宽带低旁瓣时域波束形成

针对有源和无源声呐中的宽带波束形成,提出了一种低旁瓣时域实现方法。声阵列各个阵元的输出首先经过数字延迟线实现数倍采样间隔的时延补偿,然后由FIR数字滤波器来补偿剩余的时延,并实现低旁瓣波束所需的频率加权,最后再把滤波器输出相加得到时域波束输出。FIR数字滤波器的设计采用改进的自适应方法,其期望响应由工作频带划分成的等间隔窄子带上的低旁瓣波束形成权系数构成。各个子带上的低旁瓣波束则采用基于MVDR波束形成原理的波束优化设计方法得到。针对圆弧阵的计算机仿真设计结果和湖上实验验证了本文方法的正确性和有效性。     

二维解卷积波束形成水下高分辨三维声成像

针对水下三维成像的空间分辨率难以提高,且具有较高旁瓣级的问题,提出了一种二维解卷积波束形成高分辨三维声成像算法,该算法首先完成任意距离切片的平面阵波束形成,近场情况下采用菲涅尔近似实现近场平面阵波束形成,然后通过二维解卷积技术对任意距离切片的二维波束形成结果进行解卷积处理,去除阵列指向性函数的影响,改善波束响应非理想冲击函数所造成波束形成主瓣宽及旁瓣级高的问题。通过计算机仿真分析,新算法可以有效的提高水下三维成像的空间分辨率,抑制旁瓣级,并能够在较宽频带和不同阵列孔径内保持与常规波束形成相当的稳定性。通过试验研究,新方法比常规波束形成实际目标成像分辨率提高一倍,最高旁瓣级下降20 dB,验证了该算法在实际系统中的有效性.      

逆波束形成的旁瓣抑制

为了降低普通逆波束形成旁瓣,提出了一种新的旁瓣抵消技术。该技术利用指向性函数中的旁瓣部分去估计声场的响应,然后从基阵估计的声场减去这部分指向性函数旁瓣估计的声场,从而得到最终的声场估计。由于较多的旁瓣响应被估计的声场扣除,最终估计的声场中的旁瓣大大降低。利用该技术可有效地抑制干扰,同时又可保持普通逆波束形成的方位高分辨力。湖试结果显示了该技术的有效性和可行性。     

任意几何形状和阵元指向性的传感器阵列优化波束形成方法

针对常规波束运用到实际传感器阵列时旁瓣较高这一缺点,提出了适用于任意几何形状和阵元指向性的传感器阵列的两种旁瓣约束优化波束形成方法。一种是主瓣宽度约束条件下的最低旁瓣波束形成,另一种是在所能允许的最高旁瓣约束条件下的高增益波束形成。通过对加权向量范数进行约束,提高波束形成的稳健性。这两种优化波束形成问题都可以写成二阶锥(Second-OrderCone)约束优化的形式,然后利用已有的内点方法(Interior-PointMethods)求出其数值解。计算机仿真和湖上实验数据处理结果表明,该低旁瓣波束形成方法相比于常规波束和其它基于自适应波束形成的旁瓣控制方法,在同等主瓣宽度的情况下可以获得更低的旁瓣级;该高增益波束形成方法在同等旁瓣级约束条件下可以获得更高的阵增益,而且旁瓣级能够满足设定要求。     

一种加权稀疏约束稳健Capon波束形成方法

为了克服标准Capon波束形成器旁瓣级高以及存在角度失配时性能急剧下降等缺点, 在稀疏约束Capon波束形成器的基础上, 提出了一种加权稀疏约束Capon波束形成器. 该方法利用波束响应的稀疏分布特性, 在标准Capon波束形成优化模型中加入旁瓣区域波束响应稀疏约束(l₁ 范数约束), 使旁瓣区域波束响应向量中非零元素的个数最小化; 通过阵列采样数据协方差矩阵特征分解得到信号子空间及噪声子空间, 利用信号子空间与噪声子空间的正交特性, 构造加权矩阵对稀疏约束进行加权, 使得稀疏重构时波束响应向量中不同角度对应的元素得到不同程度的约束. 该方法有效地抑制了Capon波束形成器的高旁瓣级, 加深了干扰方位零陷, 提高了阵列输出信干噪比. 由于稀疏约束, 波束响应向主瓣集中, 期望信号方向附近的波束响应都较大, 从而也提高了阵列抗导向矢量角度失配的能力. 数值仿真和水池实验验证了所提方法的有效性.     

