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。     

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。     

一种稳健的恒定束宽波束形成方法

考虑到信号的方向信息存在误差时,宽带聚焦变换波束形成方法的稳健性会急剧下降,为了克服这种缺点,将稳健的二阶锥规划波束形成用于聚焦变换方法中,提出一种稳健宽带恒定束宽波束形成方法并将其应用于声呐探测。二阶锥规划波束形成是通过对阵列流形进行约束求解得到准确的权值,从而减少聚焦数据误差,避免估计畸变,得到恒定束宽,提高了聚焦变换恒定束宽波束形成器的性能。借助计算机对圆环形传感器阵列在宽频段内进行恒定束宽波束优化设计,并进行了实验研究,结果表明该方法对信号信息误差有很好的宽容性,能实现我们期望得到的恒定束宽波束图,能应用于实际的声呐探测中。并且比传统的二阶锥恒定束宽方法有更高的稳健性。      

基于干扰协方差矩阵重构的恒定束宽鲁棒自适应波束形成

针对宽带波束形成中的恒定束宽波束响应优化设计问题与鲁棒性问题展开研究。首先,提出一种基于相位补偿的恒定束宽全局优化设计方法,通过对阵列流形向量进行相位补偿来设计恒定束宽波束,与现有的一些方法相比,该方法不仅能获得全局最优解,而且物理实现简单。同时,还提出一种基于协方差矩阵重构的鲁棒自适应宽带波束形成算法。该算法采用Capon估计器估计样本数据的空间一频率谱密度函数,然后对期望信号波达方向之外的角度区间进行积分来重构干扰加噪声协方差矩阵,最后利用重构的协方差矩阵设计自适应波束形成器权系数。该波束形成器设计问题被表述成凸优化问题求解。仿真结果表明,在整个输入信噪比范围内,该算法几乎都能获得接近理想值的输出信干噪比。     

基于干扰协方差矩阵重构的恒定束宽鲁棒自适应波束形成

针对宽带波束形成中的恒定束宽波束响应优化设计问题与鲁棒性问题展开研究。首先,提出一种基于相位补偿的恒定束宽全局优化设计方法,通过对阵列流形向量进行相位补偿来设计恒定束宽波束,与现有的一些方法相比,该方法不仅能获得全局最优解,而且物理实现简单。同时,还提出一种基于协方差矩阵重构的鲁棒自适应宽带波束形成算法。该算法采用Capon估计器估计样本数据的空间一频率谱密度函数,然后对期望信号波达方向之外的角度区间进行积分来重构干扰加噪声协方差矩阵,最后利用重构的协方差矩阵设计自适应波束形成器权系数。该波束形成器设计问题被表述成凸优化问题求解。仿真结果表明,在整个输入信噪比范围内,该算法几乎都能获得接近理想值的输出信干噪比。      

Legendre函数加权的声纳宽频带恒定束宽波束特性分析*

为了处理水声信号,声纳阵列通常需要形成宽频带恒定束宽的波束。采用两种阵元加权方法分析二维圆弧形恒定束宽换能器声纳阵列:球面Legendre函数加权方法和柱面Legendre函数加权方法。分别对球面阵、柱面阵和平面阵这三种几何结构的声纳阵列进行分析,并且计算波束宽度和波束方向。结果表明,在宽频带范围内,除了柱面Legendre函数加权的球面阵之外,其余Legendre函数加权的声纳阵列均能利用简单的、不随频率变化的阵元权重和阵元延时,形成恒定束宽的波束,并且具有较小的旁瓣,此外波束方向与预设方向也较为一致。相对于其他恒定束宽波束形成方法,Legendre函数加权方法能利用较低的计算复杂度来实现良好的宽频带恒定束宽的波束特性。     

任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成新方法

提出了一种任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成的新方法．该方法把任意结构阵列的响应向量表示成以Ｂｅｓｓｅｌ函数为核函数的级数之和,并将高阶项截断,然后把频带内各个频率点上的阵列响应向量转化到参考频率上,从而得到恒定束宽波束形成向量,使得各个频率上的波束和参考波束相同．同时,本文还给出了一种基于自适应处理的参考波束优化方法．结合均匀分布离散国阵所作的计算机仿真验证了本文所提方法的有效性．     

