一种基于模式搜索算法的基阵波束优化方法

波束形成在声纳/雷达信号处理中占有重要的地位,而设计出满足要求的波束形状是声纳/雷达信号空间处理的重要内容。自适应波束形成算法理论上可以获得最优的工作性能,但其计算复杂度高、宽容性差等缺点严重地限制了这些算法的实际应用。本文采用基于模式搜索的波束优化算法,获得了与实际接收数据无关的、类似于窗函数的幅度权系数。与加窗波束形成算法相比,这种方法可以在保证主瓣宽度不展宽的情况下,有效降低旁瓣级,并且,这种方法对基阵的几何形状没有任何限制。     

波束形成后多干扰抵消方法

为解决常规波束形成后干扰抵消方法仅能从目标波束内消除一个干扰影响的局限性,提出了一种可实现多干扰抑制的波束形成后干扰抵消方法,用于解决多干扰条件下的弱目标波束形成问题.该方法通过最小化多个干扰波束对目标波束的影响,获得用于抵消干扰波束的加权值;然后从目标波束中减去加权后的干扰波束,从而获得抑制干扰后的目标波束。该方法继承了常规波束形成方法的稳健性,因此在阵列流型失配等存在误差的条件下可以用于目标波束形成。仿真和海上实验数据表明,与最小方差无失真响应方法和解卷积的常规波束形成方法相比,该方法可以有效抑制干扰的影响,且当目标与任一干扰方位相近时,其方位谱中可以观察到目标波束,而另外两种方法的目标波束均被干扰波束或其旁瓣所掩盖;与设置凹槽的波束图综合方法相比,该方法算法复杂度低,计算速度快,稳健性更好。      

数字波束形成算法仿真实现

从讨论波束形成方法在声系统中的主要作用和主要形成过程入手，介绍几种具体实现波束形成的算法。主要讨论一种能够降低硬件要求的波束形成算法——正交波束形成算法。此种方法不但适用于声系统，对于其他检测系统也有一定的实际意义。给出几种主要波束形成算法的Matlab仿真实现程序，将按照此类方法仿真所得到的波束形成指向性图与理论指向性图比较，两者非常类似。     

一种高效的自适应波束域变换方法及应用研究

波束域变换将阵元域数据投影到一个低维的波束域空间, 不仅能够减小信号处理算法的运算时间, 提高算法性能, 还能够抑制干扰. 本文针对常规自适应波束域变换方法需要在线调整波束变换矩阵、更新波束域导向矢量由此导致实时实现困难的问题, 提出一种高效的自适应波束域变换方法. 该方法将波束域协方差矩阵与导向矢量均表示成不依赖自适应波束变换矩阵的闭合形式, 省去在线调整与更新过程, 使运算效率得到了显著提高. 最后将该方法应用到波达方向(DOA)的估计之中, 仿真研究表明, 本文方法获得了比常规自适应方法更好的DOA估计性能. 此外, 本文方法还具有另一个非常突出的优点, 即它可以有效抑制运动强干扰. 这是因为本文方法无需训练波束变换矩阵, 其当前运算结果与历史快拍数据无关, 这样可以有效避免常规自适应方法中因目标运动所导致的训练数据与应用数据失配的问题.     

数字多波束声呐的一种内插算法

数字多波束声响的每一波束具有固定指向．为了在空间域得到较高的分辨力，减少声呐设计中的硬件开销，波束成形后的内插是十分必要的．本文基于抛物线三点与五点内插的原理，提出一种简单易行，精度较高的波束内插算法，并以直线阵和圆弧阵为例，说明这种算法的实现方法。实际计算机模拟结果表明，本文提出的算法可以改善多波束系统的指向特性，提高对目标的分辨精度．     

基于DFT插值的线性约束最小方差宽带自适应阵列

本文提出一种具有频率不变波束图的线性约束最小方差宽带自适应算法。首先给出了具有频率不变波束图的连续线阵的灵敏度函数与离散线列阵加权系数之间的关系，然后给出了使用DFT插值法求解各子带阵列权系数的方法，最后将DFT插值法应用于线性约束最小方差宽带自适应阵列。理论分析及仿真结果表明，该算法可以在实现最小方差波束形成的同时保持波束图基本不随频率变化，且该方法可以降低宽带自适应阵列的运算量。     

波束域高分辨方位估计的方法、统计性能及水池实验结果

本文针对水声设备的实际应用，研究了波束域高分辨方位估计的MUSIC方法。首先分析了波束形成方法获得处理增益的原理，揭示了波束域高分辨方法具有较低分辨门限的机理；给出了波束域高分辨MUSIC算法，通过计算机仿真，比较了波束域和阵元域高分辨MUSIC法的统计性能，显示了波束域高分辨方法的优越性；进行了消声水池实验，结果表明波束域高分辨MUSIC法分辨力高，对阵列误差具有较大的宽容性。     

