基于任意阵的最小方差无失真响应聚焦波束形成的被动定位方法

将最小方差无失真响应(MVDR)聚焦波束形成近场被动定位方法应用到平面任意结构阵列上,可以很好地解决线列阵由于阵长较长,在实际使用中存在布放困难、部分阵元失效影响定位性能等问题。本文首先分析了平面任意结构阵列的近场接收信号模型,推导出阵列流型,然后将MVDR聚焦波束形成技术应用到该模型中,得到了基于任意阵的MVDR聚焦波束形成近场被动定位方法。仿真验证了该方法的可行性和有效性。     

不确实环境下目标检测与定位的宽容性最小方差时反波束形成

揭示了时间反转技术的本质,指出时反不仅是一个物理过程,更是一种信号处理方法,进而提出"时反波束形成"的概念.针对时反空时聚焦特性受到环境不确实性限制的问题,研究了用模型探查源(MS)代替实探查源(PS)的发射时反波束形成实现发射聚焦,以及用对角线加载的宽容性MVDR接收时反波束形成实现接收聚焦,并最后用于目标检测.水池实验的结果表明了该发射聚焦和接收聚焦在不确实环境下用于目标检测及其距离估计的有效性.     

有限采样下低频声源聚焦波束形成的定位研究

依赖于基阵协方差矩阵的算法,要求有足够样本容量来实现稳健的性能。针对常规聚焦波束形成在低频段分辨能力不足以及有限的数据长度,本文研究了一种基于最小方差无失真响应(MVDR)的重叠分子阵算法。仿真实验表明,重叠分子阵MVDR算法在低快拍数、低信噪比情况下,稳健性优于全阵列MVDR算法。在海试数据中,利用一条孔径为109m的光纤水听器阵列,验证了该算法可以在低快拍数下对50m内低频段100～200Hz的目标实现分辨率为0.5m的近场定位。     

毫米波赋形聚焦双反射面天线设计

为实现一种具有近场聚焦、斜波束出射能力的偏馈口径天线,采用几何光学方法设计了一种赋形聚焦双反射面天线。基于光线传播的能量守恒定律、Snell定律及光径长度相等三个光学定律开展了天线主反射面赋形设计,副反射面的设计采用 Snell 定理作为约束条件。 通过理论公式和实验测试研究,实现了一种出射波束口径为 110 cm、波束出射方向与竖直方向成 20夹角的赋形聚焦偏馈双反射面天线。在中心频率 95 GHz 下,实测相位实现近场聚焦,出射波束与垂直方向成20夹角。     

航行船舶噪声源辐射部位定位实验研究

为了有效解决运动船舶目标噪声源辐射部位定位问题,通过采用短时积分,分频段能量融合、噪声源相对位置分析等方法克服目标运动的不利因素,提出采用高频段精确定位的常规聚焦波束形成声图法与中低频段精确定位的频域MVDR(MinimumVariance Distortionless Response)波束形成声图法相结合的定位方法。通过海试数据处理验证了该方法可以有效实现目标噪声源辐射部位近场高分辨定位。在进行大型船海试数据处理时,采用分频段、分时间段,并与船体结构布局相结合的方法,分别给出了主要的噪声源辐射部位(螺旋桨、推进电机+柴油发电机、泵舱)的位置,验证了该实验数据处理方法的实用性。     

采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法

为了减小常规波束形成所需的庞大计算量以实现快速成像,本文提出了一种新的波束形成算法——分级聚焦波束形成。将基阵划分成各级子阵分级进行处理,对较短的子阵进行远场近似处理,逐级合并子阵进行子阵间的近场聚焦波束形成,并逐级进行波束插值。MAT- LAB仿真计算结果表明,分级聚焦法与常规波束形成相比,计算量和数据存储量大幅下降。该方法尤其适用于多焦点近场聚焦的场合。     

近场反卷积聚焦波束形成声图测量

为了提高声图测量中对多个声源的分辨能力和定位精度,给出了一种近场二维反卷积聚焦波束形成声图测量方法。推导了水下声图测量的广义卷积模型,根据声图测量中点传播函数移变但可预测的特点,通过预存点传播函数字典的方式,将波束形成过程中的卷积问题转化成叠加积分问题,并应用二维Richardson-Lucy迭代算法实现了二维移变模型情况下的近场二维反卷积求解,从而实现高分辨声图测量。通过仿真和海试对比了反卷积、常规声图测量和MVDR声图测量的性能,结果表明反卷积算法在500次迭代情况下聚焦峰尺度小于另外两种算法的1/2,旁瓣级下降超过6 dB.      

