交替迭代多约束波束优化设计

声学阵列波束形成器的阵增益、旁瓣级、稳健性等多个指标相互关联,对于包含加权向量范数约束和旁瓣控制的高增益波束优化设计问题,针对传统的内点法波束优化算法硬件实现困难及计算复杂度大等问题,提出了多约束交替迭代求解方法。通过引入辅助变量将范数约束和旁瓣约束解耦合,进而将多约束优化转化为两组单约束优化问题。给出了优化子问题的解析或近似解。理论分析表明,与现有内点优化算法相比,所提方法计算量较小,单次迭代复杂度仅为变量及约束个数的二次多项式。采用仿真和实测的阵列流形验证了设计效果,结果表明所提方法可实现旁瓣级,阵增益和稳健性等多个波束设计指标的合理折中,计算精度与二阶锥规划算法相当,但计算量更小。      

改进粒子群算法的立体传声器阵列声成像系统阵形优化设计

提出改进的粒子群优化算法,获得波束方向图主瓣宽度和旁瓣级折中的优化立体阵形,避免基本实数粒子群算法仅采用旁瓣级或主瓣宽度一个性能指标优化而导致另一个性能指标恶化的问题,利用阵列视角限制进一步优化立体阵形并设计了声成像测量系统。改进的粒子群算法与基本粒子群算法仿真优化阵形比较表明改进粒子群算法设计的优化阵形在保持较窄的主瓣宽度的条件下具有较低的旁瓣级。阵列声成像测量系统的性能测量分析结果表明该系统的空间分辨率和旁瓣抑制能力与理论结果接近,验证了所提算法的有效性。     

线性约束自适应逆波束形成研究

逆波束形成较常规波束形成有较好的方位分辨力,但其旁瓣较高,为抑制旁瓣并进一步提高阵增益和方位分辨力,本文提出一种自适应逆波束形成方法,通过设计自适应滤波器对虚拟阵列进行加权,提高阵增益和方位分辨力。理论分析表明自适应逆波束形成能够抑制旁瓣和噪声,阵增益较常规波束形成和逆波束形成提高约3 d B,数值仿真结果表明,自适应逆波束形成的旁瓣降低,阵增益和方位分辨力提高,实验数据处理结果表明自适应逆波束形成具有良好的方位分辨能力和目标检测能力,从而验证了其抑制旁瓣、提高方位分辨力和阵增益的有效性。     

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.     

基于二阶锥规划的任意传感器阵列时域恒定束宽波束形成

提出了基于FIR滤波器的适用于任意几何形状和阵元方向性的传感器阵列的时域恒定束宽波束形成方法。首先将设计频带分成若干窄带,采用优化方法,通过对各窄带波束施加约束,设计出具有设定主瓣形状要求的各窄带波束。然后针对每个传感器,根据其各频率波束形成加权向量,采用约束优化方法,设计出具有要求幅度和相位响应的FIR滤波器。各滤波器输出相加即得到时域恒定束宽波束输出时间序列。波束图主瓣形状设计与期望频率响应FIR滤波器的设计问题都可以转化为二阶锥规划(Second-Order Cone programming)的形式,然后利用已有的内点方法(Interior-Point,Methods)求出其数值解。计算机仿真结果显示,设计出的各子带波束主瓣宽度比较接近,FIR滤波器设计精度高。湖上实验数据处理结果表明,该方法可以适用于实际水声系统,时域宽带波束能够满足恒定束宽要求。     

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.      

球体表面圆环阵模态域稳健高增益波束形成方法研究

通过对考虑障板影响下噪声互谱矩阵的精确求解,给出了一种计算刚性球体表面圆环阵阵增益的模型,并在此基础上提出了一种模态域二阶锥规划稳健高增益波束形成方法。该方法根据相位模态波束形成理论,将阵元域稳健加权向量转换为模态域的稳健模态系数,从而设计出不同模态阶数下的稳健高增益波束。由于采用了白噪声增益约束以及低频段较低的模态阶数,该方法提高了超增益波束形成器的稳健性。仿真结果表明该方法能够提供更多的稳健波束形成的方案,在多个关联的波束性能指标之间获得比常规方法和阵元域稳健性方法更合理的折衷。     

一种深度学习的立体阵波达方向估计方法

针对常规波束形成主瓣宽且目标分辨能力低的问题,提出一种基于深度卷积神经网络的波达方向估计方法。算法使用常规波束形成计算二维空间功率谱,将预处理后的空间功率谱图输入深度卷积神经网络。该文利用神经网络学习解卷积映射关系,输出主瓣宽度更窄的空间功率谱图,从而实现高分辨率二维波达方向估计。该算法对阵列结构没有限制,适用于立体阵。仿真结果表明该文方法在不同目标个数、快拍数及信噪比参数下均能准确估计目标方向。该文方法目标分辨能力优于常规波束形成方法。在低快拍情况下,目标方向估计误差低于自适应波束形成方法。     

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。      

水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计

为提高用于水下成像的电容式微机械超声换能器的指向性,文中用ANSYS力电耦合分析法设计了工作频率为400 k Hz的收发一体传感器的结构参数并完成了实验验证。同时研究了阵列设计方法,分析了电容式微机械超声换能器阵列各参数对指向性的影响,完成了从微小敏感单元到阵列的设计,实现了阵列指向性的优化设计。该阵列为16阵元的线阵,阵元间距为1.925 mm,阵元宽度为1.82 mm。进行了水下指向性测试,实验表明该线阵的-3 dB主瓣宽度为5?,最大旁瓣级为-13.5 dB,对称性好。该设计是实现较远距离的探测,提高成像分辨率的前提。