傳感器陣列波束優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

前言

　　陣列信號處理中的波束優(yōu)化問題，是一個司空見慣而又十分重要的問題，然而迄今還沒有一本關(guān)于此課題的專著，系統(tǒng)而深入地將有關(guān)最新研究成果呈現(xiàn)在讀者面前，使初學(xué)者容易入門，讓飽學(xué)者有一塊引玉之磚，這便是我們撰寫此書的初衷。　　寫這樣一本書，卻需要鼓起勇氣。回想從1982年起，我著手并持續(xù)進行這個問題的研究已有26年之久，其間有許多學(xué)生和同事參與，是應(yīng)該有一個總結(jié)性的交代了，何況我的年齡已經(jīng)越過青壯年的邊界。幸好有了鄢社鋒，作為我的學(xué)生和伙伴投入了這個課題的研究。他作為西北工業(yè)大學(xué)教改試點班的學(xué)生，于1998年自愿選擇到本人名下做本科畢業(yè)設(shè)計，并做碩博連讀。從那時起，他和我在一起前后有七年多時間。記得我建議給他的本科畢業(yè)設(shè)計課題是研究淺海中一個水聽器垂直線列陣的空間增益，由于信號的多徑效應(yīng)引起的增益損失有多少，以及有什么辦法可以減小這種損失。所以從一開始，他的學(xué)位課題就與陣列信號處理緊緊地聯(lián)系在一起。鄢社鋒的博士學(xué)位論文題目是《水聽器陣列波束優(yōu)化與廣義空域濾波研究》，于2005年通過博士學(xué)位答辯，于2008年5月22日經(jīng)教育部評選公布為年度全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文之一。離開西北工業(yè)大學(xué)之后，鄢社鋒到了中國科學(xué)院聲學(xué)研究所做博士后，在侯朝煥院士的關(guān)心和支持下繼續(xù)從事波束優(yōu)化方向的工作。目前在挪威科技大學(xué)做博士后，在那里，Hovem教授和董和風(fēng)教授給予了同樣的支持。盡管鄢社鋒還很年輕，他在波束優(yōu)化相關(guān)課題上的研究工作，也已經(jīng)持續(xù)了十年之久。所以由他主筆，與我共同完成這本書是合適的，這在一定意義上具有集課題組過去工作之大成的意思。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹了傳感器陣列波束形成器優(yōu)化設(shè)計方法及其應(yīng)用。全書分8章，主要敘述了窄帶波束優(yōu)化設(shè)計方法、寬帶波束形成器實現(xiàn)方法及寬帶波束優(yōu)化設(shè)計方法，最后將各波束形成方法應(yīng)用于目標(biāo)方位估計。書中融入了作者及合作者多年來從事陣列信號處理方面科研工作的實際經(jīng)驗，納入了作者近年來在國內(nèi)外重要期刊發(fā)表的十余篇論文，同時也采納了少量散見于各種文獻中的部分內(nèi)容。    本書對波束優(yōu)化設(shè)計問題敘述詳盡，理論分析力求系統(tǒng)、深入，說理深入淺出，便于自學(xué)。本書可作為聲吶、雷達及無線通信信號處理專業(yè)的本科生、研究生和教師的參考書，也可供有關(guān)專業(yè)科學(xué)研究與工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

