【摘要】：陣列信號(hào)處理在現(xiàn)代信號(hào)處理的許多應(yīng)用中扮演著不可或缺的角色,從以天線陣列傳感器為代表的電磁波信號(hào)處理到以聲納、麥克風(fēng)傳感器為代表的聲波信號(hào)處理,均需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)年嚵行盘?hào)處理算法以滿足不同的信號(hào)處理任務(wù)。而隨著電子數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,大規(guī)模、分布式的陣列信號(hào)處理技術(shù)以其增益高、空間多樣等優(yōu)點(diǎn)在越來(lái)越多的信號(hào)處理任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。隨之而來(lái)的陣列信號(hào)處理算法面臨計(jì)算復(fù)雜高、模型非線性程度強(qiáng)等難點(diǎn)。另一方面,現(xiàn)代優(yōu)化理論的發(fā)展為解決陣列信號(hào)處理算法所面臨的這些難點(diǎn)供了理論基石。本文圍繞現(xiàn)代陣列處理領(lǐng)域的三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用問(wèn)題而展開(kāi),結(jié)合現(xiàn)代優(yōu)化理論,聚焦于設(shè)計(jì)、分析用于解決各關(guān)鍵應(yīng)用問(wèn)題難點(diǎn)的最優(yōu)化算法。本文的主要研究的內(nèi)容包括:大規(guī)模陣列穩(wěn)健波束形成技術(shù)、多傳感器系統(tǒng)誤差校正技術(shù)以及相控陣?yán)走_(dá)子陣劃分技術(shù)。對(duì)于大規(guī)模陣列穩(wěn)健波束形成技術(shù),現(xiàn)有的穩(wěn)健波束形成技術(shù)其穩(wěn)健性能一方面受限于應(yīng)用場(chǎng)景,另一方面求解穩(wěn)健波束形成器模型往往需要計(jì)算復(fù)雜度較高的優(yōu)化算法,無(wú)法有效用于大規(guī)模陣列。因此,本文從造成波束形成性能損失的物理因素出發(fā),出了一種新的穩(wěn)健波束形成器,用于改善陣列導(dǎo)向矢量誤差、信號(hào)樣本誤差、波達(dá)方向誤差以及陣列自由度有限帶來(lái)的波束形成性能損失。所出的波束形成器模型通過(guò)在目標(biāo)和干擾信號(hào)周?chē)鄠�(gè)方向施加不等式約束以增加對(duì)波達(dá)方向誤差和信號(hào)樣本誤差的穩(wěn)健性,通過(guò)懲罰不等式約束和波束形成權(quán)系數(shù)的`_2范數(shù)以平衡陣列自由度有限和導(dǎo)向矢量誤差帶來(lái)的性能損失。根據(jù)所出穩(wěn)健波束形成器數(shù)學(xué)模型特征,取名為懲罰不等式約束最小方差波束形成器。為了高效地求解該波束形成器,尤其是針對(duì)大規(guī)模陣列的應(yīng)用,本文基于交替方向乘子法設(shè)計(jì)一種低計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)化算法以全局求解波束形成權(quán)系數(shù)。此外,所出懲罰不等式最小方差波束形成器還包含了一系列模型參數(shù)以面對(duì)實(shí)際中不同穩(wěn)健波束應(yīng)用需求。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該波束形成器在天線自適應(yīng)干擾抑制、麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)以及大規(guī)模陣列特殊方向圖綜合應(yīng)用中的穩(wěn)健性和對(duì)不同應(yīng)用需求的適用性。多傳感器系統(tǒng)誤差校正是現(xiàn)代雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的必要前。過(guò)去幾十年的研究工作中大多集中在同步假設(shè)條件下,無(wú)法有效應(yīng)對(duì)實(shí)際中往往以異步方式工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文從基本的傳感器量測(cè)模型出發(fā),出了一種新的非線性最小二乘估計(jì)模型,用于從各傳感器異步量測(cè)數(shù)據(jù)中估計(jì)系統(tǒng)誤差。為了避免一階近似傳感器之間非線性坐標(biāo)變換所帶來(lái)的估計(jì)模型失配(現(xiàn)有研究工作所面臨的研究難點(diǎn)),本文首次將半正定松弛優(yōu)化方法引入到方位角系統(tǒng)誤差估計(jì)中,并在理論上證明了半正定松弛方法能全局求解方位角系統(tǒng)誤差估計(jì)問(wèn)題。基于對(duì)半正定松弛方法的理論分析,本文設(shè)計(jì)了有一種交替迭代的優(yōu)化算法,用于求解所出的非線性最小二乘模型以估計(jì)各傳感器系統(tǒng)誤差。對(duì)比現(xiàn)有的五種傳感器系統(tǒng)誤差校正技術(shù),本文所出的模型和算法不僅在噪聲條件下有更高的估計(jì)精度同時(shí)在沒(méi)有噪聲時(shí)理論上保證了精確恢復(fù)各傳感器系統(tǒng)誤差。在相控陣子陣劃分的研究中,本文分析了子陣級(jí)波束形成的基本陣列信號(hào)處理模型�；谠撔盘�(hào)模型出了兩類(lèi)子陣劃分優(yōu)化準(zhǔn)則,方向圖逼近準(zhǔn)則和自適應(yīng)干擾抑制準(zhǔn)則。兩類(lèi)準(zhǔn)則分別用于子陣級(jí)方向圖綜合和子陣級(jí)自適應(yīng)干擾抑制這兩個(gè)基本的波束形成任務(wù)。兩類(lèi)優(yōu)化準(zhǔn)則所對(duì)應(yīng)的優(yōu)化模型均為混合0-1規(guī)劃問(wèn)題且有相同的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu),即聯(lián)合優(yōu)化子陣結(jié)構(gòu)(0-1變量)和子陣級(jí)權(quán)系數(shù)(復(fù)數(shù)變量),以在子陣級(jí)逼近期望的方向圖或自適應(yīng)地抑制干擾。因此針對(duì)大型相控陣所帶來(lái)的大規(guī)模優(yōu)化變量,本文基于坐標(biāo)輪回下降算法設(shè)計(jì)了一種統(tǒng)一的低計(jì)算復(fù)雜度優(yōu)化算法,用于求解兩類(lèi)準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的優(yōu)化模型。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法在方向圖逼近準(zhǔn)則下能同時(shí)形成穩(wěn)定的低旁瓣和差波束,在自適應(yīng)干擾抑準(zhǔn)則下能有效調(diào)整子陣結(jié)構(gòu)從而抑制更多的干擾。
【圖文】：