基于时延估计的分裂阵时域波束形成技术

大孔径拖曳线列阵受舰艇横向机动、洋流影响和水动力影响时会产生一定的阵形畸变,阵形畸变使得波束形成时阵列流型失配,进而降低了目标方位分辨率和阵处理的增益。在无法进行阵形估计时,基于时延估计的分裂阵时域波束形成技术将大孔径拖曳线阵分为左右两个子阵分别做波束形成,通过加权广义相关时延估计算法估算对应波束的时延差,再依据估算时延差对左右两个波束进行延时求和得到最终的波束信号。仿真和海试数据证明,相对于全阵直接做波束形成的方法,基于时延估计的分裂阵的时域波束形成技术有效提高了目标方位分辨率和阵处理的增益。     

基于凸优化的时域宽带旁瓣控制自适应波束形成

提出了基于凸优化的时域宽带旁瓣控制自适应波束形成方法。首先将基阵波束响应表达成一组FIR滤波器系数的线性函数,然后采用如下的优化准则来设计FIR滤波器组:在保证波束形成器对期望方向信号无失真输出且波束旁瓣低于设定值的条件下,使波束输出功率最小化。同时通过对滤波器系数的范数进行约束来保证波束形成器的稳健性。该波束形成器设计问题被表述成二阶锥规划的凸优化问题来求解。仿真结果验证了所提出方法的有效性。     

基于时延估计的双子阵时域波束形成技术

大孔径拖曳线列阵受舰艇横向机动、洋流影响和水动力影响时会产生一定的阵形畸变,阵形畸变使得波束形成时阵列流型失配,进而降低了目标方位分辨率和阵处理的增益。在无法进行阵形估计时,基于时延估计的双子阵时域波束形成技术将大孔径拖曳线阵分为左右两个子阵分别做波束形成,通过加权广义相关时延估计算法估算对应波束的时延差,再依据估算时延差对左右两个波束进行延时求和得到最终的波束信号。仿真和海试数据证明,相对于全阵直接做波束形成的方法,基于时延估计的双子阵的时域波束形成技术有效提高了目标方位分辨率和阵处理的增益。     

宽带波束域相干信号子空间高分辨方位估计

提出了宽带波束域相干信号子空间目标高分辨方位估计的频域处理与时域处理方法。分别设计出一组覆盖观察扇面的频域和时域低旁瓣恒定主瓣响应宽带波束形成器,然后对频域或时域波束形成器输出数据运用MUSIC方法估计目标方位。时域处理方法不需要进行频带分解,相对于频域处理需要较少的缓存和运算量。所提出的方法还可以在保证波束主瓣响应恒定的同时,通过在旁瓣区域形成期望宽度和深度的凹槽,用于抑制观察扇面外强干扰源。计算机仿真结果表明,本文的时域处理方法能够获得与本文频域处理方法相近的方位分辨与估计性能,它们都能够分辨相干信号源,且方位分辨与估计性能都高于已有方法。通过在干扰方位设计凹槽,较好地抑制了观察扇面外强干扰源,改善了对相干的弱信号源的方位分辨与估计性能。     

