随机线列阵的波束形成

为解决拖曳线列阵基元位置不定性问题,本文给出模拟阵形时空曲线方程和信号时空采样矩阵,求出随机化处理平均波束图,将理论模拟和试验结果作了比较,得到阵形变化和畸变损失的定量结果.还给出阵形估计的一种模型,并进行动态补偿的试验研究.结果表明,对中等畸变低速拖曳的小型线列阵,动态补偿可以得到4dB的增益改善.     

圆阵快速数字多波束形成

在时域上实现多波束形成,其运算量与系统时空采样点数的平方成正比.木文提出以“交迭-贮存”的方法计算输入信号与时延横向滤波器脉冲响应的卷积,再根据Farrier等人的工作,用FFT算法完全实现时域上的圆阵多波束形成.因此在节省运算量的同时,保证了结果的准确.文中给出了计算机模拟计算的结果,同时还提出了一种非整数倍采样周期时延的方法,改善了指向特性.     

圆阵宽带恒定束宽波束形成的实验研究

为了检验“任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成新方法”(声学学报,2001; 26 (1):55—58)一文中提出的方法是否在实际系统中可行,我们针对24元均匀圆阵进行了湖上实验。基于实验数据,在覆盖一个倍频程带宽的8个频率点上形成了恒定束宽波束。实验圆阵的实测阵列流形和理论阵列流形存在较大误差,这表明该文采用的可适用于任意结构阵列的宽带恒定束宽波束形成方法具有良好的宽容性。     

逆波束形成在圆阵中的应用

本文讨论将逆波束形成算法应用于圆阵，给出了圆阵FIM（Fourier Intergral Method）积分方程的近似解，并通过滑动平均进一步改善了逆波束形成算法。仿真结果表明：本文所采用的逆波束形成算法旁瓣比常规波束形成算法低4dB，空间方位分辨力提高约1／3。算法的性能通过海试数据处理得到了进一步验证。     

一种稳健的柔性阵波束形成方法

由于航向、航速的改变以及水流、风浪等因素的影响,柔性线列阵在实际应用过程中阵型畸变是不可避免的。一方面,这种畸变使得许多假设阵型无畸变的波束形成方法的性能受到严重的影响;另一方面,目前很多的阵型估计方法仍不是很成熟,很难准确估计阵元的实际位置。本文提出将柔性阵列分为一段阵元位置已知的子阵和若干段阵元未知的子阵,利用不同子阵接收信号的互相关即可获得所需要的波束形成加权系数,从而在不需要知道阵元确切位置信息的情况下实现目标方法的估计。     

拖线阵机动时的自适应波束形成

提出了一种MVDR(最小方差无失真响应)的改进算法,用以解决常规MVDR算法由于阵形时变而出现的性能下降问题。在获得时变阵形估计数据的基础上,该算法以统计时段内的平均阵形为基准阵形,在每个扫描方向上根据实际阵形和基准阵形的差异对阵列互谱矩阵多样本进行相位补偿,从而实现统计时段内的互谱矩阵多样本相干累加和目标检测。数值仿真与海上实验数据处理结果表明:与传统MVDR算法相比,改进算法有效缓解了时变阵形下的目标测向角度模糊问题,可提高拖线阵目标左右舷分辨性能、增强弱目标检测能力。     

典型概率密度背景下四阶累积量波束形成的阵增益

在理论上零均值高斯分布噪声的四阶累积量恒等于零,而实际噪声和混响的概率密度是影响四阶累积量波束形成技术性能的关键问题。本文针对海洋环境噪声与海底混响的瞬时幅度分布,分别推导了四阶累积量波束形成阵增益函数;建立了阵增益与阵元数、海洋环境噪声和海底混响统计特性的四阶矩和二阶矩及输入信噪比的关系;确定了与常规波束形成阵增益之间存在临界信噪比,高于临界信干比时四阶累积量波束形成可以获得比常规波束形成更高的阵增益与分辨率。实验数据处理结果验证了四阶累积量波束形成阵增益和分辨率理论结果的一致性。     

