传感器阵列波束优化设计与应用.pdf——马远良

马远良的《阵列波束优化设计与应用》，对波束形成初学者有一定的帮助TN11.7传感器阵列波束优化设计及应用鄢社锋马远良著斜學寓版北京内容简介本书系统地介绍了传感器阵列波束形成器优化设计方法及其应用。全书分8章,主要叙述了窄带波束优化设计方法、宽带波束形成器实现方法及宽带波束优化设计方法,最后将各波束形成方法应用于目标方位估计。书中融入了作者及合作者多年来从事阵列信号处理方面科研工作的实际经验,纳人了作者近年来在国内外重要期刊发表的十余篇论文,同时也采纳了少量散见于各种文献中的部分内容本书对波束优化设计问题叙述详尽,理论分析力求系统、深入,说理深入浅出,便于自学。本书可作为声呐、雷达及无线通信信号处理专业的本科生、研究生和教师的参考书,也可供有关专业科学研究与工程技术人员参考图书在版编目(CIP)数据传感器阵列波束优化设计及应用/鄢社锋,马远良著.一北京:科学出版社,2009ISBN978-7-03-022922-9.传…Ⅱ.①鄢…②马…Ⅲ.信号处理Ⅳ.TN911.7中国版本图书馆CIP数据核字(2008)第137359号责任编辑:余丁/责任校对:陈玉凤责任印制;赵博/封面设计:耕者骨噪出出版北京东黄城根北街16号邮政编码:100717http:/www.sciencep.com中国御李陀叩副厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2009年1月第版开本:B5(720×1000)2009年1月第一次印刷印张:191/2印数:12000字数:37800定价:80.00元如有印装质量问题,我社负责调换〈科印〉)序言阵列信号处理中的波束优化问题,是一个司空见惯而又十分重要的问题,然而迄今还没有一本关于此课题的专著,系统而深入地将有关最新研究成果呈现在读者面前,使初学者容易入门,让饱学者有一块引玉之砖,这使是我们撰写此书的刀衷写这样一本书,却需要鼓起勇气。回想从1982年起,我着手并持续进行这个问题的研究已有26年之久,其间有许多学生和同事参与,是应该有一个总结性的交代了,何况我的年龄已经越过青壮年的边界。幸好有了鄢社锋,作为我的学生和伙伴投入了这个课题的研究。他作为西北工业大学教改试点班的学生,于1998年自愿选择到本人名下做本科毕业设计,并做硕博连读。从那时起,他和我在一起前后有七年多时间。记得我建议给他的本科毕业设计课题是研究浅海中一个水听器垂直线列阵的空间增益,由于信号的多径效应引起的增益损失有多少,以及有什么办法可以减小这种损失。所以从一开始,他的学位课题就与阵列信号处理紧紧地联系在一起。鄢社锋的博上学位论文题日是《水听器阵列波束优化与广义空域滤波硏究》,于2005年通过博士学位答辩,于2008年5月22口经教育部评选公布为年度全国百篇优秀博士学位论文之一。离开西北工业大学之后,鄢社锋到了中国科学院声学研究所做博士后,在侯朝焕院士的关心和支持下继续从事波束优化方向的工作。目前在挪威科技大学做博士后,在那里, Hoven教授和董和风教授给予了同样的支持。尽管鄢社锋还很年轻,他在波束优化相关课题上的研究工作,也已经持续了十年之久。所以由他主笔,与我共同完成这本书是合适的,这在一定意义上具有集课题组过去工作之大成的意思。也许过些年后再看这本书,会发现许多不足之处。对此我的作为将会十分有限,而鄢社锋正值年轻,未来时间很长,一定会继续努力,争取新的发展在这里,我特别想说的是,像写书这样的事,尤其自称是一本专著,一定离不开前人的贡献,离不开研究群体的成果积累和各种各样的帮助。我不由得想起1982年的往事。那时我在英国 Loughborough大学进修,指导老师是水声和雷达信号处理领域国际著名的专家 Griffiths教授。有一大,他说有一个亟待解决的问题就是在海底布放的水听器阵列中,如果有若干水听器失效,整个阵列就不能正常工作,损失会很大。他问:“你能不能研究一下,看看有没有什么好办法,使阵列基本上恢复正常工作?”我表示很高兴研究这个问题,并迅速提出一些可能的办法和初步的仿真计算结果。首先采用失效水听器数据内插的方法,但效果不够理想,后来11·传感器阵列波束优化设计及应用就把带有失效阵元的阵列当作一个新的、具有任意阵形的阵列来处理,这就导致了“任意结构形状传感器阵列方向图的最佳化”处理的初期研究结果。所以我在1984年《中国造船》学报正式发表“凹槽噪声场法”的论文,以及1985年在第四届通信数字信号处理国际会议(英国)的大会报告,都是与 Griffiths教授联合署名的。