稳健宽带波束形成器设计的低阶统计量法*

由于传声器阵列通常对阵元失配误差较为敏感,因此稳健波束形成器的设计已成为传声器阵列处理领域的研究热点之一。概率密度法是目前传声器阵列稳健波束形成器设计中的一类重要方法,但该方法所需的阵元失配误差的概率密度信息在实际中较难获取。针对这一问题,本文研究了基于阵元失配误差低阶统计量的稳健波束形成器设计方法,该方法仅利用在实际中较易获取的阵元失配误差的一阶和二阶统计量信息。本文分别研究了基于阵元失配误差低阶统计量的固定权和变加权最小二乘波束形成器设计,给出了两种波束形成器的相关设计理论。理论和仿真分析表明,在小误差条件下,低阶统计量法所设计的波束形成器仍保持与概率密度法相当的性能。     

sinc函数加权圆弧形恒定束宽阵列*

加权函数对于圆弧形恒定束宽阵列的性能至关重要,因此分析了圆弧形恒定束宽阵列的加权函数的特性,并提出了sinc函数加权方法。分别对窄覆盖sinc函数加权阵列和宽覆盖sinc函数加权阵列的波束特性进行数值分析,验证其恒定束宽的波束特性。结果表明,sinc函数加权阵列在工作频率范围内产生近似不随频率变化的波束。此外,还与多种已有的圆弧形恒定束宽阵列进行对比分析,包括Legendre函数加权阵列、余弦函数加权阵列、Chebyshev多项式加权阵列等。结果表明,相较于已有的阵列,sinc函数加权阵列具有更低的低频截止频率,因而对应更大的工作频率范围。     

波束空间能量约束的稳健自适应波束形成

为改善波束形成器在一定失配条件下的工作性能,提出了一种稳健自适应波束形成方法。该方法通过设计信号在波束空间能量分布的约束条件,利用阵列数据协方差矩阵,结合迭代二阶锥规化方法,实现信号驾驶向量的估计,最后利用该估计得到最小方差无失真响应波束形成器。该方法在较恶劣的失配条件下也可以自适应地准确估计信号驾驶向量并保证其成分无失真地通过,使系统的稳健性得到改善。数据仿真结果表明,该方法在理想条件下与成熟的对角加载法性能相当,在失配条件下则优于后者。      

基于自适应加权约束最小二乘法的麦克风阵列稳健频率不变波束形成算法

为了解决麦克风阵列通道失配时波束形成算法的稳健性问题, 提出一种基于自适应加权约束最小二乘法的麦克风阵列稳健频率不变波束形成算法. 该算法在分析无通道失配和通道失配时阵列模型特点基础上, 深入研究了通道失配时约束最小二乘频率不变波束形成算法存在的问题及其产生的原因; 将麦克风特性的概率密度函数作为稳健因子加入到约束最小二乘频率不变波束形成算法后, 其频率不变性的稳健性得到了一定的提高, 但稳健性仍较差. 为了进一步提高约束最小二乘法频率不变波束形成算法的稳键性, 通过定义代价函数中控制频率不变性的动态加权系数来调节旁瓣频谱能量, 大大提高了频率不变波束形成算法的稳键性, 将频率不变的频带范围内同一到达角度上不同频率所形成的阵列响应的最大值与最小值之比定义为波动误差, 并作为比较本文算法与约束最小二乘稳健波束形成算法和minmax稳健波束形成算法在通道失配时频率不变性稳键性的评价指标. 算法实例验证结果表明, 在麦克风阵列通道失配时, 本文算法的波动误差最小、频率不变波束形成稳健性最好, 而且适用于任意结构的阵列.     

A calibration method of lens distortion for line scan cameras

We present a practical method to calibrate the lens distortion in line scan cameras. The distortion correction software based on this method has been designed and implemented in the digital protection of cultural relics. In this paper, a lens distortion model which applies to line scan cameras is derived from the widely used array camera distortion model. Then, a new calibration method which utilizes the imaging characteristic of equidistant collinear feature points is proposed to calibrate the model. Experiment results show the proposed calibration method is stable and effective.     