快速收敛最小方差无畸变响应算法研究及应用

常规最小方差无畸变响应(MVDR)自适应波束形成是一种高分辨窄带波束形成器,它是利用实际声场的窄带互谱密度矩阵(CSDM)估计出自适应波束形成权向量.在实际应用中,MVDR算法需要较长的观测时间估计协方差矩阵,不利于对高速运动目标进行定位;对于宽带目标信号, MVDR算法需要对每一个CSDM进行求逆运算,计算量较大;在相干源条件下,目标信号之间会发生"对消"现象,MVDR算法性能急剧恶化.本文提出了基于子带子阵处理的快速收敛MVDR自适应波束形成方法.首先将全频带划分成一组子带,将接收线阵划分成一组子阵,然后对每一子带计算降维的驾驶协方差矩阵(STCM),从而得到快速收敛MVDR自适应波束形成的权值和空间谱估计结果.同时采用双向空间平滑方法对相干源进行MVDR空间谱估计.仿真和海试数据处理结果表明该算法在保证高分辨力的同时,具有瞬时收敛的性能,双向空间平滑技术具有良好的解相干性能.     

阵元随机均匀分布球面阵列联合噪声源定位方法

基于球面传声器阵列的噪声源定位方法,设计加工了阵元随机均匀分布64元球面传声器阵列,研究了球面近场声全息和球谐函数模态展开聚焦波束形成联合噪声源定位识别方法,对算法的性能进行了仿真分析,并利用球面传声器阵列进行了噪声源的定位识别试验.研究表明,阵元随机均匀分布球面阵列具有全空间稳定的目标定位性能,球面近场声全息对低频近距离声源具有较高的定位精度,球谐函数模态展开聚焦波束形成对高频远距离声源具有较高的定位精度,将两种方法联合进行声源的定位识别,可以在较小孔径的球面阵列和较少阵元的条件下,在宽频带范围内获得对目标声源良好的定位性能.     

聚焦条件下的高斯波束矩形口径天线近场分析

 采用口径场法对聚焦条件下具有高斯波束的矩形口径天线近场进行了分析,得到了聚焦条件下的近场场强分布与近场增益解析式,并对不同的聚焦位置进行了仿真。结果表明：在近场区,聚焦位置离轴向越近,其场强越强,且增益越大,聚焦位置沿轴向时其场强与增益皆为最大;反之,聚焦位置离轴向越远,其近场场强与近场增益越小。因此,通过聚焦可以显著提高天线口径面场的近场场强与增益指标,从而提高天线系统的有效作用距离。     

互谱域MVDR自适应时延估计方法研究

针对窄带信号,通过构造互谱时间序列,在互谱域建立了平稳时间序列时延估计的最小方差无畸变响应(MVDR)滤波器模型;利用分段近似处理,类比空间MVDR自适应算法,给出了其具体算法(Algorithm of MVDR in cross spectral domain,CSMVDR);进行了数值仿真实验研究和海上实验数据处理。数值仿真与实验数据处理结果初步验证了CSMVDR时延估计对于舰船辐射噪声的适用性,CSMVDR时延估计有比相关检测更好的时延估计性能,能够提高信噪比增益和时延估计精度。     

An improved TOA estimation algorithm based on denoised MVDR for B5G positioning

This paper proposes an improved minimum variance distortionless response (MVDR) based TOA estimation algorithm for 5G NR signals under multipath environments. The proposed algorithm achieves high resolution by exploiting a large number of subcarriers of 5G signals and reduces the dimension of the covariance matrix involved in MVDR substantially by utilizing a novel smoothing scheme. Since MVDR requires a relatively high signal-to-noise ratio (SNR), a denoising method is used to improve the TOA estimation performance. Simulation results show that the proposed algorithm achieves much higher resolution than the Bartlett beamformer (BF) and the TOA estimation accuracy remains high over a wide range of SNRs.     

A method for improving the performance of MVDR beamforming

I.IntroductionInbeamformingforsonaritisthemostinterestingfunctionthatonecanobtainthctimcwaveformoutputsofthedesiredsignaltobedetectcdwithanimprovcdSignal-to-NoiseplusInterferenceRatio(SNIR).ItiswellknownthatMVDRbeamforminghasoptimumcapabi1i-hesofsignalprotection,interferenccremovalandnoisercduction.NootherbeamformingtochniquecanyicldalargerincreascinSNIR.Itspoweroutputcanbeusedasawavenumberspectrum(bearing)estimation,whoseprecisionorreso1utionisdeterminedprimarilybySignal-to-NoiseRatio…     