俗话说,正确地提出问题,就解决了一半,我尊重他的贡献,感谢他指引我步入这样一个很有意思的问题。说实在的,虽然他已过世多年,但是在英国两年中与他每周一次从不间断的工作讨论,以及其他许多难忘的记忆仍然留在我的心中。其后西北工业大学声学工程研究所的许多同事和学生和我一起,将“传感器阵列波束优化”作为长期方向不断开辟新的课题。这个方向的研究工作经久不衰,是因为存在强烈的应用需求,不断得到各方面的关心和支持,逐步在声呐研制中获得应用,同时又提出新的要求。杨士莪院士和原水声专业组的同仁陆佶人教授、姚蓝教授、过世的严福旺研究员等给予了长期的关心与帮助。在20世纪80年代中期之后的十几年中,有关科研成果获得过多项部级科技奖励和多项发明专利,在国内外期刊和学术会议发表了一批这方面的论文,包括在1991年布里斯班西太平洋国际声学会议的大会主题报告,在北京海洋声学国际会议的大会报告等。这些不可能在本书中一一奉献给读者,然而它是本书许多研究工作的先驱或基础。所以我必须说,对此做出过直接贡献的同事和学生主要有王英民、孙超、万春如、张燕武、吴仁彪、史新华、杨益新、张保嵩、肖囯有、谢朝矩等,当然本人和鄢社锋亦在其中还有其他许多老师,或提出过建议,或帮助完成实验数据的采集,或分担了本来应由本人承担的其他工作,在这里一并表示最诚挚的感谢。鄢社锋的主要创造性贡献是,他将二阶锥规划技术引入到传感器阵列的波束优化设计中,从而开启了多约束波束优化之门,形成了波束优化设计的较完备的理论框架。在此基础上,提供了对眢种波束质量指标,包括主瓣宽度、旁瓣级、主瓣响应逼近误差、波束形成器的稳健性、宽带波束的频域与空域特性等进行全面折中处理的方法。为了验证这些方法的可行性,以及便于对不同方法进行比较,他做了大量的设计计算,使我们有可能在本书中为读者提供大量的设计范例。关于阵列流形误差约束下的波束优化方法,是他最近在挪威工作期间提出的,我认为这是一个波束优化稳健性问题的新概念,今后一定会有新的发展。以上简略说明了写作本书的背景和原委。由于时间安排上的关系,我对此项工作的回顾是粗糙的,对书稿的审改也不能面面俱到,疏漏之处在所难免,恭请读者批评指正。马远良2008年8月8日于西安前言本书是一本阐述传感器阵列波束优化设计方法与应用的专著,属于阵列信号处理的范畴。书中大部分内容是根据作者近年的科研工作写成的,书中所涉及的方法大多是作者及合作者近年来提出并已在国内外重要期刊上公开发表的方法。此外,书中也介绍了部分国际上近年提出的其他方法。阵列信号处理在声呐、雷达、无线通信、医学成像、地质勘探、射电天文学等多种领域具有广泛的应用,几十年以来一直是一个活跃的研究课题。波束形成是阵列信号处理的一个非常重要的任务,其处理过程为:采用空间分布的传感器阵列采集场(声场、电磁场等)数据,然后对所采集的阵列数据进行线性组合处理得到一个标量波束输出,该处理器称为波束形成器。波束形成器可以是加权系数确定后不变的固定波束形成器,也可以是随应用环境变化不断进行自动调节的自适应波束形成器。传感器阵列的空域滤波性能由其结构形状、阵元数目及处理算法等因素决定。阵列的结构形状往往受其安装的空间环境所限制,阵元数目受信号场空间相关半径与设备成本的限制,因此提高阵列性能的一种铰好的途径是改进阵列处埋算法,即根据不同的需求与应用背景设计高性能的波束形成器。波束形成器性能的优劣与否,可以从如下几个重要性能指标来考察:阵增益稳健性、旁瓣级、主瓣宽度、主瓣响应、频率响应等。文献中的波束优化设计方法就是对这几个性能指标中的一个或多个指标进行优化,例如,在波束主瓣宽度与旁瓣级之间寻优的 Dolph-Chebyshev波束形成,使理想阵增益最高的 Capon波束形成,对阵列误差稳健的自适应波束形成,旁瓣控制波束设计,旁瓣控制自适应波束形成,期望响应波束设计,以及多指标波束优化设计,等等。由于波束形成器的这几个性能指标之间不是独立的,而是相互关联的,波束优化设计就是在这些互相冲突的性能之间寻找最佳的折中,设计出满足需要的、综合性能最优的波束形成器。根据所处理的数据的频带宽度进行划分,波束形成器分为窄带波束形成器与宽带波束形成器。窄带波束形成器一般有两种实现方法:一种是采用正交解调得到复包络后进行加权求和波束形成,另一种是采用相移波束形成。宽带波束形成器的实现包括频域DFT实现与时域FIR实现两种方式,DFT波束形成是分块处理,FIR波束形成是时序处理。对于前者,首先采用离散傅里叶变换将阵列数据分解为若干子窄带,然后针对毎个子带进行窄带波束形成,最后对各子带输出进行逆傅里叶变换得到宽带波束输出时间序列。