序言前言第1章  緒論  1.1  陣列信號處理應(yīng)用范圍  1.2  研究歷史與現(xiàn)狀    1.2.1  陣增益與穩(wěn)健性      1.2.2  波束圖優(yōu)化設(shè)計      1.2.3  恒定主瓣響應(yīng)波束設(shè)計    1.2.4  波束形成器的實現(xiàn)    1.2.5  目標(biāo)方位估計  1.3  本書的結(jié)構(gòu)第2章  基本知識介紹  2.1  引言  2.2  數(shù)學(xué)模型    2.2.1  基陣    2.2.2 信號模型    2.2.3  噪聲場模型    2.2.4  基陣接收數(shù)據(jù)模型    2.2.5  快拍數(shù)據(jù)模型  2.3  波束形成    2.3.1  波束形成表達形式    2.3.2  窄帶波束形成及其性能參數(shù)  2.4  常見的波束形成器    2.4.1  常規(guī)波束形成器    2.4.2  MVDR波束形成器    2.4.3  MVDR波束形成器的穩(wěn)健性  2.5  本章小結(jié)第3章  穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成  3.1  引言  3.2  樣本協(xié)方差矩陣求逆法  3.3  對角加載法  3.4  加權(quán)向量范數(shù)約束法    3.4.1  加權(quán)向量范數(shù)約束與對角加載波束形成器的關(guān)系    3.4.2  范數(shù)約束波束形成器的二階錐規(guī)劃求解方法    3.4.3  范數(shù)約束波束形成器對角加載量求解法    3.5  最差性能最佳化法  3.6  協(xié)方差矩陣擬和法  3.7  雙約束法    3.7.1  算法描述    3.7.2 盡可能小的橢圓不確定集    3.7.3  算例  3.8  各種波束形成方法性能比較  3.9  本章小結(jié)第4章  旁瓣控制波束形成  4.1  引言  4.2  窗函數(shù)加權(quán)法    4.2.1  幾種重要的窗函數(shù)    4.2.2  波束指向調(diào)整  4.3  凹槽噪聲法  4.4  零點展寬技術(shù)    4.4.1  干擾方位擴展法      4.4.2  頻帶擴展法    4.4.3  協(xié)方差矩陣錐化法  4.5  最低旁瓣波束形成器    4.5.1  最低旁瓣波束設(shè)計    4.5.2  穩(wěn)健最低旁瓣波束設(shè)計  4.6  旁瓣控制高增益波束形成器    4.6.1  低旁瓣自適應(yīng)波束設(shè)計    4.6.2  旁瓣控制高增益波束設(shè)計    4.6.3  穩(wěn)健旁瓣控制波束設(shè)計  4.7  抗陣列流形誤差的穩(wěn)健低旁瓣波束形成    4.7.1  問題描述    4.7.2  L2范數(shù)準則    4.7.3  L1范數(shù)準則    4.7.4  最差旁瓣下界  4.8  本章小結(jié)第5章  波束圖綜合  5.1  引言  5.2  最小誤差逼近法    5.2.1  問題描述    5.2.2  最小均方準則法      5.2.3  最小誤差范數(shù)法    5.3  期望主瓣響應(yīng)波束設(shè)計    5.3.1  問題描述    5.3.2  旁瓣控制主瓣最小誤差逼近    5.3.3  主瓣精度約束最低旁瓣波束設(shè)計    5.3.4  窄帶波束優(yōu)化統(tǒng)一形式  5.4  恒定主瓣響應(yīng)波束設(shè)計    5.4.1  寬帶波束圖    5.4.2  恒定主瓣響應(yīng)波束圖  5.5  期望主瓣幅度響應(yīng)波束設(shè)計    5.5.1  問題描述    5.5.2  相位迭代法    5.5.3  分解迭代法    5.5.4  設(shè)計實例  5.6  本章小結(jié)第6章  寬帶波束形成器的實現(xiàn)  6.1  引言  6.2  頻域DFT波束形成器    6.2.1  DFT波束形成    6.2.2  另一種解釋    6.2.3  分析與討論  6.3  時域FIR波束形成器  6.4  基于FFT的FIR波束形成  6.5  FIR波束形成器中的濾波器設(shè)計    6.5.1  最小加權(quán)誤差準則    6.5.2  約束最小加權(quán)誤差準則  6.6  FIR波束形成器分步設(shè)計法    6.6.1  設(shè)計原理    6.6.2  時域?qū)拵СＲ?guī)波束形成    6.6.3  恒定主瓣響應(yīng)FIR波束形成器    6.6.4  旁瓣控制高增益FIR波束形成器    6.7  本章小結(jié)第7章  寬帶波束優(yōu)化  7.1  引言  7.2  最小合成誤差全局優(yōu)化恒定主瓣響應(yīng)FIR波束形成    7.2.1  分步設(shè)計法的局限性    7.2.2  FIR寬帶波束響應(yīng)    7.2.3  恒定主瓣響應(yīng)FIR波束形成器  7.3  寬帶自適應(yīng)FIR波束形成    7.3.1  數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣      7.3.2  自適應(yīng)FIR波束形成器設(shè)計    7.3.3  旁瓣控制自適應(yīng)FIR波束設(shè)計  7.4  最小差異恒定主瓣響應(yīng)FIR波束形成    7.4.1  最小合成誤差全局優(yōu)化法的局限性    7.4.2  最小差異設(shè)計法    7.4.3  寬帶FIR波束優(yōu)化統(tǒng)一形式  7.5  幾種寬帶FIR波束設(shè)計方法比較  7.6  本章小結(jié)第8章  目標(biāo)方位估計  8.1  引言  8.2  窄帶陣元域MUSIC方位估計  8.3  窄帶矩陣空域預(yù)濾波方位估計    8.3.1  矩陣空域濾波原理    8.3.2  矩陣空域濾波器設(shè)計    8.3.3  空域預(yù)濾波DOA估計    8.3.4  方位估計步驟  8.4  窄帶波束域方位估計    8.4.1  波束域方法    8.4.2  方位估計步驟  8.5  寬帶非相干方位估計  8.6  寬帶相干信號子空間方位估計    8.6.1  相干信號協(xié)方差矩陣的奇異性    8.6.2  相干子空間方位估計算法    8.6.3  相干子空間方位估計步驟    8.6.4  相干信號源方位估計的cramerRao下界  8.7  寬帶波束域方位估計    8.7.1  波束域方位估計方法簡介    8.7.2  頻域處理實現(xiàn)步驟    8.7.3  時域處理實現(xiàn)步驟  8.8  本章小結(jié)參考文獻附錄  A  二階錐規(guī)劃方法    A.1  二階錐規(guī)劃簡介    A.2  二階錐規(guī)劃求解軟件seDuMi  B  部分主要的符號說明    B.1  變量符號    B.2  部分算術(shù)符號  C  設(shè)計實例目錄

