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原文传递 UUV阵列自适应噪声抵消关键技术研究

论文题名：	UUV阵列自适应噪声抵消关键技术研究
关键词：	无人水下航行器;自适应滤波器;噪声抵消;多核函数;微弱信号检测
摘要：	随着新型无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）的发展其航速将得到进一步提高，UUV声纳阵列所接收到的自噪声和混响级也随之大幅增强，同时由于水声对抗技术的不断发展和广泛应用，如何有效地抑制和消除自噪声、混响以及干扰对远程微弱目标探测的影响，提高UUV阵列对微弱信号检测的能力是目前进行海洋资源探测开发和加强海防的现实迫切需求。　　本文在对UUV声纳阵列自噪声产生机理和特性分析的基础上，针对阵列信号多通道处理的特点，将基于多通道差分方法与基于核函数的非线性自适应滤波器技术相结合，重点研究了基于核函数的非线性自适应滤波器理论收敛性能、非平稳环境中基于单核函数以及基于多核函数的线性与非线性加权组合的阵列自适应噪声抵消方法，针对多输入多输出（MIMO）阵列的空时两维自适应处理对混响和干扰进行抑制的方法，并通过仿真实验对本文所提方法的有效性进行了验证分析。本文的主要研究成果和创新点如下：　　1.针对动态非平稳输入信号会导致基于核函数的非线性自适应滤波器所构造的在线“字典”中出现和输入信号统计分布不匹配的冗余失效元素问题，提出了存在冗余失配“字典”元素情况下基于单高斯核函数方法的最小均方误差 KLMS非线性滤波器误差均值和均方收敛特性的理论计算方法，为非平稳环境中基于单核函数的非线性自适应滤波器性能分析和设计提供了有力理论工具。仿真结果表明：基于所推理论计算方法预测出的收敛曲线与蒙特卡洛仿真实验平均后所得的均方误差学习曲线在瞬时动态过程和稳态阶段均一致吻合。因此不仅验证了所推理论计算方法的正确性和有效性，而且该理论计算方法为非线性自适应噪声抵消滤波器在非平稳动态应用中针对“字典”提出自适应更新准则提供了理论依据。　　2.针对动态非平稳噪声环境，在多通道差分方法提供相关参考噪声情况下，提出了具有1-范数的FOBOS-KLMS-?1和自适应1-范数的FOBOS-KLMS-?a两种促在线“字典”稀疏自适应噪声抵消方法，同时证明了在引入1-范数促稀疏操作后，所提两种FOBOS-KLMS方法在均值意义上仍然是平稳且严格收敛的。两种FOBOS-KLMS方法通过对基于单高斯核函数的非线性自适应滤波器引入1-范数稀疏正则项后，得到以向前向后算子分裂方法定义的在线“字典”元素自适应更新策略，即对在线“字典”中对函数拟合估计贡献权值小于给定门限的“字典”元素进行删除操作。利用湖试噪声数据的仿真结果表明：在声纳阵列被加速和减速的非平稳变化过程中，与常规线性方法相比核自适应滤波方法对噪声估计的均方误差低了7dB，而且所提两种“字典”自适应稀疏方法降低了阵列非线性自适应噪声抵消器的“阶数”，因此计算复杂度和对存储空间的要求更低，为工程实际中阵列在线自适应噪声抵消应用奠定基础。　　3.针对基于多核的方法较之单核方法具有更多的系统自由度和特征能够有效解决动态系统在线辨识和核函数参数必须离线选择问题的优点，提出基于K个高斯核函数的最小均方误差 MKLMS1、MKLMS2、MKLMS3三种多核自适应滤波算法，并提出了前两种多核滤波器在预先给定“字典”元素情况下的理论收敛分析计算方法，通过所推理论表达式可以比较三种不同类型的多核自适应滤波器的性能特点。仿真结果表明：基于所提计算方法预测出的理论收敛曲线与蒙特卡洛仿真实验平均后所得的误差学习曲线在瞬态阶段和稳态阶段均一致吻合，不仅验证了所推多核自适应滤波器理论性能计算方法的正确性和有效性，而且提供了基于多核函数的非线性自适应滤波器性能分析、比较和设计手段。　　4.针对阵列接收噪声组成分量的空时复杂性，同时根据多核函数的自适应滤波器结构，提出两种基于线性核函数与非线性高斯核函数加权组合的双核归一化最小均方误差滤波BKNLMS1方法和BKNLMS2方法。针对阵列多通道差分方法提供相关噪声的复杂性，通过对线性核函数和非线性高斯核函数分别加权得到两种综合自适应滤波器。不仅考虑线性相关噪声的抵消，而且进行非线性相关噪声的抑制，并利用湖试噪声数据分别对单频和调频接收信号进行相关检测验证阵列自适应噪声抵消效果。仿真结果表明：所提两种方法可以同时自适应抵消线性和非线性噪声分量从而改善信噪比提高检测概率，在相同检测概率下不仅相对传统线性自适应噪声抵消器的检测概率提高了5dB，而且比单核KNLMS算法非线性自适应噪声抵消方法提高了2dB，因此所提两种方法在对声纳阵列自适应噪声抵消的工程实际中具有很强的实用价值。　　5.针对UUV舷侧MIMO阵列对低速运动目标检测时易受到混响和干扰影响的问题，提出针对MIMO阵列基于子空间估计降维的空时两维自适应处理对混响和干扰进行抑制的方法。该方法结合扁长椭球波函数的时限带限特性近似构造出降维的杂波子空间，并利用与发射波形正交的辅助匹配滤波通道估计出干扰加噪声协方差矩阵，通过“逼零”方法求得MIMO阵列系统的空时权矢量。仿真结果表明：当存在非理想因素影响时，该方法与其它方法相比能够更有效抑制混响和干扰且UUV舷侧MIMO-STAP降维运算量更低。　　本文研究成果对改善信噪比提高UUV阵列对远程微弱信号检测性能具有重要的理论意义和实用价值，对其它水下声纳阵列系统的降噪问题解决具有借鉴意义。
作者：	高伟
专业：	信息与通信工程
导师：	黄建国
授予学位：	博士
授予学位单位：	西北工业大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文