摘要: 高分辨阵列处理是近二十多年来迅速发展起来的一门新兴学科，在声纳、雷达、通信、医学工程、地震等众多领域有着重要的应用前景。在水下信号处理中，随着实际问题研究的深化和应用中不断提高的要求，深入研究高分辨阵列处理的新理论和新方法，解决水... 展开 高分辨阵列处理是近二十多年来迅速发展起来的一门新兴学科，在声纳、雷达、通信、医学工程、地震等众多领域有着重要的应用前景。在水下信号处理中，随着实际问题研究的深化和应用中不断提高的要求，深入研究高分辨阵列处理的新理论和新方法，解决水下阵列信号处理中的复杂问题，对于提高水下装备的技术性能，具有重要的意义。 本文针对水下装备的实际应用，开展了水下目标高分辨方位估计的理论、方法和实验研究，取得了重要研究成果，为新型水下装备提供了先进的方法和有效的技术。论文的主要研究成果和创新点如下： 1.研究了窄带高分辨方位估计的克拉美—罗界(CRB)和最大似然估计(MLE)方法的统计性能，为高分辨方位估计理论和方法的研究及性能评价提供了依据。对高分辨方位估计子空间类方法的性能与CRB及MLE做了比较研究，并测量了子空间类方法在DSP硬件系统上的运行时间，结果表明：高分辨子空间类方法估计精度高、实时性好，是实现水下高分辨方位估计的有效方法。 2.研究了波束域高分辨方位估计的理论和方法，并通过阵增益分析研究了波束域高分辨估计方法的性能，揭示了波束域高分辨方法获得良好性能的本质，阐明了其性能与波束数目、相邻波束重叠量及加权方式的关系，并给出了波束数目、波束重叠量的选择准则。通过仿真得出了波束域高分辨方法方位估计误差及分辨率的统计规律。 3.建立了宽带阵列信号的离散频域模型，并应用频域采样定理确定了宽带信号的频域抽样原则。提出了宽带高分辨方位估计的CRB，给出了宽带CRB的解析表达式，计算了不同目标方位情况下的宽带CRB，为宽带高分辨估计的理论研究和性能评价提供了依据。 4.研究了相干信号子空间处理方法(CSS)和它的聚焦矩阵，应用子空间扰动分析方法研究了CSS法的统计性能，得出了宽带CSS法的方位估计误差随信噪比变化的关系，揭示了CSS法的统计特性。研究结果表明：宽带CSS方法性能良好，可以分辨相干源，且抗混响能力强。 5.分析了宽带阵列信号相关矩阵的特征分解结构，证明了宽带阵列信号噪声子空间不随频率变化的特性，并根据这一特性，提出了基于频域模型的宽带信号子空间空间谱估计法(SSEFD)。该方法方位估计精度高，性能优于宽带CSS方法。 6.宽带直接处理方法存在着信号子空间维数扩展问题，给信号子空间和噪声子空间的正确划分及高分辨方位估计带来困难。在研究信号子空间维数扩展的基础上，提出了三种修正的宽带信号子空间空间谱估计法，它们分别是基于信号子空间维数估计的方位估计法、噪声子空间加权方位估计法和扩展MUSIC法。这些方法有效地解决了子空间维数扩展问题，提高了方位估计的分辨率及估计精度。 7.研究了依赖于频率变化模型(FDM)的宽带方位估计方法。该方法增大了阵列信号相关矩阵的维数，可有效地描述噪声子空间，性能良好，但计算量很大。本文将聚焦的思想引入FDM，提出了基于FDM的相干信号子空间聚焦处理方法(CSSFDM)，并构造了该类方法的三个酉聚焦矩阵。CSSFDM在保持FDM方法良好性能的同时，显著减少了FDM方法的计算量。 8.研究了恒定束宽波束域高分辨方位估计的理论和方法，分析了宽带波束域高分辨MUSIC法的性能，结果表明：宽带波束域高分辨方位估计MUSIC法的分辨率明显高于宽带CSS方法。在分析恒定束宽波束域噪声特性的基础上，提出了一种恒定束宽波束域加权子空间方位估计方法，该方法综合应用特征值和特征向量有效地表示了噪声子空间，抑制了宽带波束域非白噪声的影响，改善了宽带波束域高分辨方位估计方法的性能。 9.建立了高分辨水池实验系统，并对窄带、宽带、阵元域和波束域高分辨方位估计方法进行了较全面的实验研究。实验结果表明，文中提出的高分辨估计方法的方位分辨率突破了二分之一波束宽度，且稳健性好。实验结果充分验证了以上高分辨方位估计方法的正确性和有效性，为工程应用打下了基础。 收起