有源声呐距离维波束形成方法

针对脉冲压缩处理所获得的距离分辨率和干扰抑制能力不足的问题,提出了有源声呐距离维波束形成方法。该方法从单个脉冲回波的频域输出中提取多组子带分量,每个子带分量的中心频率形成等差数列,对应的相移形成复指数等比数列(可类比于均匀直线阵的阵列流形向量)。根据这一特点,使用多组子带分量构建协方差矩阵,根据中心频率设计距离维加权向量,建立了距离维波束形成模型。给出了距离维常规波束形成和距离维自适应波束形成的表达式、处理流程,对距离分辨率和干扰抑制能力进行了分析。利用数值仿真和水池实验证明,距离维常规波束形成可获得与脉冲压缩处理类似的距离分辨率,而距离维自适应波束形成可获得更高的距离分辨率和更优的距离维干扰抑制能力。      

一种新的稳健波束形成算法及其一维搜索策略

存在条件失配时自适应波束形成器的性能急剧下降,凸优化技术的引入使稳健波束形成器的设计更加灵活,但同时带来了计算复杂度的增加和工程实现上的困难.针对上述问题,提出了一种基于最小二乘估计的稳健波束形成算法,并推导得到一种基于一维搜索的求解方法.首先利用广义旁瓣对消器的结构将标准Capon波束形成器转化为稳健最小二乘问题,并将该问题转化为二阶锥规划的形式.为了减少计算量,利用二阶锥规划问题的原始问题和对偶问题的关系,将求解过程转化为一维搜索,并利用牛顿迭代法获得最优解,从而获得与标准Capon波束形成相近的计算复杂度.仿真分析表明,该算法具有良好的抗导向矢量失配和快拍数不足的稳健性.     

矩阵预滤波器在抗运动干扰中的应用研究

自适应波束形成器容易受到运动干扰和观测方向偏差的影响,针对该问题提出了一种基于矩阵预滤波的零陷展宽稳健波束形成算法。首先分析了矩阵预滤波器在抗运动干扰时的适应性,并利用矩阵预滤波器在运动干扰所在区域形成凹槽。利用椭圆投影定理计算预滤波后的导向矢量不确定集,在新的导向矢量不确定集下利用稳健Capon波束形成算法(RCB)寻找最优导向矢量。仿真分析表明,和RCB算法相比,该算法不仅获得更高的输出信干噪比,还获得了预先设定的展宽零陷。     

Remote sensing of atmospheric duct parameters using simulated annealing

Simulated annealing is one of the robust optimization schemes. Simulated annealing mimics the annealing process of the slow cooling of a heated metal to reach a stable minimum energy state. In this paper, we adopt simulated annealing to study the problem of the remote sensing of atmospheric duct parameters for two different geometries of propagation measurement. One is from a single emitter to an array of radio receivers (vertical measurements), and the other is from the radar clutter returns (horizontal measurements). Basic principles of simulated annealing and its applications to refractivity estimation are introduced. The performance of this method is validated using numerical experiments and field measurements collected at the East China Sea. The retrieved results demonstrate the feasibility of simulated annealing for near real-time atmospheric refractivity estimation. For comparison, the retrievals of the genetic algorithm are also presented. The comparisons indicate that the convergence speed of simulated annealing is faster than that of the genetic algorithm, while the anti-noise ability of the genetic algorithm is better than that of simulated annealing.     

薄膜椭偏测量的自适应混合反演算法

基于梯度的线性反演方法计算效率高,基于随机扰动的模拟退火方法寻找最优解能力强针对薄膜椭偏测量的多极值问题,综合两者的优点,提出一种求解薄膜椭偏测量问题的混合反演算法.模型每次扰动采用线性寻优方法搜寻局部最优解,叠代过程中采用均匀设计的模拟退火方法随机搜寻模型,使该算法有跳出局部最优解的能力,可以在较少的叠代次数内搜寻到全局最优解,从而提高求解薄膜椭偏测量非线性反演方法的计算效率.对反演过程控制参数进行讨论,该算法具有自适应的特点.计算表明,该算法可有效求解薄膜椭偏测量的多极值问题.     

