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1、第2 8 卷第2 期 2 0 0 9 年4 月声学技术T e e h n i c a l A c o u s t i c sV 0 1 2 8 N o 2P t 3A p r ，2 0 0 9MIM 0 声纳自适应波束形成技术研究张友文，孙大军( 哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 0 1 )A d a p t i v eB e a m f o r m i n gT e c h n i q u e sf o rM u l t i p l e - I n p u t M u l t i p l e - O u t p u tS o n a rZ H A N GY o u w
2、e n ，S U ND a - j u n( S c h o o lo f U n d e r w a t e r A c o u s t i c sE n g i n e e n n g , H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y , H a r b i n1 5 0 0 0 1 ，C h i n a )1 引言现代主动声纳探测系统的最主要的需求是低截获概率、高精度的目标探测与参数估计性能，而常规的主动声纳系统由于收发装置的共用一个平台、声波的双程传播损失都使得其很难满足现代声纳发展的需求。近年来多输入一多输出( M I M O
3、 ) 天线技术的使用使得无线通信系统的性能相比于单天线通信系统而言有了极大的提高【lJ ，鉴于M I M O 技术在现代通信以及雷达应用中所取得的成蒯2 3 1 ，本文将 M I M O 技术引入声纳探测领域，为验证M I M O 声纳的目标探测性能，将常规声纳波束形成技术拓展到V t M O 声纳体制下，从而通过空间分集与信号波形分集技术进一步提高声纳的探测性能。2M I M O 声纳信号模型个窄带M I M O 声纳系统由M 个位置任意的 发射换能器和个位置任意的接收换能器组成。系统通过发射阵发射M 个线性独立的声信号s 。( m = 1 ，2 ，M ) ，其中为可供积分的样本长度；目表示
4、目标位置参数，如目标距离和D O A 等，当目标相对于发射阵满足远场条件时令a ，( 口) 为发射阵的导向性矢量，接收阵输出信号矩阵为X = a r ( 9 ) ( 秒) 口? ( 9 ) s + z( 1 )基金项目：水声技术国家级重点实验室萆金( 9 1 4 0 2 0 0 8 0 2 0 8 0 C 2 0 )作者简介：张友文( 1 9 7 4 ) ，男，湖北大冶，汉族，博上，副教授，水声高 分辨成像、水声通信以及声矢置信号处理；通讯作者：张友文，E m a i l ：z h a n g y o u w e n h l ( 彰g m a i l c o m 。其中，( T 表示矢量的转置
5、，S = I s 。s ： r ，X 的每一列表示一个接收数据快拍，a ，( 0 ) 表示接收阵的导向性矢量，( 9 ) 表示位于秒处的目标散射复幅度，矩阵Z 表示噪声以及来自其它方向的干扰信号。3M I M O 声纳自适应波束形成技术3 1M I M O 声纳C a p o n 波束形成C a p o n 波束形成器 4 1 约束关系式如下m i n w k w 约束至0W 口，( o ) - - I( 2 )其中，( ) 表示共轭转置，W 为权值向量，天为样本协方差矩阵估值，解( 2 ) 可得其最优权值并使用最小二乘算法即可获得( 秒) 的估计，即 眦) 2 丽秽舔器硐3 2M I M O
6、 声纳A P E S 波束形成A P E S 波束形成器【5 1 是一个高分辨非参数谱估计方法，该方法满足以下约束关系式m i n 矿wX 一( o ) a s I l 2 约束到W H a r ( 秒) = 1声学技术2 0 0 9 正束形成器使得波束形成器的输出尽可能接近发射信 号波形a j ( o ) s 。解( 4 ) 式最优化问题即可得到基 于A P E S 的( 臼) 的估计瞄胪丽者蒜( 5 ) 其中，Q = 食一茎暑宅筹。4 仿真实验分析M I M O 声纳仿真中发射与接收阵均采用等间隔 直线阵，发射与接收阵阵元个数为M = N = 1 6 ，发射与接收阵阵元间隔均为半波长，发射
