宽带信号波束形成算法研究

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1、学校代码10699分类号TB566密级学号2008100232西北工业大学题目宽带信号波束形成算法研究作者毕杨学科、专业水声工程指导教师王英民申请学位日期2015年5月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：宽带信号波束形成算法研究作者：毕杨学科专业：水声工程指导教师：王英民2015年5月Title:StudyontheAlgorithmofBroadbandSignalBeamformingByBiYangUndertheSupervisionofProfessorWangYing-minADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechni

2、calUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofUnderwaterAcousticEngineeringXi’anP.R.ChinaMay2015摘要摘要在水声信号处理领域中宽带信号波束形成是其主要的研究方向之一，对宽带水声信号的处理远比窄带信号困难很多。本文研究了通过聚焦变换实现宽带信号的波束形成算法，并通过仿真和实验对算法进行验证。具体的研究内容包括：1、研究了经典的窄带信号的波束形成算法，给出了常用基阵的理想阵列流形和实测阵列流形的计算方法，描述了用于验证本文算法的实测阵列流形的获取方

3、法和步骤。2、研究了决定宽带聚焦波束形成算法效果的两个因素。一个是聚焦矩阵，一个是聚焦频率。给出了最佳聚焦矩阵和最佳聚焦频率的确定方法，并根据最佳聚焦矩阵的不同求解方法给出了不同的聚焦算法。文中首次对最佳聚焦频率的有效性进行了仿真分析和水池实验的验证。仿真分析和水池实验表明：在最佳聚焦频率处实现的宽带聚焦波束形成具有更好的效果。3、提出基于最佳聚焦频率的二阶锥宽带聚焦波束形成算法。首先对二阶锥规划方法以及二阶锥规划的求解软件SeDuMi进行了介绍，描述了将优化问题转化为二阶锥规划求解形式的过程。然后介绍了基于二阶锥规划的常用波束形成算法，在基于二阶锥的宽带聚焦波束形成算法中，引入了最佳

4、聚焦频率的确定方法，提出基于最佳聚焦频率的二阶锥宽带聚焦波束形成算法，并通过仿真实验以及水池实验验证了该算法的有效性。仿真分析和水池实验表明：本文提出的基于最佳聚焦频率的二阶锥宽带聚焦波束形成算法充分利用了最佳聚焦频率的有效性，又结合了二阶锥的窄带波束形成算法，使宽带聚焦波束图主瓣更窄，旁瓣级更低。4、与RCB（RobustCaponBeamforming）算法相结合，提出了一种优化的宽带聚焦波束形成算法。首先介绍了椭球体的基本理论，在椭球体的不确定约束条件的基础上，从协方差估计的角度介绍了RCB算法的原理，并对RCB算法进行了详细的求解，最后给出了RCB算法的具体求解步骤，在仿真实验

5、中通过与MVDR（MinimumVarianceDistortionlessResponse）算法在窄带波束形成中的对比，体现了RCB算法的优越性。由于通过RCB算法可以得到更接近真实的导向矢量，因此可以将其与宽带聚焦波束形成算法相结合，用来修正聚焦变换预处理的聚焦矩阵。本文充分考虑了最佳聚焦频率的确定问题，与RCB算法相结合，提出了一种优化的宽带聚焦波束形成算法。仿真实验以及水池实验表明宽带信号通过RCB算法校正的最佳聚焦矩阵聚焦到最佳聚焦频率上可以得到更窄的主瓣，使束宽保持较好的恒定，并且旁瓣级也更低。5、提出了一种双重优化的宽带聚焦波束形成算法。首先，利用RCB算法修正聚焦矩阵，

6、然后使由宽带信号划分的各个窄带信号通过修正后的聚焦矩阵聚焦在确定的最佳聚焦频率上，最后再对窄带数据利用二阶锥方法实现波束形成。仿真实验、水池实验以I西北工业大学博士学位论文及湖试实验表明双重优化的宽带聚焦波束形成算法充分利用了RCB算法，最佳聚焦频率，二阶锥波束形成算法的优点，综合作用于宽带波束，使得实现的宽带聚焦波束形成在本论文中具有最优的波束形成效果。关键词：宽带波束形成，聚焦变换，最佳聚焦矩阵，最佳聚焦频率，二阶锥规划，RCB算法IIABSTRACTABSTRACTBroadbandsignalbeamformingisoneofthemainresearchdirections

7、inunderwateracousticsignalprocessing,butbroadbandacousticsignalprocessingismuchmorecomplexthanthatofthenarrowband.Inthisdissertation,thebroadbandbeamformingalgorithmsbyfocustransformarestudied,andthevalidationofthealgorithms