对于后者,将各通道数据分别通过一个传感器阵列波束优化设计及应用对应的FR滤波器,再将每个滤波器输出相加,得到宽带波朿输出序列。这些FIR滤波器的系数决定了波束形成器的空、频响应特性。本书共分8章。第1章是绪论,介绍了阵列波束优化设计的历史与技术现状,以及本书的内容。第2章介绍阵列信号处理与波束形成的基本知识与数学模型。第3章至第5章介绍窄带波束形成器优化设计问题,这三章分别针对前面提到的波束形成器的各性能指标进行优化折中求解,获得满足设计翌求的综合最优性能其中第3章介绍稳健自适应波束形成问题,第4章介绍旁瓣控制波束设计问题,第5章介绍波束图综合的问题。第6章与第7章介绍宽带波束形成问题,其中第6章介绍宽带波束形成器的实现问题,包括频域DFT实现方法与时域FIR实现方法,第7章介绍FIR宽带波束形成器优化设计问题。第8章介绍目标方位估计方法,前面几章介绍的波束形成方法在这一章得到了具体应用本书初稿由鄢社锋执笔,马远良对稿件进行了仔细修改,书中纳入了两人近年来在国内外重要期刊合作发表的十余篇学术论文。书中融入了鄢社锋在西北工业大学攻读博士学位(指导教师为马远良院士)、在中国科学院声学研究所从事博士后研究(合作导师为侯朝焕院士)以及在挪威科技大学( Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet)从事博士后研究期间的大部分研究成果本书涉及的大部分研究工作是在西北工业大学声学工程研究所长期科斫积累的基础上完成的,在此对学校有关部门、有关老师和同学深表感谢。本书在写作过程中,得到了中国科学院声学研究所侯朝焕院士的支持与鼓励,他对本书的初稿提出了部分修改意见,在此表示感谢。本书涉及的研究工作受到了国家自然科学基金(No.60602055)的资助,另一项国家自然科学基金还直接资助了本书的出版。本书可供从事声呐、雷达、无线通信等信号处理专业的科学研究和工程技术人员学习参考,也可作为高等院校相关专业本科、研究生及教师的参考书限于著者的水平与经验,书中难免存在一些疏漏,恳请读者批评指正。郝社锋2008年5月目录序言前言第1章绪论…1.1阵列信号处理应用范围1.2研究历史与现状1阵增益与稳健性1.2.2波束图优化设计…1.2.3恒定主瓣响应波束设计11235891.2.4波束形成器的实现1.2.5目标方位估计…………123本书的结构…第2章基本知识介绍………∴…………152.1引言2.2数学模型162.2.1基阵…………162.2.2信号模型……………162.2.3噪声场模型…182.2.4基阵接收数据模型……192.2.5快拍数据模型…………………202.3波束形成…2.3.1波束形成表达形式……232.3.2窄带波束形成及其性能参数262.4常见的波束形成器2.4.1常规波束形成器……………………332.4.2MvDR波束形成器352.4.3MVDR波束形成器的稳健性412.5本章小结47第3章稳健自适应波束形成483.1引言…3.2样本协方差矩阵求逆法4传感器阵列波束优化设计及应用3.3对角加载法,4,,…533.4加权向量范数约束法4,44B卷垂卷623.4.1加杈向量范数约束与对角加载波束形成器的关系………623.4.2范数约東波束形成器的二阶锥规划求解方法643.4.3范数约束波束形成器对角加载量求解法643.5最差性能最佳化法………………703.6协方差矩阵拟和法……………………………………………723.7双约束法…………………………………………………………793.7.1算法描述3.7.2尽叮能小的椭圆不确定集823.7.3算例823.8各种波束形成方法性能比较873.9本章小结92第4章旁瓣控制波束形成944.1引言…944.2窗函数加权法954.2.1几种重要的窗函数954.2.2波束指向调整…………………………994.3凹槽噪声法1004.4零点展宽技术1064.4.1干扰方位扩展法…1064.4.2频带扩展法1084.4.3协方差矩阵锥化法…………1094.5最低旁瓣波束形成器………………1124.5.1最低旁瓣波束设计1125.2稳健最低旁瓣波束设计1164.6旁瓣控制高增益波束形成器1184.6.1低旁瓣自适应波束设计………1184.6.2旁瓣控制高增益波束设计1194.6.3稳健旁瓣控制波束设计………………………………1214.7抗阵列流形误差的稳健低旁瓣波束形成……1254.7.1问题描述1254.7.2L2范数准则1264.7.3L1范数准则………1274.7.4最差旁瓣下界128