寬帶信號波束形成算法研究.pdf

1、在水聲信號處理領(lǐng)域中寬帶信號波束形成是其主要的研究方向之一，對寬帶水聲信號的處理遠(yuǎn)比窄帶信號困難很多。本文研究了通過聚焦變換實現(xiàn)寬帶信號的波束形成算法，并通過仿真和實驗對算法進(jìn)行驗證。具體的研究內(nèi)容包括：
　　1、研究了經(jīng)典的窄帶信號的波束形成算法，給出了常用基陣的理想陣列流形和實測陣列流形的計算方法，描述了用于驗證本文算法的實測陣列流形的獲取方法和步驟。
　　2、研究了決定寬帶聚焦波束形成算法效果的兩個因素。一個是聚焦矩陣

2、，一個是聚焦頻率。給出了最佳聚焦矩陣和最佳聚焦頻率的確定方法，并根據(jù)最佳聚焦矩陣的不同求解方法給出了不同的聚焦算法。文中首次對最佳聚焦頻率的有效性進(jìn)行了仿真分析和水池實驗的驗證。仿真分析和水池實驗表明：在最佳聚焦頻率處實現(xiàn)的寬帶聚焦波束形成具有更好的效果。
　　3、提出基于最佳聚焦頻率的二階錐寬帶聚焦波束形成算法。首先對二階錐規(guī)劃方法以及二階錐規(guī)劃的求解軟件SeDuMi進(jìn)行了介紹，描述了將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃求解形式的過程。然

3、后介紹了基于二階錐規(guī)劃的常用波束形成算法，在基于二階錐的寬帶聚焦波束形成算法中，引入了最佳聚焦頻率的確定方法，提出基于最佳聚焦頻率的二階錐寬帶聚焦波束形成算法，并通過仿真實驗以及水池實驗驗證了該算法的有效性。仿真分析和水池實驗表明：本文提出的基于最佳聚焦頻率的二階錐寬帶聚焦波束形成算法充分利用了最佳聚焦頻率的有效性，又結(jié)合了二階錐的窄帶波束形成算法，使寬帶聚焦波束圖主瓣更窄，旁瓣級更低。
　　4、與RCB（Robust Capon

4、 Beamforming）算法相結(jié)合，提出了一種優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法。首先介紹了橢球體的基本理論，在橢球體的不確定約束條件的基礎(chǔ)上，從協(xié)方差估計的角度介紹了RCB算法的原理，并對RCB算法進(jìn)行了詳細(xì)的求解，最后給出了 RCB算法的具體求解步驟，在仿真實驗中通過與 MVDR（Minimum Variance Distortionless Response）算法在窄帶波束形成中的對比，體現(xiàn)了RCB算法的優(yōu)越性。由于通過 RCB算法可以

5、得到更接近真實的導(dǎo)向矢量，因此可以將其與寬帶聚焦波束形成算法相結(jié)合，用來修正聚焦變換預(yù)處理的聚焦矩陣。本文充分考慮了最佳聚焦頻率的確定問題，與 RCB算法相結(jié)合，提出了一種優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法。仿真實驗以及水池實驗表明寬帶信號通過 RCB算法校正的最佳聚焦矩陣聚焦到最佳聚焦頻率上可以得到更窄的主瓣，使束寬保持較好的恒定，并且旁瓣級也更低。
　　5、提出了一種雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法。首先，利用RCB算法修正聚焦矩陣，然