7、阵同时发射的相互正交的正交信号( Q P S K ) ，因此发射信号的自相关矩阵为尺。= I ( 其中，为单位矩阵) ，加 入的噪声为圆周对称复高斯白噪声。三个目标的方位角分别为4 5 。、1 0 。和2 5 。，三个目标的幅度 分别为1 、1 5 和2 ，信噪比为5 招。场景中0 。处 加入了一个幅度为5 0 0 ( 即t 匕- 4 5 。目标高出5 3 挡)的未知强干扰。32 52譬，s1。50J4 。D e l a ya n dS u mC a p o nA P E Sf治卜麓憋j ! ；J I ，if ；：3溅J V卸卸| 02 002 04 0印方位度图1S I M O 声纳性能仿翼
8、F i g 1T h ep c f f 昕m 彻o f S I M O l l a r由图l 可知常规声纳在强干扰的影响下三种波束形成技术对D O A 估计精度变差，旁瓣级明显抬高；在幅度估计方面，时延求和波束形成存在着明显的过估计现象，同时出现了较高的旁瓣；C a p o n 波束形成对幅度估计存在着明显的欠估计现象；A P E S 相比于C a p o n 波束形成幅度估计准确。 图2 的M I M O 声纳仿真结果表明三种波束形成算法相比于S I M O 声纳而言其估计性能都有不同程度的提高，时延求和波束形成对D O A 估计的精度提高、旁瓣级有明显下降，但是幅度估计在靠近强干扰源的目标
9、处存在过估计现象；C a p o n 和A P E S 波束形成算法D O A 估计准确和幅度估计精度准确，C a p o n 波束形成的角度分辨能力高于A P E S 波 束形成算法，而A P E S 波束形成对幅度估计精度高于C a p o n 算法，C a p o n 波束形成算法仍存在轻微的欠估计现象。方位度图2M I M O 声纳性能仿真F i g 2T h ep c - r f o r m a n c eo f M I M Os o n a r5结论M I M O 声纳可以通过空间分集和信号分集技术提供传统S I M O 声纳所不具被的一些优点；本文首先给出M I M O 声纳信号
10、模型，将C a p o n 和A P E S 波束形成技术推广到M I M O 信号模型下。仿真结果表明：( 1 ) 相比于常规声纳，M I M O 声纳通过分集技术取得了较高的分集增益；( 2 ) 在M I M O 体制下常规的自适应波束形成技术的估计精度、分辨能力都有所提高；( 3 ) 在M I M O 体制下声纳的抗强干扰能力明显提高。参考文献：【l 】T s eD ，V i s w a n a t hP F u n d a m e n t a l so fW i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n 【M 】N e wY o r k , C a m
11、b r i d g eU n i v e r s i t yP r e s s ，2 0 0 5 【2 】F i s h i e rE ，H a i m o v i e hA ，B l u mR M I M Or a d a r ：a l li d e a w h o s et i m eh a sc o m e C 】P r o c e e d i n g so ft h eI E E ER a d a rC o n f e r e n c e ，A p r i l2 0 0 4 ；7 1 - 7 8 3 1R o b e yFC ，C o u r t sS ，W e i k l eDD M
12、 I M Or a d a rt h e o r ya n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 【C 】P r o c e e d i n g so ft h e3 8 t hA s i l o m a rC o n f e r e n c eo nS i g n a l s ，S y s t e m sa n dC o m p u t e r s ，N o v 2 0 0 0 ；1 ：3 0 0 - 3 0 4 4 1C a p o nJ H i g hr e s o l u t i o nf r e q u e n c y - w a v e n u
13、 m b e rs p e c t r u ma n a l y s i s 阴P r o c e e d i n g so ft h eI E E E 。A u g u s t1 9 6 9 ；5 7 ：1 4 0 8 - 1 4 1 8 【5 】S t o i c aEJ a k o b s s o nA ，a n dL iJ C a p o n , A P E Sa n d m a t c h e d - f i l t e r b a n ks p e c t r a le s t i m a t i o n【J 】S i g n a lP r o c e s s i n g ，A p r i l19 9 8 ；6 6 ：4 5 - 5 9
