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原文传递空域移变反卷积波束形成方法研究

论文题名：	空域移变反卷积波束形成方法研究
关键词：	水下声学阵列;信号处理;反卷积波束形成算;矢量阵;声图测量
摘要：	高分辨波束形成技术作为提高声纳目标探测性能的重要手段，几十年来一直是国内外学者的研究热点。但是由于水下声纳阵列流形误差大和长时间信号平稳性难保证等问题，导致许多传统高分辨阵列信号处理方法在实际水下应用中效果并不理想。近年来具有高稳健性和实时性（小快拍、短样本）特征的高分辨阵列处理方法已成为水声阵列信号处理中新的研究热点。常规波束形成结果可以看成是阵列指向性函数与源的分布函数的卷积，阵列指向性受物理孔径的限制导致分辨能力受限。根据时间采样与空间采样的对偶性，可将时间序列反卷积用于空间阵列。利用反卷积技术可用去除阵列指向性的影响，摆脱物理孔径限制，为水下阵列稳健高分辨信号处理提供了一种新的思路。反卷积波束形成是一种可以同时获得窄波束和低旁瓣效果的稳健高分辨波束形成方法。其在等间距线阵和圆阵这类空域移不变模型阵列中的应用效果已经在一些文献中得到了有效的验证，表现出了高稳健性和高分辨处理性能。但是目前在低信噪比下具有良好性能的传统反卷积方法不适用于矢量阵等不具有指向性函数在空间域移不变性能的阵列，论文针对矢量阵等多种空域移变模型阵列的稳健高分辨处理需求，研究了多种空域移变阵列的稳健高分辨反卷积处理方法。首先，建立了多种阵列卷积/反卷积模型，在此基础上开展了多种反卷积波束形成算法研究，重点研究空域移变模型条件下的反卷积波束形成求解方法。论文的主要研究内容包括: 　　多种阵列卷积/反卷积理论建模及卷积模型分类研究。针对多种水下声学阵列特点，对阵列的波束形成卷积模型进行了分类推导，按照指向性函数的空间特点将其划分为空域移不变模型和空域移变模型。首先介绍了时域系统中的卷积/反卷积模型，然后通过时空类比，给出了阵处理中的反卷积波束形成问题描述。对多种水下常用阵列形式的波束形成卷积模型进行了理论推导和分析，将其按照波束图（也可以被称作阵列的点扩散函数，PointSpreadFunction，PSF）移变特性和卷积模型类型进行了分类，将其划分为一维空域移不变阵列，一维空域移变阵列，二维空域移不变阵列和二维空域移变阵列，进行了卷积模型分类建模。论文将基于矢量阵列、声压阵二维空间近场问题和圆弧阵时空二维问题三种典型的一维和二维空域移变问题开展移变模型条件下的反卷积波束形成方法研究。　　矢量阵一维空域移变模型阵列反卷积波束形成研究。具体包括矢量直线阵移变卷积模型理论建模及一维移变模型反卷积波束形成求解方法研究。矢量阵阵列指向性函数不具有移不变性，是典型的空域移变模型反卷积波束形成求解问题，针对上述问题开展了多种一维移变模型反卷积波束形成方法研究，并在此技术上提出一种扩展RL算法(ExtendedRichardsonLucy,Ex-RL)，改进了传统方法因模型失配导致的端射方向附近方位测不准和旁瓣级高的问题。方法研究过程中，将Ex-RL算法和其它两种适用于移变系统的反卷积算法，非负最小二乘(NonnegativeLeast-squares，NNLS)和DAMAS(DeconvolutionApproachfortheMappingofAcousticSources)进行性能对比。仿真分析对比了各种算法在不同迭代次数，不同信噪比下，不同环境噪声场下的主瓣宽度，主旁瓣比，阵增益和稳健性的性能对比。通过仿真和试验数据证明，论文提出的Ex-RL算法在低信噪比的情况下综合性能最优。　　近场声图测量二维空域移变模型反卷积波束形成研究。具体包括近场二维直线阵空域移变卷积/反卷积模型理论建模及二维移变模型反卷积求解方法研究。针对水下声图测量低频时声源定位精度低的问题，提出二维扩展RL算法，使其适用于近场声图的二维移变模型求解。首先介绍了声图测量的近场二维卷积模型，求解声源分布函数的反卷积过程是一个典型的二维移变模型卷积问题，并用反卷积波束形成技术提高对声源位置的定位精度。在此基础上研究了一种二维Ex-RL反卷积波束形成算法，使其适用于近场声图的二维移变模型求解。通过仿真和实验数据对比分析了CBF、Ex-RL、DAMAS、NNLS四种声图测量算法的性能，结果表明提出的Ex-RL算法与已有的DAMAS和NNLS在低信噪比的条件下相比具有高定位精度和窄的聚焦峰尺度的优势。　　主动声成像时空二维反卷积波束形成研究。具体包括主动声纳圆弧阵时空二维卷积/反卷积模型理论建模及反卷积求解方法研究。针对主动声纳距离维分辨率低的问题，提出了一种基于距离-方位两个物理维度的二维反卷积波束成像方法。在方位维，常规波束形成空间谱输出可以看作阵列方向图函数与点目标方位信息的卷积结果，因而通过反卷积可以得到目标的方位信息，进而有效改善目标方位估计精度。在距离维，阵列接收信号和发射信号的互相关是发射信号的自相关和目标反射信道脉冲响应函数的卷积，可以在时域上应用反卷积算法求得目标反射信道脉冲响应函数，从而高精度的估计目标反射的时延/距离信息。针对每一个距离做近场平面阵波束形成，得到常规处理的主动成像声纳的距离方位二维声图。然后，在此基础上对原始图像进行方位和距离两个不同维度的反卷积处理，得到高分辨测量结果。
作者：	马超
专业：	水声工程
导师：	孙大军
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021