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基于协方差矩阵拟合的小平台共形阵稳健波束形成技术

宫诗雨 方尔正 张家宁

宫诗雨, 方尔正, 张家宁. 基于协方差矩阵拟合的小平台共形阵稳健波束形成技术[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0001
引用本文: 宫诗雨, 方尔正, 张家宁. 基于协方差矩阵拟合的小平台共形阵稳健波束形成技术[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0001
GONG Shiyu, FANG Erzheng, ZHANG Jianing. Robust beamforming technology for small platform conformal array based on covariance matrix fitting[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0001
Citation: GONG Shiyu, FANG Erzheng, ZHANG Jianing. Robust beamforming technology for small platform conformal array based on covariance matrix fitting[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0001

基于协方差矩阵拟合的小平台共形阵稳健波束形成技术

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0001
基金项目: 国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目(52327901).
详细信息
    作者简介:

    宫诗雨(2001-), 女, 在读硕士, 主要研究方向为水下阵列信号处理

  • 中图分类号: TN911.7; U666.7

Robust beamforming technology for small platform conformal array based on covariance matrix fitting

  • 摘要: 针对水下无人航行器等小尺度平台机动且阵列孔径有限条件下的稳健探测需求, 依据应用于小平台U形共形平面阵设计多种波束形成算法。分析快拍数、输入信噪比、导向向量误差等对波束形成方法稳健性的影响。虽然最小方差无畸变波束形成方法具有高阵增益的优点, 但其在存在基阵导向向量误差和协方差矩阵估计误差的条件下性能下降较为严重, 因此在此基础上提出了协方差矩阵拟合波束形成方法和双约束稳健最小方差无畸变响应波束形成方法, 并通过数值仿真分析与其他多种波束形成方法对比验证稳健波束形成方法应用于水下小平台共形阵的稳健性。最后在考虑阵元位置误差时通过消声水池实验对多种波束形成方法的实际性能进行进一步对比验证。

     

  • 图  1  共形阵阵型设计图

    Figure  1.  Conformal formation design drawing

    图  2  九元共形阵阵型设计图

    Figure  2.  Nine-element conformal formation design drawing

    图  3  快拍数为20M输入信噪比为0 dB的指向性

    Figure  3.  Directivity diagram(N=20M, SNR=0 dB)

    图  4  快拍数为1M输入信噪比为0 dB的指向性

    Figure  4.  Directivity diagram (N=1M, SNR=0 dB)

    图  5  快拍数为20M输入信噪比30 dB的指向性

    Figure  5.  Directivity diagram(N=20M, SNR=30 dB)

    图  6  不同快拍数下的各波束形成器稳健性比较

    Figure  6.  Comparison of the robustness of each beamformer at different snapshot counts

    图  7  不同输入信噪比下的各波束形成器稳健性比较

    Figure  7.  Comparison of the robustness of each beamformer at different input signal-to-noise ratios

    图  8  存在导向向量失配的指向性

    Figure  8.  Directivity diagram of the mismatch of the steering vectors

    图  9  不同波束形成器多目标方位谱

    Figure  9.  Multi-target azimuth spectra of different beamformers

    图  10  不同导向向量误差下的各波束形成器稳健性比较

    Figure  10.  Comparison of the robustness of each beamformer under different guidance vector errors

    图  11  九元U形共形阵实物

    Figure  11.  A U-shaped conformal array composed of nine elements

    图  12  共形阵胶囊水听器

    Figure  12.  Conformal array capsule hydrophone

    图  13  水池实验不同波束形成器方位谱图

    Figure  13.  Azimuth spectra of different beamformers for pool experiments

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-02
  • 修回日期:  2024-03-11
  • 录用日期:  2024-03-12
  • 网络出版日期:  2024-05-06

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