刚性圆柱体上圆阵波束形成性能分析

以环绕在刚性圆柱体上的均匀圆阵为阵列模型,分析了刚性圆柱体对圆阵响应的影响,在声场分解所得到的相位模式空间,推导了相位模式波束形成阵列和延迟求和波束形成阵列的白噪声增益和指向性指数的定量表达式,分析了它们在不同频率段的变化规律。在存在和不存在刚性圆柱体两种情况下,对两种阵列性能进行了对比分析。研究了圆阵与圆柱体之间存在间隙时对阵列接收信号及阵列性能的影响。仿真结果表明,在两种情况下相位模式波束形成处理都具有频率不变的指向性,但在低频段牺牲了阵列的鲁棒性;延迟求和波束形成处理在整个频率段具有较好的鲁棒性,但随频率的降低其波束指向性下降,直至变成各向同性阵列。存在刚性圆柱体时,两种阵列鲁棒性均有了一定的提高,前者的指向性不变,而后者的指向性得到了提高。圆阵与圆柱体之间的间隙会降低阵列在高频段的鲁棒性。     

圆弧形面阵自适应波束形成快速计算方法

针对圆弧形面阵估计水下目标二维波达方向的问题,提出一种降维处理的自适应波束形成方法。利用圆弧形面阵模型简化阵列内插矩阵的计算,通过垂直和水平两阶段波束加权,降低自适应波束形成维数,从而实现快速估计声源二维波达方向的目的。仿真结果表明,所提改进方法的计算量较传统二维最小方差无失真波束形成方法降低约一个数量级,且在低快拍条件下具有更明显的噪声抑制优势。湖上实验数据处理结果验证,在复杂水声环境下,所提方法具有较好的目标分辨性能。     

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。     

Research on beamforming method for dual-line array with space mismatch between the two line arrays

The performance of port/starboard discrimination of dual-line array will be seriously degraded when the space between the two line arrays of the dual-line array is mismatched. The directivity function of the delay-sum and delay-subtract beamforming is deduced and the port/starboard discrimination of the delay-sum and delay-subtract beamforming is also studied both under the ideal status and the status under which the space between the two line arrays of the dual-line array is mismatched. Analysis results show the delay-subtract beamforming has better performance of port/starboard discrimination. At last, the sea trial results demonstrate the theoretical results.     

非等间距高频波导线阵列指向性研究

研究了非等间距高频波导组成的线阵列的远场垂直指向性。提出了更符合实际应用的高频波导线阵列非等间距排列模型。通过分析同相点声源阵列的指向性,结合扬声器线阵列乘积理论得到了计算所提出模型远场垂直指向性的方法,对模型进行了有限元仿真,并实验验证了理论计算值的准确性,最后分析了高频波导线阵列非等间距排列对指向性的影响。结果表明:该方法简单有效。在有效辐射率相等的情况下,非等间距高频波导线阵列与等间距线阵列的远场指向性主瓣差异很小。     

不等间距排列的球面高强度聚焦超声相控阵列

讨论了一种新型的不等间距排列的球面高强度聚焦超声相控阵列,通过阵元间的不等间距排列明显的降低了栅瓣,使在陈元间距在 4λ的情况下,栅瓣低于-20 dB.通过优化设计发现在 0.5 MHz的发射频率时,采用 231个直径为 10 mm的圆形阵元组成的球面阵列可以在轴向 10~ 15 cm,径向半径 2 cm的圆柱区域形成声强 800 W/cm²的高强度聚焦。同时还可形成多焦点,实现大肿瘤的超声热疗。     

