具有聯合約束優化形式的矢量陣穩健聚焦處理方法
2023-07-26 00:36:01 1
專利名稱：具有聯合約束優化形式的矢量陣穩健聚焦處理方法
技術領域：
本發明涉及的是一種水下陣列信號處理方法，適用於基於矢量陣測試條件下的水下噪聲源定位。
背景技術：
在整個水下噪聲源定位系統中，陣列信號處理算法是關鍵技術，算法的優劣直接決定了整個系統的性能。目前研究表明，將聲聚焦陣列信號處理方法與矢量陣信號處理方法相結合，可有效提高噪聲源定位性能。根據所使用的聲聚焦陣列信號處理方法的不同，可分為常規聚焦波束形成算法和高分辨聚焦波束形成算法。常規聚焦算法的基本原理是通過對特定方向入射的球面波進行相位或時延補償來求取聲場的等效分布，其優點在於可針對噪聲源中的線譜成分及寬帶噪聲進行處理，不受多聲源相干性的限制，算法簡單，易於工程實現，但其缺點是空間解析度受到「瑞利限」限制，對空間位置接近的聲源分辨能力有限。為獲得更高的空間解析度，需要提高分析頻率、擴大基陣孔徑或者拉近測量距離，而在實際應用中良好的測量條件往往難以滿足，研究高分辨聚焦算法就凸顯出其重要性和迫切性。然而，高分辨聚焦算法走向工程實用化的技術瓶頸在於該類算法在存在系統失配和環境失配的情況下會出現明顯的性能`下降甚至失效。歸結系統失配和環境失配的影響主要體現在有限採樣效應和導向矢量誤差兩個方面。針對遠場假設條件，劉聰鋒等人研究了雙約束穩健Capon波束形成算法的分析與求解方法(劉聰鋒,廖桂生.雙約束穩健Capon波束形成算法的分析與求解.系統工程與電子技術，2011,33(3) :477-481 )，該方法是通過對不確定集約束Capon波束形成算法的解進行標量化處理使其滿足模約束而得到的，並非是對導向矢量和採樣數據協方差矩陣的聯合約束，同時也無法適用於水下矢量陣近場測試條件；在近場條件下，時潔等人研究了基於二階錐規劃的噪聲源穩健定位識別方法(時潔，楊德森，時勝國.二階錐規劃在噪聲源穩健定位識別中的應用.哈爾濱工程大學學報，2011，32(12) :1549-1555.)，但其使用的是仍是模約束方法，僅能對導向矢量誤差施加影響，考慮的誤差因素有限，優化效果有待改進。目前，仍缺少適用於水下矢量陣近場測試條件的可同時對有限採樣效應和導向矢量誤差兩種主要誤差進行綜合優化的穩健聚焦處理器。
發明內容
本發明提供了一種能使優化後的矢量陣穩健聚焦處理在存在失配誤差的條件下可以獲得更大的動態範圍、更尖銳的聚焦峰尺度以及更強的背景噪聲級抑制能力，可以滿足水下噪聲源定位對於高分辨算法穩健性的迫切需求的具有聯合約束優化形式的矢量陣穩健聚焦處理方法。本發明的目的是這樣實現的(a)根據矢量陣近場測試模型，在近場球面波傳播規律及點聲源假設條件下，生成矢量陣數據矩陣乂.(d妁，r、θ $分別為距離矩陣、聲源俯仰角矢量矩陣和聲源方位角矢量矩陣；
(b)將矢量陣數據矩陣夂(r，0,f)與其復共軛轉置妁相乘，得到對稱結構的採樣數據協方差矩陣R(v)，對R(v)進行Cholesky分解，得到Cholesky分解因子Um ；(C)在聲源所在平面實施逐點掃描，生成不同掃描位置處的矢量陣聚焦導向矢量(d)對矢量陣聚焦導向矢量
權利要求
1.具有聯合約束優化形式的矢量陣穩健聚焦處理方法 Ca)根據矢量陣近場測試模型，在近場球面波傳播規律及點聲源假設條件下，生成矢量陣數據矩陣叉(Π的，r、Θ、_分別為距離矩陣、聲源俯仰角矢量矩陣和聲源方位角矢量矩陣； (b)將矢量陣數據矩陣足(r，象妁與其復共軛轉置乂1妁相乘，得到對稱結構的採樣數據協方差矩陣Rw，對Rw進行Cholesky分解，得到Cholesky分解因子Um ； (c)在聲源所在平面實施逐點掃描，生成不同掃描位置處的矢量陣聚焦導向矢量Α(ν\ ,1φ); (d)對矢量陣聚焦導向矢量Hf,象及分解因子Um共同施加穩健聯合約束優化條件，歸納得到可同時對矢量陣聚焦導向矢量失配與有限採樣效應進行聯合約束的矢量陣穩健聚焦處理器形式； Ce)將(d)中的聯合約束優化問題轉化為凸優化形式進行求解，得到最優權矢量w ；Cf)將最優權矢量w代入目標函數/R(vV中，得到優化後的陣列輸出功率/^釣;(g)設置合適步長，重複(C)至(f)的步驟，進行完整平面搜索並比較輸出功率譜圖，由譜峰位置確定噪聲源所在位置。
2.根據權利要求1所述的具有聯合約束優化形式的矢量陣穩健聚焦處理方法，其特徵是所述的可同時對矢量陣聚焦導向矢量失配與有限採樣效應進行聯合約束的矢量陣穩健 聚焦處理器形式為
全文摘要
本發明提供的是一種具有聯合約束優化形式的矢量陣穩健聚焦處理方法。(a)生成矢量陣數據矩陣；(b)得到對稱結構的採樣數據協方差矩陣R(v)，對R(v)進行Cholesky分解，得到Cholesky分解因子U(v)；(c)生成不同掃描位置處的矢量陣聚焦導向矢量(d)對矢量陣聚焦導向矢量及分解因子U(v)共同施加穩健聯合約束優化條件，歸納得到可同時對矢量陣聚焦導向矢量失配與有限採樣效應進行聯合約束的矢量陣穩健聚焦處理器形式；(e)得到最優權矢量w；(f)得到優化後的陣列輸出功率(g)設置合適步長，重複(c)至(f)的步驟，進行完整平面搜索並比較輸出功率譜圖，由譜峰位置確定噪聲源所在位置。本發明適用於基於矢量陣測試條件下的水下噪聲源定位。
文檔編號G01S5/18GK103048641SQ20121032577
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者時潔, 楊德森, 時勝國 申請人:哈爾濱工程大學