式--匹配場(chǎng)波束形成，它是自由場(chǎng)中球/平面波波束形成在水下波導(dǎo)中的推廣，核心運(yùn)算是拷貝向量與數(shù)據(jù)的相關(guān)運(yùn)算。
　　 海洋是一個(gè)上有海面下有海底的波導(dǎo)環(huán)境，其中的聲波以柱面波形式擴(kuò)展。波導(dǎo)中的聲場(chǎng)是由柱坐標(biāo)系

2、下的水平方位、垂直深度、水平距離組成的空間三維和時(shí)間一維共同決定的空.時(shí)四維聲場(chǎng)。因此波導(dǎo)中的目標(biāo)定位應(yīng)是空.時(shí)四維定位--空間三維聯(lián)合的位置定位-時(shí)間一維波形定位(波形恢復(fù))。這里說(shuō)三維聯(lián)合指的是同時(shí)定深定距定方位，若只對(duì)其中一維或兩維感興趣，則應(yīng)通過(guò)切片或邊緣化的方法得到。實(shí)際的定位結(jié)果應(yīng)是四維可視化的結(jié)果--能看到目標(biāo)的三維位置的運(yùn)動(dòng)曲線，能聽(tīng)到目標(biāo)輻射的波形。
　　 波導(dǎo)中的聲場(chǎng)具有空-時(shí)寬帶特性?？臻g寬帶指的是多波數(shù)，

3、時(shí)間寬帶指的是多頻?？沼蛏?，波導(dǎo)中的柱面波可分解為垂直方向的駐波和水平方向上的行波，空間波數(shù)被分解為水平波數(shù)和垂直波數(shù)，它們之間構(gòu)成直角三角形的關(guān)系，可建模為簡(jiǎn)正模模型，每一號(hào)簡(jiǎn)正模都可視為一個(gè)上行平面波和下行平面波的疊加，每一個(gè)上行和下行平面波都對(duì)應(yīng)于一個(gè)空間波數(shù)，因而形成了空間寬帶，空間寬帶與多路徑和多模是等價(jià)的。時(shí)域上，目標(biāo)輻射信號(hào)本身是寬帶的。波導(dǎo)中聲場(chǎng)的空-時(shí)寬帶特性對(duì)于定位是有利的，不同深度距離角度的聲源所激發(fā)的聲場(chǎng)的空時(shí)拓

4、撲結(jié)構(gòu)不一樣，可開(kāi)發(fā)用于三維定位，而且時(shí)間寬帶所提供的頻率分集能有效對(duì)抗衰落，提高定位的可靠性。
　　 為充分利用聲場(chǎng)的空-時(shí)寬帶特性，需設(shè)計(jì)空-時(shí)寬帶陣對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行空-時(shí)四維采樣?？?時(shí)寬帶陣即空域大空間帶寬乘積陣形-時(shí)域大時(shí)間帶寬乘積波形。大時(shí)間帶寬乘積信號(hào)的時(shí)延多普勒指向性集中，大空間帶寬乘積陣的三維指向性集中，因而采用空-時(shí)寬帶陣還能提高抗干擾能力。
　　 本文設(shè)計(jì)的雙螺旋線陣(DSLA，Double Spiral

5、 Line Array)為空間寬帶陣，它由兩條螺旋形曲線陣(SLA，Spiral Line Array)組成，兩條SLA的起點(diǎn)，高度上錯(cuò)開(kāi)一定的間隔、方位上錯(cuò)開(kāi)將近180度，均按順時(shí)針?lè)较蚵菪蛳?，每個(gè)南北半球?qū)α⒌臇|西半球都有陣元分布，具有復(fù)雜的空間取向性(空間波數(shù)是有方向的)，且取向性不重復(fù)，為空間寬帶陣。
　　 實(shí)際中匹配場(chǎng)定位面臨著環(huán)境不確實(shí)問(wèn)題。不確實(shí)又必然導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)的權(quán)向量與實(shí)際數(shù)據(jù)失配，使匹配場(chǎng)定位的性能下降乃至

6、崩潰。為此，需要寬容性建模和寬容性處理方法。
　　 本文把環(huán)境參量和目標(biāo)參量建模成系統(tǒng)的狀態(tài)向量，它們的空時(shí)演化服從動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律，可視為一類普遍存在的AR過(guò)程，并可由此建立狀態(tài)方程。然后根據(jù)聲傳播模型和接收陣的數(shù)據(jù)模型建立測(cè)量方程，二者聯(lián)立建立狀態(tài)-空間模型。在狀態(tài)-空間模型下，把當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)的后驗(yàn)估計(jì)作為下一時(shí)刻狀態(tài)的先驗(yàn)，根據(jù)狀態(tài)方程對(duì)下一時(shí)刻的狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)做MMSE估計(jì)；然后從新的接收數(shù)據(jù)從提取新息，并反饋給狀態(tài)的先驗(yàn)

7、估計(jì)，達(dá)到后驗(yàn)。如此序貫進(jìn)行，使得狀態(tài)的后驗(yàn)PDF集中，誤差收斂--最終實(shí)現(xiàn)可靠定位。
　　 匹配場(chǎng)定位本質(zhì)上也是一個(gè)關(guān)于目標(biāo)位置的LS估計(jì)問(wèn)題，實(shí)際在處理的過(guò)程中，需要注意信號(hào)是尋性/圓性還是非尋/非圓的。本文把上述工作推廣到更一般的非尋復(fù)域，打破傳統(tǒng)的復(fù)信號(hào)尋性假設(shè)，把非尋信號(hào)的補(bǔ)相關(guān)加以利用，在增廣復(fù)域以尋的方法處理非尋，并獲得更好的估計(jì)性能。仿真和實(shí)驗(yàn)證明了，在非尋情況下，復(fù)域處理較之常規(guī)處理可靠性更高，在尋性情況下，復(fù)