螺线空间阵性能研究

为使水下测试声阵拥有较强的抗干扰能力,常要求阵列具有较低的旁瓣。该文提出了一种螺线空间阵设计方法,可利用螺线结构的空间稀疏分布特性,大幅降低体积阵的旁瓣高度,提高对水下目标的方位估计能力。文中给出了螺线空间阵的构造方法和阵元坐标参数,并与圆柱阵、双锥阵等常规体积阵进行了指向性、方位估计能力、阵增益的对比,仿真结果表明螺线空间阵在水平方向上的指向性旁瓣最低、最平坦,对目标进行方位估计时的伪峰高度最低,目标的方位估计能力相比双锥阵、圆柱阵提升显著。     

Beamforming with a circular array of microphones mounted on a rigid sphere (L)

Beamforming with uniform circular microphone arrays can be used for localizing sound sources over 360°. Typically, the array microphones are suspended in free space or they are mounted on a solid cylinder. However, the cylinder is often considered to be infinitely long because the scattering problem has no exact solution for a finite cylinder. Alternatively one can use a solid sphere. This investigation compares the performance of a circular array mounded on a rigid sphere with that of such an array in free space and mounted on an infinite cylinder, using computer simulations. The examined techniques are delay-and-sum and circular harmonics beamforming, and the results are validated experimentally.     

Piecewise coherent mode processing of acoustic data recorded on two horizontally separated vertical line arrays

Motivated by measurements made in the 2004 Long-Range Ocean Acoustic Propagation Experiment (LOAPEX), the problem of mode processing transient acoustic signals collected on two nearby vertical line arrays is considered. The first three moments (centroid, variance, and skewness) of broadband distributions of acoustic energy with fixed mode number (referred to as modal group arrivals) are estimated. It is shown that despite the absence of signal coherence between the two arrays and poor high mode number energy resolution, the centroid and variance of these distributions can be estimated with tolerable errors using piecewise coherent mode processing as described in this paper.     

基于二指向性接收阵元强度差的定向方法

水声领域中常用的高频定向算法通常基于时延或相位,这些方法受半波长布阵的限制,当信号频率超过一定限度时会产生角度模糊,从而影响方位估计效果。本文提出利用声轴方向有一定开角的有指向性水听器来引入不同阵元接收信号的强度差,利用强度差来估计目标的方位。这种方法由于不涉及相位或时延信息,一定条件下解决了高频声源定向过程中的角度模糊问题,并通过仿真和试验数据对算法性能进行了验证。     

拖线阵左右舷分辨技术的理论分析与实验研究

对拖线阵左右舷分辨技术进行了理论分析和实验研究,给出三元水听器组用于左右舷分辨的两种处理方法。通过对实验数据的处理和分析,验证了理论计算的结果,并将处理算法扩展到宽带情况。研究结果表明,基于最优波束形成理论的三元水听器组处理算法能够进行目标左右航的分辨,并且由于算法简单,可望得到实际应用。     

焦线可调光楔列阵系统的研制

针对原形光楔列阵均匀线聚焦光学系统线长不可调的缺点，研制了可连续改变焦线宽纵比的光楔列阵系统，详细分析了它的工作原理，并作了实验验证，得到二者相一致的结果。     

采用拖曳线列阵的海洋声学参数联合反演方法研究

匹配场反演方法是快速获取海底声学参数的一种有效途径,但是其反映的是水体和海底空间变化环境的平均效果,对海底密度和衰减系数的敏感性较小,且在复杂海底环境下,不确定性明显增加。匹配场反演方法通常采用垂直阵来实现,其机动性较差,只能获得局部海区的环境参数。利用拖曳线列阵可以实现环境参数的走航式获取。提出了基于匹配场与反射损失联合反演的方法,利用其中之一的反演结果作为下一步反演的先验信息,敏感参数与不敏感参数多步反演,并逐步缩小了参数的优化空间。同时引入贝叶斯理论与蒙特卡罗方法对反演参数的后验概率密度进行分析,并利用反演结果的后验分布计算了传播损失随距离的概率分布。研究结果表明,联合反演方法对地声参数进行了更准确的反演,尤其是对海底声速反演效果提高明显。通过传播损失的概率分布发现,估计得到的海底参数用于声场预报时,误差较小。