采用空间谱加权稀疏约束的稳健Capon波束形成方法

针对标准Capon波束形成器旁瓣级高以及期望信号方向存在误差时,性能会严重下降的问题,提出一种基于噪声及干扰空间谱加权的稀疏约束Capon波束形成方法。该方法利用波束响应本身具有的稀疏特性,以及在稀疏重构算法中l₁范数具有抑制较大值保护较小值的特性,使用噪声及干扰的空间谱对不同角度的波束响应进行加权,然后施以稀疏约束。仿真、水池试验与湖上试验中,与其它几种方法比较表明该方法可以降低波束形成器的旁瓣级,获得较深的零陷,提高了阵列输出信干噪比与抗导向向量误差的能力。      

土壤表面与部分埋藏多目标复合散射的时域有限差分方法

采用Dobson半经验模型和电介质复介电常数表示土壤介电常数的实部和虚部,用指数型分布粗糙面和Monte Carlo方法模拟土壤表面,运用时域有限差分方法研究土壤表面与部分埋藏多个矩形截面混凝土柱复合模型的电磁散射.结果表明：复合散射系数随散射角振荡变化;土壤表面高度起伏均方根、土壤含水率、目标介电常数、入射角对复合散射系数影响较大;土壤表面相关长度、目标截面宽度、高度、间距、倾角对复合散射系数影响较小;目标埋藏深度对复合散射系数几乎没有影响.与其他数值计算方法比较,采用时域有限差分方法既可获得较高的准确性,又可减少计算时间和内存占用量.可以用来计算地、海粗糙面与附近任意多目标的复合散射.     

阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的 优化研究*

超声全聚焦成像中,声波的传播受到阵元指向性的影响,位于阵元不同方位的缺陷成像幅度不同。缺陷相对阵列中心偏角越大,回波幅度越低,容易造成漏检。为提高超声全聚焦算法对固体中大偏角缺陷的成像能力,该文引入了矩形阵元固体指向性函数,建立了基于固体指向性补偿的超声全聚焦优化算法,利用指向性系数对不同角度区域的成像进行幅值补偿。实验结果表明,相对于基本超声全聚焦和传统指向性补偿的超声全聚焦算法,该文固体指向性优化算法对大偏角缺陷的成像幅度补偿效果更好,检测灵敏度更高,有效避免了缺陷漏检,扩展了超声全聚焦算法检测范围。     

基于主副瓣比加权的未知线谱目标检测方法研究

针对目标辐射线谱信号未知时的目标检测问题,依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征,该文提出了一种基于波束形成主副瓣比加权的宽带波束形成目标检测方法。该方法首先用二阶锥优化各频带波束形成,得到低旁瓣高增益波束形成;其次利用各频率单元波束形成主副瓣差异形成加权因子;然后利用加权因子对各频率单元波束形成进行加权统计,可以抑制背景噪声能量干扰,增强目标检测信噪比增益,克服传统线谱检测四维显示难点。理论分析和实验结果表明：该方法可以较好地增强目标线谱单元能量、抑制噪声、提高信噪比,改善能量累积检测法在远程目标检测方面的性能。     

改进的高分辨逆波束形成算法在圆阵中应用

针对常规逆波束形成不能突破瑞利限问题,相关学者提出一种基于自回归模型的逆波束形成算法来改善逆波束形成算法的方位分辨率;但在实际应用中,该算法的检测性能比逆波束形成算法差。对此,本文通过修改自回归模型来改善基于自回归模型的逆波束形成算法的检测性能,并将其应用于圆阵中。改善后的算法在保证对目标方位高分辨率检测的同时,在较低信噪比条件下可实现对目标方位的有效检测。理论分析和数值仿真验证了改善后的算法相比基于自回归模型的逆波束形成算法在检测性能提高了近10log(2K 1)dB( 2K 1 为虚拟线阵阵元数) 。     

