声矢量传感器稳健空间谱估计技术研究

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1、ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngResearchonAcousticVectorSensorRobustSpaceSpectrumEstimationCandidate:MaWeiSupervisor:Prof.LiangGuolongAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:Signal&InformationProcessingDateofSubmission:March,2013DateofOralExamination:M

2、ay,2013University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学博士学位论文哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究

3、生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日声矢量传感器稳健空间谱估计技术研究摘要在

4、传统的声矢量传感器空间谱估计方法中，常常假定具备理想的阵列孔径、阵列流型模型和接收数据协方差矩阵估计模型条件，然而在实际应用中，上述假设条件往往转化为模型失配的非理想条件。本文根据声矢量传感器技术的最新发展趋势，结合实际的应用环境，针对阵列孔径受限、阵列流型模型失配、接收数据协方差矩阵估计模型失配等非理想条件下矢量阵稳健空间谱估计的热点和难点，依据国内外研究现状，对声矢量传感器稳健空间谱估计问题开展了研究，主要研究内容包括：1.对于声矢量传感器阵列而言，其阵列孔径越大分辨能力就会越强。然而实际应用中，受安装平台、经济性、安全性等条件制约往往只能使用小孔径阵列。针对阵列孔径

5、受限条件下的声矢量传感器空间谱估计问题，提出了一种声矢量传感器阵列虚拟扩展技术，详细探讨了虚拟扩展前后矢量阵列波束宽度、主旁瓣特性、处理增益和噪声特性的变化。为提高小孔径声矢量传感器阵列空间谱估计性能，提出一种基于声矢量传感器的时空变换信号处理方法。该方法考虑声矢量传感器的结构特性，利用各向同性声场中信号与噪声相关性差异和时空相关半径的不同，将声矢量传感器各通道时域采样转化成空域快拍，进而将小孔径声矢量传感器阵转化成多阵元矢量阵列。方法对于非相干宽/窄带信号均具有鲁棒性，依靠单个声矢量传感器即可完成对双目标的分辨。理论分析、仿真试验和湖上试验及消声水池试验结果验证了方法的

6、有效性。2.对于众多声矢量传感器阵列空间谱估计算法而言，常常假定精确已知阵列流型，即阵列的阵元位置已知，通道幅度相位具有较好的一致性，阵元不存在矢量姿态误差等。现实应用中，由于安装位置、制作工艺、水文条件等的影响，上述理想条件往往不复存在，进而使得大部分空间谱估计算法性能受到严重影响。针对这样的问题，建立了声矢量传感器阵元位置误差、通道幅相响应误差和矢量姿态误差的数学模型，分析了上述误差对于矢量空间谱估计的影响。对于存在阵元位置误差或通道幅相响应误差的情况，提出一种有源误差校正方法。利用三个频率已知的辅助信源分时发送校正信号，通过求解阵元间接收数据的方程对上述误差进行校正

7、。对于存在矢量姿态误差的情况，提出了一种基于正交加权能量检测的误差校正方法。通过对声矢量传感器的振速两通道进行正交加权，利用信噪能量差异完成误差校正。仿真结果验证了上述算法的有效性。3.声矢量传感器阵列信号处理应用环境中，往往存在对于高速运动目标或瞬态信号方位估计的需求。对于上述目标而言，在一个信号处理周期内，其可获得的空间采样快拍数往往是受限的，这将严重影响对于接收数据协方差矩阵的估计，进而影响空间谱估计性能。针对由高速运动目标或瞬态信号导致的小快拍（单快拍）条件下的空间谱估计哈尔滨工程大学博士学位论文问题，提出了一种基于压