Optimization of a total internal reflection lens by using a hybrid Taguchi-simulated annealing algorithm

In this paper, we propose a new method for optimization of a total internal reflection (TIR) lens by using a hybrid Taguchi-simulated annealing algorithm. The conventional simulated annealing (SA) algorithm is a method for solving global optimization problems and has also been used in non-imaging systems in recent years. However, the success of SA depends heavily on the annealing schedule and initial parameter setting. In this study, we successfully incorporated the Taguchi method into the SA algorithm. The new hybrid Taguchi-simulated annealing algorithm provides more precise search results and has lower initial parameter dependence.     

Simulated Annealing Using Hybrid Monte Carlo

We propose a variant of the simulated annealing method for optimization in the multivariate analysis of differentiable functions. The method uses global actualizations via the hybrid Monte Carlo algorithm in their generalized version for the proposal of new configurations. We show how this choice can improve upon the performance of simulated annealing methods (mainly when the number of variables is large) by allowing a more effective searching scheme and a faster annealing schedule.     

基于模拟退火算法的宽角度X射线超反射镜设计研究

应用于硬X射线波段的宽带多层膜光学元件———宽角度X射线超反射镜的设计可以归结为一个连续变量的多维多极值的全局优化问题。缺少一种有效的全局优化方法是阻碍解决这一难题的一个关键。模拟退火算法是一种简单而且通用的全局优化算法。结合光学多层膜的设计原理提出了利用模拟退火算法来进行宽角度X射线超反射镜设计的新方法。结合已有的方法选择了W和C作为膜层的膜对材料,设计出Cu的Kα线处角度范围0.9°~1.1°反射率达到20%的宽角度X射线超反射镜。并在此基础上采用改进的自适应模拟退火算法实现了Cu的Kα线处宽角度X射线超反射镜的理想设计结果。设计结果表明了模拟退火算法在多层膜最优化设计领域的正确性和有效性。     

薄膜光学常数的模拟退火算法研究

在薄膜的光学参数拟合时，操作者给定的模型初值对拟合结果有很大的关系。采用广泛用于求解复杂系统优化问题的模拟退火算法来求解薄膜光学常数，降低了操作者给定拟合模型初值的要求。通过对常规的模拟退火算法以及非常快速的模拟退火方法(Very Fast Stimulated Annealing，VFSA)分析，针对性地在模型扰动及退火计划上存在的缺陷作了改进，提高了VFSA算法的计算稳健性。通过大量的拟合实践，验证了提出的改进模拟退火方法的有效性。     

用改进的两步模拟退火法进行二元光学元件的设计

为了减少二元光学元件设计的计算量并提高设计精度,在对现有算法机理进行深入分析的基础上,提出了适用于二元光学元件设计的两步模拟退火法.该算法在整个退火过程中采用先量化后优化的策略,并将优化过程分为两个阶段：搜索并锁定最优解区间；快速收敛到最优解.模拟实验显示,与传统设计方法相比,该算法不仅保持了全局寻优的特点,而且提高了稳健性和效率.算法剔除了对设计结果影响较大的量化误差,提高了设计精度.用此法实例设计了单焦面辐射聚焦元件,得到了与目标图像一致的光学实验结果.     

基于DPDV算法的二元光学元件设计

为解决用于高斯分布激光束整形的二元光学元件设计问题 ,在深入研究现有的各种迭代算法 ,如GS算法、模拟退火法、Alopex法等的基础上 ,提出了并行模拟退火算法和DPDV算法 (DifferentParametertoDifferentVariables)。特别是DPDV算法综合了各种算法的优点 ,而避开了其缺点。得到了迄今为止最好的计算结果     

Simulated annealing in ocular adaptive optics

We present what is to our knowledge a first hardware realization of a simulated annealing algorithm in an adaptive optics system designed to image the retina of the human eye. The algorithm is applied to the retinal image itself without the need for wavefront sensors in the system. We find that this optimization algorithm can be an alternative to the traditional Hartmann-Shack sensing. We also compare the simulated annealing algorithm to the stochastic parallel gradient descent algorithm.     

A computed tomography reconstruction algorithm based on multipurpose optimal criterion and simulated annealing theory

Although emission spectral tomography (EST) combines emission spectral measurement with optical computed tomography (OCT), it is difficult to gain transient emission data from a large number of views,therefore, high precision OCT algorithms with few views ought to be studied for EST application. To improve the reconstruction precision in the case of few views, a new computed tomography reconstruction algorithm based on multipurpose optimal criterion and simulated annealing theory (multi-criterion simulated annealing reconstruction technique, MCSART) is proposed. This algorithm can suffice criterion of least squares, criterion of most uniformity, and criterion of most smoothness synchronously. We can get global optimal solution by MCSART algorithm with simulated annealing theory. The simulating experiment result shows that this algorithm is superior to the traditional algorithms under various noises.