Audible Threshold of Early Reflections with Different Orientations and Delays

Early reflection is an important component in an enclosed sound field. Due to the precedence effect, the early reflection may not be the dominant factor in sound source localization; however, it still has obvious influences on spatial position, loudness, timbre, and etc. Till now, there have sparse studies on evaluation of the audible threshold of early reflections with lacking of general and quantitative results. This work investigated the audible threshold of early reflection with a simplified sound field model under various experimental conditions including the combination of eight incidence angles and five time delays. Three-down-one-up adaptive strategy with three-interval three-alternative forced-choice (3I-3AFC) paradigm was used due to its efficiency and robustness. Results indicate that (1) the audible threshold of early reflections decreases monotonically with increasing time delay relative to the direct sound. Furthermore, a linear equation between early reflection threshold and time delay is established with correlation coefficient higher than 0.9; (2) When the direct sound and the reflection locate in the same half-plane, the audible threshold of early reflections decreases with increasing angle deviation between the direct sound and the reflection. Moreover, a front-back symmetry of early reflection threshold is observed for stimuli below 5 kHz; (3) Considerable variations in early reflection threshold are found among individuals, especially at large angle deviation and time delay of early reflections relative to the direct sound.     

激光致声换能器的实验与应用论证

设计制造了激光致声发射换能器,并进行了水槽实验,测量、计算了激光声信号的距离分辨力、声源级、指向性函数、指向性指数,分析了实验值与理论值误差产生的原因;计算了噪声背景和混响背景下对目标的探测距离;从理论上论证了探测沉底目标的可行性;分析了该换能器的信息传输速率、指向性和通信距离.     

陆基条件下典型地物和伪装光谱影响因子分析

近年来,随着军事侦察识别技术的快速发展,用于侦察探测的军事装备已经逐步实现高精度化水平,拥有高技术侦察手段的一方往往可以对目标实施精准打击,大大降低战争胜利的成本。在高光谱成像方面,目前比较成熟的有卫星遥感和高空航空成像技术,这两种成像方式侦察时间大致相同,入射光方向基本一致,并且由于高光谱设备基本垂直于地面,因而反射光方向保持不变, 地物的BRDF系数比较固定。在陆军应用时,侦察时间随机,太阳的入射角度时刻变化,而且侦察的方向任意,高光谱在地面或者近地位置,探测方向变化无穷,地物在不同成像条件下的光谱曲线受到物体表面的BRDF系数影响凸显。通过展开不同的实验,挑选了绿地植被和三种人造伪装材料,细致的分析了太阳高度角、方位角和探测角对陆基条件下地物光谱的影响。实验结果表明,虽然四种材料的反射特性存在差异,但在不同的太阳高度角、探测角以及探测器与地物的方位角上呈现相似的规律。对于太阳高度角,当探测角一定时,人造伪装物光谱一般随着太阳高度角的变化整条光谱曲线都发生变化,反射比曲线呈现出平移的规律,而绿地植被在白光波段变化不很明显,在近红外波段的变化很明显,随着太阳高度角的升高先升然后降低;对于方位角而言,四种材料随着方位角的增大,光谱反射比一般先升高后降低,同时后向观测时的反射比一般比前向观测时大;对于探测角,三种材料的光谱反射比与探测角的关系并不很大,但三种材料均在不同的探测角度上出现了“热点”现象。最后,对绿地植被和迷彩伪装板的BRDF模型参数进行了分析,得到了其在不同方向上的反射规律。     