使用同心多环阵提升声源定位鲁棒性*

房间混响带来的多径失真是影响声源波达方向估计精度的主要因素之一。应用于环形阵列的相干信号子空间方法可以降低相干反射声带来的不利影响。该方法对环形阵进行谐波展开,并利用环谐波域导向矢量的频率无关特性聚焦各频率下的空间相关矩阵。但单环阵列存在展开系数零点,这会导致严重的噪声放大而降低定位的鲁棒性。该文提出了一种环谐波域的最小模同心多环阵,来缓解系数零点处的噪声放大问题。设计了一套麦克风阵列系统,用于评估同心多环阵列定位的鲁棒性。仿真和实验结果均表明:与相同孔径和阵元数的单环阵相比,使用最小模准则设计的同心多环阵列可以显著提升混响场景下的声源定位的稳健性。     

Analysis and calibration of system errors in steerable parametric loudspeakers

By adjusting a set of delay amounts and amplitudes of the ultrasonic transducer (primary source) array in parametric loudspeakers, the directional sound beam can be steered within a range of predefined angles. This beamsteering characteristic of parametric loudspeakers has been proposed in theory and validated by measurements. In particular, the locations of the mainlobe and grating lobes can be predicted within a certain degree of accuracy in theory. However, errors incur in different stages of implementation. Thus, mismatches are observed between theoretical and measured beampatterns. In this paper, four types of system errors are analyzed for the primary-frequency waves and the difference-frequency waves based on the phased array theory and the product directivity principle, respectively. The degraded beampatterns which are caused by system errors are analyzed and calibrated by using a combined optimization approach of Monte Carlo method and nonlinear least squares method. Experimental results are presented to show the advantage of the proposed calibration method that leads to significant reduction of mismatch between theoretical and measured beampatterns at both the primary frequency and the difference frequency.     

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。     

双侧回波联合的合成孔径声呐运动补偿算法

利用单侧回波可估计合成孔径声呐基阵的斜距误差,但无法区分横荡误差和升沉误差。针对此问题,提出了一种双侧回波联合的运动补偿方法。该方法首先根据双侧基阵运动误差的几何关系,建立了双侧基阵的运动误差模型,再结合偏移相位中心算法估计基阵的横荡误差和升沉误差,最后利用所估计的运动误差对不同掠射角上的回波进行运动补偿。仿真结果表明:该方法能精确估计双侧基阵的运动误差,其估计值与实际值的偏差为10-4 m左右,估计结果的标准差接近克拉美罗下界;对回波进行运动补偿后,能获得比基于单侧回波运动补偿方法更好的成像效果。水下球串目标的湖试数据的成像结果显示,与基于单侧回波的运动补偿方法相比,所提方法能更好地抑制图像的散焦现象。      

Analysis of internal wave reflection within a magnetostrictive patch transducer for high-frequency guided torsional waves

Recently, megahertz-range torsional waves have been successfully generated and measured by a magnetostrictive patch transducer employing a meander coil. But the waveform of a high-frequency torsional wave generated by magnetostrictive patch transducers becomes greatly distorted with multiple trailing pulses. The hypothesis explaining the cause of the waveform distortion is that the distortion results mainly from the internal wave reflection within the magnetostrictive patch, which is in turn caused by the impedance mismatch between the bare and patch-bonded parts of the pipe. Based on the hypothesis, we developed an analytic model for internal reflection simulation and conducted several experiments using a patch transducer to verify the hypothesis. The comparison of the analytical and experimental results showed that the internal reflection at the edge of the patch was responsible for the distortion of the measured waveform. The present study also confirmed that the standard acoustic impedance matching to avoid sudden discontinuities at the patch edges can effectively reduce the internal reflection and alleviate the waveform distortion problem.     

Shallow water narrowband coherence measurements in the Florida Strait

A set of measures of coherence are defined and applied to the CALOPS experiment, conducted off the coast of Florida in the summer of 2007. A set of narrowband CW tones were transmitted from a towed source received on a 118-element bottom mounted horizontal line array (206 m aperture) with broadside oriented along the 250 m isobath. Two coherence measures are based upon the eigenvalue spread: the power factor and the eigenvalue ratio. This approach is not sensitive to array element error or model mismatch. Two measures are based upon phase residuals; these include the rms-phase error and the coherence function. Three measures are based upon power responses: beam width, array signal gain degradation, and array gain. These approaches have varying sensitivity to array location errors, model mismatch, signal-to-noise ratio, and the structure of the noise field. A Gaussian noise model is used to infer a coherence length from most of the coherence measures. The primary result is that coherence lengths increase with frequency and are on the order of 200 m, the length of the array. The frequency increased coherence length with frequency goes against conventional wisdom, which is to define the coherence length as a fixed number of wavelengths.