rin和rout表示輸入和輸出的干擾語(yǔ)音信號(hào)均方根。從圖中可以看到，在 Setu 4 中，LCMV 和 ICMV 波束形成器對(duì)沒(méi)有施加約束條件的干擾也達(dá)到了抑制的，，這僅僅是場(chǎng)景設(shè)定的巧合。而在 Setup 2 和 3 中，被忽略的干擾語(yǔ)音源在波束中被放大了 10dB，導(dǎo)致整體波束形成輸出性能急劇下降，IW-SINRI 出現(xiàn)負(fù)值。過(guò)人耳主觀評(píng)價(jià)輸出的語(yǔ)音質(zhì)量，Setup 2 和 3 的語(yǔ)音質(zhì)量是非常糟糕的。相反于 P-ICMV 波束形成器，其通過(guò)懲罰函數(shù)自動(dòng)地分配陣列自由度以同時(shí)抑制 4 個(gè)語(yǔ)音源，各個(gè)干擾語(yǔ)音源均被抑制了 10dB 左右。

MV 波束形成器在 1kHz 頻率點(diǎn)的方向圖。從方向圖中可以看出 P-ICMV 波束形在 4 個(gè)方向上均形成了較低的空間響應(yīng)，從而抑制四個(gè)干擾語(yǔ)音源。而對(duì)于 LCM ICMV 波束形成器，在 Setup 1 和 4 中這兩類(lèi)波束形成器在對(duì)應(yīng)沒(méi)有施加約束條方向上也形成較低的空間響應(yīng)。而在 Setup 2 和 3 中，對(duì)應(yīng)沒(méi)有施加約束條件的上也形成了非常高的空間響應(yīng)，從而放大對(duì)應(yīng)干擾語(yǔ)音源。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN911.7

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本文編號(hào)：2621039