论文总字数：30079字

摘 要

在水声信号处理领域中，宽带信号DOA估计是一个热门的研究课题，准确、快速地估计信号源的方位对水声信号处理具有十分重要的意义。随着宽带信号DOA估计在很多领域的广泛应用，对其计算复杂度和准确度的需求越来越高，因此，经典宽带信号DOA估计算法需要改进。

论文讨论了常规波束形成方法（Conventional Beam Forming，CBF）、最小方差无畸变响应法（Minimum Variance Distortionless，MVDR）、多重信号分类算法（Multiple Signal Classification，MUSIC）三种基本的DOA估计方法。针对CBF时域方法存在的不足，讨论了三种非整周期时延滤波器的设计方法，包括理想与截断的非整周期时延滤波器、基于Lagrange插值的非整周期时延滤波器、Farrow结构非整周期时延滤波器，实现了时域CBF改进，降低了旁瓣。针对CBF频域方法存在的不足，讨论利用重叠相加法对频域CBF方法进行计算复杂度的改进。讨论了改进的MVDR方法，分析了单源和多源情况下信号子空间的衰减。并利用MATLAB将这些理论上的改进方法进行仿真实验，验证这些改进方法的性能。

关键词：CBF；DOA估计；MUSIC；MVDR；

Abstract

In the field of underwater acoustic signal processing, broadband signal DOA estimation is a hot research topic. Accurate and rapid estimation of the orientation of the signal source is of great significance for underwater acoustic signal processing. With the wide application of wideband signal DOA estimation in many fields, the demand for computational complexity and accuracy is increasing. Therefore, the classical wideband signal DOA estimation algorithm needs to be improved.

The paper discusses three basic DOA estimation methods: Conventional Beam Forming (CBF), Minimum Variance Distortionless (MVDR) and Multiple Signal Classification (MUSIC). Aiming at the shortcomings of CBF time domain method, three design methods of non-integral period delay filter are discussed, including ideal and truncated non-periodic delay filter, Lagrange interpolation based non-integral delay filter, Farrow. The structural non-periodic delay filter realizes the improvement of the time domain CBF and reduces the side lobes. Aiming at the shortcomings of the CBF frequency domain method, the computational complexity of the frequency domain CBF method is improved by the overlap addition method. The improved MVDR method is discussed, and the attenuation of the signal subspace in the case of single source and multiple sources is analyzed. These theoretical improvements are simulated using MATLAB to verify the performance of these improved methods.

Key Words: Conventional Beam Forming; Direction Of Arrival; Minimum Variance Distortionless; Multiple Signal Classification;

目 录

摘要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2宽带信号DOA估计研究现状 1

1.3论文结构 2

2 宽带信号DOA估计基本理论 4

2.1常规波束形成方法（Conventional Beam Forming，CBF） 4

2.1.1 CBF时域实现 4

2.1.2 CBF频域实现 5

2.2最小方差无畸变响应法（Minimum Variance Distortionless，MVDR） 5

2.3多重信号分类算法（Multiple Signal Classification，MUSIC） 6

2.4本章小结 8

3 宽带信号DOA估计改进方法 10

3.1改进的常规波束形成方法 10

3.1.1改进的时域实现方法 10

3.1.2改进的频域实现方法 14

3.2改进的最小方差无畸变响应法（MMVDR） 15

3.2.1单源情况 16

3.2.2多源情况 17

3.3本章小结 17

4 仿真实验 18

4.1改进的常规波束形成方法仿真 18

4.1.1仿真1 基于理想与截断非整周期时延滤波器的改进CBF方法 18

4.1.2仿真2基于Lagrange非整周期时延滤波器的改进CBF方法 19

4.1.3仿真3基于Farrow结构非整周期时延滤波器的改进CBF方法 20

4.1.4仿真4 高采样频率下三种小数时延滤波器的改进CBF方法 21

4.1.5仿真5 保留重叠相加法实现的改进CBF方法 22

4.1.6仿真6 三种小数时延滤波器的抗干扰能力比较 24

4.2改进的最小方差无畸变响应法（Minimum Variance Distortionless，MVDR）仿真 25

4.2.1仿真1 四种DOA估计方法单目标仿真 25

4.2.2仿真2 四种DOA估计算法多目标仿真 26

4.2.3仿真3 四种DOA估计算法抗干扰能力比较 27

4.3本章小结 28

5 总结与展望 29

5.1工作总结 29

5.2工作展望 29

致 谢 31

参考文献 32

1 绪论

1.1研究背景和意义

在水声信号处理领域，宽带信号DOA估计一直备受关注，至今为止，已经诞生了很多的宽带信号DOA估计理论和算法，水声方向的科研人员均十分关注，并且花费了几十年的时间试图发展和完善相关理论。DOA估计（Direction Of Arrival），指的是通过处理接收到的信号，获取目标的方位信息。宽带信号，指的是带宽能与中心频率相近或远大于中心频率的信号。由此可见，宽带信号DOA估计相较于窄带信号DOA估计难度会更大，准确、快速地估计和测定宽带信号的方位信息至关重要。因此，宽带信号DOA估计一直是水声信号处理领域热门的研究课题。

1.2宽带信号DOA估计研究现状

空间谱估计是在时域谱滤波以及空域滤波的基础上发展起来的一门学科，具有广阔的应用前景和准确的估计性能。最早的DOA估计算法由Bartlett在1965年提出，即常规波束形成法（CBF），又称为Bartlett波束形成法^[1]，它通过空域采样替代时域采样，以角度替代频率，以空间谱替代频谱，从而得到能量在不同方向的分布情况，来获取信号源的波达方向。该方法的缺点在于其分辨力取决于阵列孔径的物理尺寸，即无法分辨两个空间距离小于波束宽度的信号源，也就是所说的瑞利限^[2]。因此，突破瑞利限成为了分辨相近方位的多个信号必须解决的问题，高分辨DOA估计算法应运而生。

20世纪70年代至今，很多高分辨DOA估计算法被提出。Capon提出了最小方差（MVDR）法^[3]。该方法具有传统CBF法无法比拟的高分辨性能，而只是利用了已知信息来提高对信号源的分辨能力。多重信号分类（MUSIC）算法^[4]成为高分辨技术发展史上的一次重大突破，其克服了传统阵列信号DOA估计的固有缺点，能够有效分辨同一个波束宽度内的多个目标。

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