浅海波导中高分辨阵列处理技术研究

In the context of shallow-water ocean acoustic tomography, shallow-water ocean geoacoustic tomography and source localization, beamforming and its variants have been widely used in signal separation or localization. The existing algorithms use the second order cumulants of received signals, but their performances are still not fully satisfied and have two limitation: (1) assuming the received signals are Gaussian; (2) the number of sensors should be equal to or larger than the number of signals. In signal processing field, high-resolution methods, especially higher-order high-resolution methods have been studied extensively, however, few methods have been studied for applications in underwater acoustics. Thus, we will study high-resolution methods and their applications in shallow-water ocean acoustic tomography, shallow-water ocean geoacoustic tomography and source localization. We will focus on (1) studies on higher-order high-resolution methods in point to array configuration; (2) studies on multi-dimensional high-resolution methods in array to array configuration; (3) studies on high-resolution source localization; (4) studies on tomography inversion using developed high-resolution methods..

在浅海声层析术前向问题，浅海地声层析前向问题以及信号源定位中，波束形成及其变体已被广泛用于信号分离或定位。现有算法利用接收信号的二阶统计量分析，其分离定位精度仍不能满足实用要求且有如下局限: (1) 需假设接收信号为高斯信号；(2) 阵列中的阵元数须多于待分离或定位的源数。在信号处理领域，高分辨方法特别是高阶（大于二阶）高分辨方法被深入研究，但鲜有在浅海声层析术、浅海地声层析术前向问题及信号源定位中的应用及针对以上背景的研究。尤其是，时间反转镜技术为以上应用提供了阵列到阵列的实验结构。因此，本课题拟展开高分辨方法及其在浅海声层析术前向问题，浅海地声层析前向问题以及信号源定位中的应用研究，将主要开展如下工作：（1）在点到阵列结构中研究高阶高分辨方法；(2) 在阵列到阵列结构中，研究多维高分辨方法； (3) 利用高分辨方法估计器构造思想研究高分辨源定位算法；(4) 结合高分辨方法的反演问题。

阵列处理技术在水声学中有广泛重要的应用，本课题主要关注一类用于海洋声层析术1及源定位技术2的高分辨阵列处理技术。课题组获自然基金资助，围绕该内容开展全面深入研究，提出了一类快速高分辨阵列处理技术，其中较大的技术突破包括首次提出适用于相干线路径分离的主动宽带技术，首次提出基于高阶累计量的宽带高分辨射线路径分离技术，首次引入低秩矩阵近似理论，避免了传统子空间类方法计算复杂度高的瓶颈，提高该类算法的实时性等。通过模拟及海试数据测试，结果表明，该类新技术较之现有技术在定位精度、实时性、对海洋环境噪声的鲁棒性方面均有较大提高。相关结果撰写了11篇学术论文，9篇已发表（其中SCI论文5篇），包括在水声工程领域国际顶级期刊IEEE journal of oceanic engineering、The Journal of the Acoustical Society of America 各发表2篇。申请国家发明专利11项，4项已授权，4项已公开。.该项目现有成果已逐步进行成果转化，探索将其用于声呐等设备，以期提高设备性能。我们预期该项目成果的成功转化将对提高我国水下探测设备水平产生重要意义。..注1：海洋声层析术 (Ocean Acoustic Tomography：OAT) 利用声音在海洋中传播速度的变化来反演海洋温度的变化乃至海洋气候变化，在全球变暖的背景下， 正确把握海洋气候变化规律有巨大的社会和经济效益。本课题主要关注其前向问题——高分辨识别不同的线（或射线）路径 (raypath)，以保障高质量反演并估计声速变化。.注2: 源定位（Source localization：SL）是多年来国内外研究的重点课题, 目前在浅海的应用主要有水下潜艇定位，海洋哺乳动物定位等，高分辨阵列处理技术为其核心技术