波束形成作为现代声呐阵列信号处理的关键技术之一,主要应用包括目标的方位估计和信号的有效接收。如何根据实际的工程需求对波束的各项性能指标进行综合优化,从而提高声呐阵列对水下目标定位和检测的能力,一直是阵列信号处理的主要任务之一。二阶锥规划的引入给波束优化技术带来了新的契机。本文详细研究了基于二阶锥规划的波束优化技术,并对目标方位估计的波束优化、目标二维声成像的波束优化、恒定束宽的波束优化进行了理论研究和试验验证。具体内容包括:1.研究了波束形成的原理以及波束形成的时域和频域实现方式,描述了波束形成波束图和方位谱之间的联系。通过对波束图各项性能指标的设计,给出了数据独立的波束设计数学表达式,并利用二阶锥规划计算出波束优化的最优权值。通过构造不同的优化准则,设计出可以兼顾主瓣精度、旁瓣级、零陷深度和稳健性等多个性能指标的优化波束,且对阵列的形状无要求,适用于任意形状的阵列。但是由于设计的优化权值完全依赖于阵列流形,在阵列流形发生偏差时,波束优化的性能下降,需要对阵列流形进行校正或采用对阵列误差较宽容的稳健波束优化算法。2.基于波形分集的集中式MIMO虚拟阵列技术可以在节省阵元的前提下,提高方位估计的分辨力。为了提高系统的性能,同样需要对虚拟阵列进行波束优化。针对双基地MIMO声呐无法直接利用虚拟阵列技术的缺陷,本文结合双基地目标定位解算,将双基地MIMO声呐的二维合成方向矢量转化为随目标位置变化的一维虚拟阵列的阵列流形,保留了虚拟阵列技术提高目标分辨力的优势。研究了双基地MIMO虚拟阵列的波束图与接收波束图和发射波束图的关系。讨论了由于波束图在角度域之间的映射是非线性的,导致合成的虚拟阵列波束性能严重下降的问题,并提出了一种基于二阶锥规划的抗阵列流形失配稳健波束优化算法,在兼顾固定方向上相干干扰抑制和旁瓣控制的同时,提高了波束优化算法对阵列流形失配的宽容性,并进行了水池试验验证。3.由于二维声成像要求同时具有距离和角度的分辨能力,需要在时域上进行滑动窗的信号截取。而常规的滑窗过程导致阵列接收信号矢量与阵列流形失配,波束优化的性能下降。针对二维声成像的常规滑动窗无法在满足距离分辨力的同时,保证波束优化性能的缺陷,本文给出一种改进的固定距离滑窗模型,通过仿真模拟出不同距离上的滑窗过程,将窗内截取的理论阵列的接收信号矢量代替阵列流形来进行基于二阶锥规划的权值设计。以牺牲部分的距离分辨性能为代价,保证了波束优化的性能。同时研究了相干干扰情况下的二维声成像优化技术,通过波束优化设计干扰位置处的零陷,实现了图像域的相干干扰抑制,并分别进行了基于相干干扰抑制的相干声源与运动目标的二维声成像水池试验。4.为了获得高精度的时域波束输出信号,同时克服常规波束形成接收偏离主轴方向信号失真的缺陷,研究了基于FIR滤波器的恒定束宽时域波束形成。通过二阶锥规划设计出恒定束宽的优化波束,并利用FIR滤波器在时域上实现阵列单路信号每个频点的复数加权。针对FIR滤波器系数的分步设计法无法满足波束零陷设计和旁瓣约束精度的缺陷,给出了一种全局约束的设计方法,实现了相干干扰抑制的恒定束宽FIR时域波束形成。利用脉冲对信号的测频原理,通过恒定束宽波束输出的运动目标回波进行多普勒频偏的估计。通过仿真和试验验证了基于波束零陷设计的时域FIR恒定束宽波束形成,能够在抑制固定方向相干干扰的同时获得高精度的宽带时域信号,从而实现波形参数的估计。