[发明专利]具有联合约束优化形式的矢量阵稳健聚焦处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种水下阵列信号处理方法，适用于基于矢量阵测试条件下的水下噪声源定位。

背景技术

在整个水下噪声源定位系统中，阵列信号处理算法是关键技术，算法的优劣直接决定了整个系统的性能。目前研究表明，将声聚焦阵列信号处理方法与矢量阵信号处理方法相结合，可有效提高噪声源定位性能。根据所使用的声聚焦阵列信号处理方法的不同，可分为常规聚焦波束形成算法和高分辨聚焦波束形成算法。常规聚焦算法的基本原理是通过对特定方向入射的球面波进行相位或时延补偿来求取声场的等效分布，其优点在于可针对噪声源中的线谱成分及宽带噪声进行处理，不受多声源相干性的限制，算法简单，易于工程实现，但其缺点是空间分辨率受到“瑞利限”限制，对空间位置接近的声源分辨能力有限。为获得更高的空间分辨率，需要提高分析频率、扩大基阵孔径或者拉近测量距离，而在实际应用中良好的测量条件往往难以满足，研究高分辨聚焦算法就凸显出其重要性和迫切性。

然而，高分辨聚焦算法走向工程实用化的技术瓶颈在于该类算法在存在系统失配和环境失配的情况下会出现明显的性能下降甚至失效。归结系统失配和环境失配的影响主要体现在有限采样效应和导向矢量误差两个方面。针对远场假设条件，刘聪锋等人研究了双约束稳健Capon波束形成算法的分析与求解方法（刘聪锋，廖桂生.双约束稳健Capon波束形成算法的分析与求解.系统工程与电子技术，2011，33(3)：477-481），该方法是通过对不确定集约束Capon波束形成算法的解进行标量化处理使其满足模约束而得到的，并非是对导向矢量和采样数据协方差矩阵的联合约束，同时也无法适用于水下矢量阵近场测试条件；在近场条件下，时洁等人研究了基于二阶锥规划的噪声源稳健定位识别方法（时洁，杨德森，时胜国.二阶锥规划在噪声源稳健定位识别中的应用.哈尔滨工程大学学报，2011，32(12)：1549-1555.），但其使用的是仍是模约束方法，仅能对导向矢量误差施加影响，考虑的误差因素有限，优化效果有待改进。目前，仍缺少适用于水下矢量阵近场测试条件的可同时对有限采样效应和导向矢量误差两种主要误差进行综合优化的稳健聚焦处理器。

发明内容

本发明提供了一种能使优化后的矢量阵稳健聚焦处理在存在失配误差的条件下可以获得更大的动态范围、更尖锐的聚焦峰尺度以及更强的背景噪声级抑制能力，可以满足水下噪声源定位对于高分辨算法稳健性的迫切需求的具有联合约束优化形式的矢量阵稳健聚焦处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

（a）根据矢量阵近场测试模型，在近场球面波传播规律及点声源假设条件下，生成矢量阵数据矩阵，r、θ、分别为距离矩阵、声源俯仰角矢量矩阵和声源方位角矢量矩阵；

（b）将矢量阵数据矩阵与其复共轭转置相乘，得到对称结构的采样数据协方差矩阵R^(v)，对R^(v)进行Cholesky分解，得到Cholesky分解因子U^(v)；

（c）在声源所在平面实施逐点扫描，生成不同扫描位置处的矢量阵聚焦导向矢量

（d）对矢量阵聚焦导向矢量及分解因子U^(v)共同施加稳健联合约束优化条件，归纳得到可同时对矢量阵聚焦导向矢量失配与有限采样效应进行联合约束的矢量阵稳健聚焦处理器形式；

（e）将（d）中的联合约束优化问题转化为凸优化形式进行求解，得到最优权矢量w；

（f）将最优权矢量w代入目标函数w^HR^(v)w中，得到优化后的阵列输出功率

（g）设置合适步长，重复（c）至（f）的步骤，进行完整平面搜索并比较输出功率谱图，由谱峰位置确定噪声源所在位置。

本发明的有益效果是：根据矢量阵近场测试模型，给出了可同时对矢量阵聚焦导向矢量失配与有限采样效应施加联合约束的矢量阵稳健聚焦处理器形式，保证了优化后的矢量阵稳健聚焦处理器在存在失配误差的条件下可以获得更大的动态范围、更尖锐的聚焦峰尺度以及更强的背景噪声级抑制能力，可以满足水下噪声源定位对于高分辨算法稳健性的迫切需求。

附图说明

图1矢量阵近场测试模型；

图2(a)-图2(b)存在矢量阵聚焦导向矢量误差下的聚焦空间谱图（VCFB），其中图2(a)为伪彩图；图2(b)为等高线图；

图3(a)-图3(b)存在矢量阵聚焦导向矢量误差下的聚焦空间谱图（VMVDRFB），其中图3(a)为伪彩图；图3(b)为等高线图；