偏振分辨激光诱导击穿光谱的铝铁合金信背比改善效果研究

偏振分辨激光诱导击穿光谱(PRLIBS)以其低成本压制背景的特点在LIBS降低检测限上有着重要意义,但是理论上的争议和信背比改善效果不稳定限制了其应用前景。为深入分析等离子体产生偏振特性的原理和PRLIBS信背比的改善效果,采用1 064 nm纳秒脉冲激光器和光纤光谱仪对铝铁合金样品进行了偏振分辨LIBS的信背比改善效果及偏振原理的探索性实验。通过对辐射能量的估算,大胆地推测轫致辐射在背景辐射中的占比是由大变小的,并据此解释了背景辐射强度在时间上的变化。通过改变能量密度、检偏角度、探测角、延时时间、积分时间等因素,采集光谱强度和波长数据、计算偏振度和信背比,观察到铝铁合金的等离子体光谱中背景谱和分立谱均有偏振且存在偏振度和偏振方向的差异,发现偏振LIBS改善信背比的效果与实验参数包括能量密度、延时时间、检偏角度以及波长有关。PRLIBS信背比关于能量密度的变化与一般LIBS类似,在能量较大时会趋于饱和。检偏角度会影响信背比大小,与光谱的偏振方向和偏振度有关,推导了信背比改善效果关于偏振度、检偏角度、偏振方向夹角的公式。在波长上连续谱偏振度趋势较为稳定而分立谱偏振度随光谱强度增大而减小。随延时时间增加,偏振度变化不明显,原因是相比于积分时间延时的改变量很小,而信背比的变化趋势与无偏振LIBS一致。总结了国内外对PRLIBS机理具有代表性的解释并进行了讨论,排除了激光光场、菲涅尔反射、各向异性电子速度分布等因素对等离子体偏振特性的决定性作用。研究结论是在ns-LIBS实验中,复合辐射在可见光和紫外光范围内占背景辐射的大部分,其偏振特性主要源于等离子体复合阶段产生的各向异性复合过程,原子谱偏振特性可能源于该过程中受激原子的磁性支能级间数量的不平衡,而背景谱与原子谱的偏振度及偏振方向的差异主要取决于偏振特性产生机理的不同。研究发现, PRLIBS并不总能提升元素的信背比,尤其对弱光谱信号改善效果有限,要获得较好的压制背景的效果,可以对PRLIBS的能量密度、检偏角度、延时与积分时间等条件加以控制,在能量密度20 J·cm-2积分时间30μs检偏角度20°下FeⅠ407.12 nm处的信背比由4.86提升至12.97。偏振度与探测角相关性较小,原因可能是导体的菲涅尔反射效应很弱。研究结果对PRLIBS的原理研究和应用提供了有效的理论基础。     

Effect of time delay on the upper bound of the time derivative of information entropy in a stochastic dynamical system

The effects of the time delay on the upper bound of the time derivative of information entropy are investigated in a time-delayed dynamical system driven by correlated noise. Using the Markov approximation of the stochastic delay differential equations and the Schwartz inequality principle, we obtain an analytical expression for the upper bound U_B(t) of the time derivative of the information entropy. The results show that there is a critical value of τ (delay time), and U_B(t) presents opposite behaviours on difference sides of the critical value. For the case of the weak additive noise, τ can induce a reentrance transition. Delay time τ also causes a reversal behaviour in U_B(t)-λ plot, where λ denotes the degree of the correlation between the two noises.     

剪切波对HIFU经颅聚焦形成温度场影响的数值仿真研究

在高强度聚焦超声经颅治疗时,既有纵波又有剪切波,为了保障该治疗方法的安全有效性,有必要分析剪切波对HIFU治疗温度场的影响。该文基于人体头颅CT数据和曲率半径为150 mm的256阵元的半球相控换能器建立三维高强度聚焦超声经颅声波传播模型,利用时域有限差分法结合Westervelt声波非线性传播方程、动量方程、质量守恒方程和Pennes生物热传导方程数值仿真其形成温度场,研究在相同输入功率、不同聚焦角度条件下对应阵元数进行激励时,剪切波对换能器形成温度场的影响。结果表明,随换能器聚焦角度减小,在几何焦点处形成的焦域面积逐渐增大,考虑剪切波形成的温度场达到65?C所需时间逐渐延长,焦点前移程度越大;在相同聚焦角度条件下,考虑剪切波的温度场达到65?C所需时间更短,旁瓣更少,在颅骨处的温度更高,对焦点前移几乎没有影响;随换能器聚焦角度减小,考虑剪切波的模型形成的焦域面积变化范围更大;幂指数函数形式对不同聚焦角度下焦域面积大小的拟合优度高,可预测不同聚焦角度换能器形成的焦域面积。