声纳基阵宽带波束优化设计

现代声纳系统普遍采用水听器基阵和先进的信号处理手段来提高对目标的检测和定位能力,而基阵的波束形成则在其中起到了核心作用。目前,宽带信号的阵处理已经成为阵列信号处理研究的重要方向和热点问题。本论文结合水池实验,系统、深入地研究了宽带信号的波束优化设计问题。 论文中首先介绍了任意结构阵列的窄带波束优化设计方法,系统地分析了各种宽带波束形成器的结构和特点。在此基础上,本文的主要研究工作包括: 1.结合实际声纳体积阵的波束优化设计,深入地研究了低旁瓣的时域宽带波束形成问题。研究表明,在实际声纳系统中,由于实测阵列流形与理想阵列流形的失配,采用理想阵列流形设计波束会导致实际波束的性能严重下降。文中将窄带中的稳健波束优化方法发展应用到宽带系统中,指出了在宽带系统中进行波束优化所面临的问题,并提出了基于期望响应内插的FR滤波器设计方法来解决。实验数据分析结果表明了该方法的正确性和有效性。 2.研究了任意结构阵列的恒定束宽波束形成器的设计方法,给出了一个时域宽带恒定束宽波束形成的设计实例。介绍了直接设计合适的FIR滤波器组来实现恒定束宽加权的方法,并将其应用于均匀离散圆弧阵,用两类优化方法进行仿真,并对得到的结果进行了比较。仿真结果说明用第二类方法,即要求波束在主瓣区域最佳地逼近期望波束而在旁瓣区域小于一给定值时,得到的波束能更好地满足设计要求。 3.研究了近场情况下的波束形成问题。给出了近场补偿波束的原理及仿真实例。对于任意结构阵列,提出了由近场信号模型来设计近场波束的约束最小平方和优化方法,仿真结果表明这种方法可以有效地提高近场波束形成的性能。讨论了近场宽带波束形成问题,将半定规划方法用于近场宽带波束优化设计,仿真结果表明了这种方法的有效性。