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基于声阵列的水下多目标方位估计方法研究

摘要

DirectionofArrivalDOA

水下目标方位估计（，）技术在被动声纳的探测与定位中

具有广泛应用。本文针对不同的实际应用场景，基于非半波长均匀线阵和稀疏阵来展

开相关的DOA估计技术研究。主要研究的内容包括：

1UniformLinearArraysULA

．针对低频大间距均匀线阵（，）估计中高频声信号方

位时，产生空间混叠导致DOA估计失效的问题，研究了基于差频波束形成与解卷积

的抗混叠DOA估计方法。首先系统介绍了差频波束形成算法，该算法利用自积的方

式构建差频信号，将期望信号导向矢量的频率降低，以此来消除空间混叠影响，再通

过波束扫描得到较为稳健的方位谱。其次，将均匀线阵反卷积模型推广到差频波束形

成当中，通过对差频波束形成输出的方位谱解卷积，可有效降低主瓣宽度及旁瓣级，

同时保持一定稳健性，提高目标方位估计性能。最后通过仿真和试验对所提算法的性

能进行对比分析，在ULA中相邻阵元间距大于入射信号半波长的条件下，所提算法能

够有效消除空间混叠影响，输出较为稳健的方位谱。

2．针对传统ULA在阵元数目受限的情况下角度分辨力低、水下多途相干导致子

空间类高分辨DOA估计算法失效的问题，研究基于稀疏阵列的相干信号DOA估计方

法。提出了一种基于CLEAN的嵌套阵相干DOA估计算法。该算法首先利用嵌套阵中

非欠采样子阵进行相干信号DOA的初始估计，再利用CLEAN算法构建不同目标的

清晰信号，最后结合虚拟域处理对DOA进一步估计。该算法计算复杂度较低，且对

初始DOA估计值具有一定的稳健性。同时介绍了基于原子范数最小化的互质阵相干

DOA估计算法。通过仿真对比分析算法相关性能表现。最后通过海试数据处理结果表

明该两种算法均能在使用较少阵元数目的情况下，实现相干信号的高分辨DOA估计。

3．为实现水声阵列信号处理算法实时处理，需解决算法复杂度高与算力有限之间

-CUDA

的矛盾，针对上述解卷积差频波束形成算法的实现作为典型案例，设计了基于

平台并行化算法方案。首先介绍了CPU+GPU异构并行架构以及CUDA模型，其次，

将算法计算流程分解为各个子模块，针对每个模块设计多线程并行计算方案，最后基

CPUGPU-

于实际的与设备，开展了算法加速效果测试。实验结果表明，对解卷积差

频波束形成算法进行并行化移植后，相比于移植前，计算效率显著提高，从380.43毫

秒提升至41.67毫秒。此工作对水声阵列实时处理和计算具有一定的工程参考意义。

DOACUDA

关键词：估计；差频波束形成；解卷积；稀疏阵列；相干信号；虚拟域处理；

基于声阵列的水下多目标方位估计方法研究

ABSTRACT

UnderwatertargetDirectionofArrival(DOA)iswidelyusedinpassivesonardetection

andlocation.Inthispaper,DOAestimationtechniquesbasedonnon-half-wavelength

uniformlineararrayandsparsearrayarestudiedfordifferentpracticalap