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　1.1 陣列信號處理應(yīng)用范圍　　陣列信號處理在雷達、聲吶、無線通信、醫(yī)學(xué)成像、地質(zhì)勘探、射電天文學(xué)等多種領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用?！　±走_是陣列處理最早的應(yīng)用領(lǐng)域。雷達在軍用與民用方面都具有較多應(yīng)用，大多數(shù)雷達是主動系統(tǒng)，天線陣既用來發(fā)射信號也用于接收信號。相控陣天線的概念早在第一次世界大戰(zhàn)期間就已經(jīng)形成，在第二次世界大戰(zhàn)中得到了實際應(yīng)用，如美國海軍的火控雷達系統(tǒng)與高分辨導(dǎo)航雷達。Skolnik對雷達相控陣的應(yīng)用有詳細的描述，其他有關(guān)文獻對雷達系統(tǒng)不同方面應(yīng)用進行了論述。Gini等人列出了截至2000年關(guān)于雷達信號處理方面的近700篇文獻。　　聲吶系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用陣列處理。Baggeroer、Knight與Owsley都對聲吶系統(tǒng)中的陣列處理有詳細的論述。主動聲吶在水中發(fā)射聲波并接收處理回波，其原理與雷達有很多相似之處。不同的是，聲波在水中的傳播比電磁波在大氣中的傳播更復(fù)雜，傳播特性對聲吶系統(tǒng)設(shè)計有較大的影響。Urick的著作是有關(guān)討論水下聲波傳播的重要文獻。被動聲吶系統(tǒng)主要是被動接收聲波信號，然后估計聲場的時空特性。被動聲吶的一個重要的應(yīng)用是對潛艇進行檢測與跟蹤。有關(guān)聲吶系統(tǒng)與聲吶信號處理方面的描述可以參閱有關(guān)文獻。

編輯推薦

　　本書是一本闡述傳感器陣列波束優(yōu)化設(shè)計方法與應(yīng)用的專著，屬于陣列信號處理的范疇。書中大部分內(nèi)容是根據(jù)作者近年的科研工作寫成的，書中所涉及的方法大多是作者及合作者近年來提出并已在國內(nèi)外重要期刊上公開發(fā)表的方法。此外，書中也介紹了部分國際上近年提出的其他方法。

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