论文部分内容阅读
目标参数估计是一种通过观测数据提取目标信息的信号处理方法。它是信号处理领域的主要组成部分，是雷达、声纳的重要任务之一。从信息提取类型上划分，参数估计主要包括目标方位、距离和径向速度估计。从信息提取方法上划分，它包括单参数估计和多参数联合估计。目标参数估计技术在雷达信号处理领域已经有取得了丰硕的研究成果，但相关理论无法直接应用于水声信号处理领域。目前，结合水声信道的复杂特性，解决水下目标的参数估计问题具有较大的研究空间和研究价值。本文针对水声传播特点，对水下目标参数估计的关键技术进行了理论研究和实验分析。 本文的主要贡献包括以下几个方面: 1.利用宽带线性调频信号(Linear frequency modulation，LFM)的时频聚集性，提出一种基于分数阶傅里叶变换的时延-频移估计方法。该方法通过将接收回波变换到不同的分数域确定最优分数域位置。然后利用分数阶傅里叶变换与窄带模糊度函数之间的数学关系，将时频域二维匹配用分数域一维互相关代替。仿真实验表明，利用LFM信号良好的时频聚集性以及分数域互相关运算，可以有效提高估计精度，抑制噪声。 2.深入分析了Costas信号的窄带、宽带模糊度函数，通过理论推导和数值分析相结合的方法，给出了Costas信号的时延、频移分辨率的近似解析表达式。在此基础上，提出了一种Costas多普勒容限的数值计算方法，并对影响容限的两个因素进行了详细的实验分析，理论推导证明了它们对多普勒容限影响的不一致性。仿真实验验证了多普勒容限求取的正确性。 3.基于宽带Costas信号的波形分析，提出了一种基于多波束发射的宽带正交拷贝相关器设计。它充分利用了某些Costas编码信号之间的正交性，通过与每一个发射信号进行拷贝相关处理达到分离混合回波的目的。仿真实验验证了正交拷贝相关器设计的正确性和有效性。 4.针对水下相干信源的方位估计问题，提出了一种基于一维线阵的酉变换ESPRIT算法。该方法通过对接收数据协方差矩阵Toeplitz化处理实现解相干，利用矩阵重构使酉变换条件得到满足的同时实现了二次平滑，最后使用酉变换将复数数据全部变换到实数域求解，利用ESPRIT获得目标方位的准确估计。仿真实验表明，新算法在估计精度、计算复杂度和稳健性等方面都有明显提高，但它更适用于信源相关度较高的情况，在低相关信源存在情况下估计性能恶化严重。 5.将一维算法推广到二维均匀矩形阵，提出了一种基于二维酉变换ESPRIT-Like的相干信源方位估计算法。它采用与一维类似的思路，并用一维矩阵Kronecker积代替二维大矩阵运算降低计算量。计算复杂度分析和仿真结果表明该算法同比于二维ESPRIT-Like方法和空间平滑法具有更高的估计精度，更少的计算量，在更恶劣的噪声情况，使用更少的接收数据仍然能够有效估计目标方位。