声矢量圆阵宽带相干目标MVDR方位估计*

针对宽带相干目标的远程探测问题，本文提出一种基于声压振速联合处理和矢量重构的声矢量圆阵MVDR波束形成方法。该方法利用相位模态变换技术，将声矢量圆阵变换为与信号频率无关的虚拟线阵，并构建虚拟线阵声压与组合振速的互协方差矩阵，利用声压与振速各分量间的空间相关性有效地抑制各向同性环境噪声；并对宽带相干信号的互协方差矩阵进行矢量重构，即将最大特征值对应的特征向量划分为相互重叠的子向量，从而构建前/后向Hermitian矩阵；最后，基于MVDR波束形成器实现宽带相干目标的方位估计。仿真计算和实验数据处理结果表明，该方法具较强的解相干能力和噪声抑制能力以及较高的方位估计性能。     

Direction of arrival estimation and signal recovery based on single snapshot compressed sensing in frequency domain

Direction of arrival(DOA) estimation and signal recovery is the base of the underwater target localization,tracking and recognition.Based on the compressed sensing theory,a method for DOA estimation and source signal recovery is proposed using the single snapshot processing of the received array signal in frequency domain.The received array signal are transformed to frequency domain,and the single snapshot data in frequency domain are regarded as the measured data of the compressed sensing.According to the frequency,searching orientation and array manifold,the overcomplete array manifold is constructed as the sensing matrix of the compressed sensing.Both the target signal and power of the searching orientation are estimated by the basis pursuit method to complete DOA estimation and signal recovery.Simulation results show that the proposed method has a number of advantages over the minimum variance distortionless response(MVDR) method,including improved robustness to noise,fewer requirement in number of sensors and snapshots.And the correlation coefficient of the signal reaches up to 0.89.Experiment results in real environments verify that the proposed method performs more effectively in the detection of weak targets than the MVDR method and can be applied to real sonar system.     

Direction of arrival estimation for underwater acoustic target based on compressed sensing after blind reconstruction of array signal in frequency domain

The performance of direction of arrival(DOA) estimation based on compressed sensing(CS) decreases in the complex ocean marine environment.In order to tackle this problem,a method of DOA estimation for underwater acoustic target based on CS after blind reconstruction of array signal in frequency domain is proposed.Firstly,the received array data are transformed to frequency domain by Fourier transform and frequency domain wideband signal are divided into part overlapping multiple sub-band array signal.Secondly,each subband array signal are separated using plural blind source separation(BSS) method,the sub-band separated matrix and target signal can be estimated.Thirdly,the array signal in frequency domain are reconstructed according to the separated matrix and separated signals which were not noises.Fourthly,the sub-band spatial spectrum corresponding to the reconstructed array signal is obtained by CS beamforming method.Finally,the total spatial spectrum is achieved by summing the all sub-band spatial spectrum.And the target direction can be estimated by searching the peak value of the total spatial spectrum.The verification results of simulator data and sea measured data show that,under the same conditions,the target detection ability and direction precision of the proposed method is superior to the classical minimum variance distortionless response(MVDR) method,frequency domain CS method,BSS combined with MVDR method.The spatial spectrum energy of faint target signal is improved obviously,and the ability of the sonar to detect faint target is enhanced.     

期望最大化算法近场被动定位技术研究

本文介绍了一种对近场声源的距离和方位参数的确定性最大似然估计方法。直接的对近场声源参数的最大似然估计产生了复杂的多参数优化问题,我们在实际采样数据(非完全数据)和假设数据(完全数据)等方面重新构建这个问题,最后提出运用期望最大化迭代方法获得最大似然估计。期望最大化算法将观测数据分解,然后对于最优化问题,运用有效的计算措施单独估计每个信号成分的参数。这种算法的应用性和有效性通过一定的仿真得到了验证。     

用于自适应波束形成语音增强的球谐域掩蔽函数估计方法

提出一种用于球形阵列自适应波束形成的掩蔽函数估计方法。该方法利用包含空间信息的球谐系数提取低维空间向量,并采用复高斯混合模型和深度学习两种方案来估计掩蔽函数,最终利用估计的掩蔽函数设计最小方差无失真响应波束形成器,以达到空域滤波的效果。理论分析和仿真实验证明,对于相同时长的声信号,球谐域掩蔽函数估计方法的计算复杂度比传统阵元域估计方法低了一个数量级。并且在大部分声场环境中,尤其在低信噪比情况下,所提方法的语音质量感知评估测度得分、分段信噪比和短时客观可懂度明显高于阵元域方法,三者最高分别可提升1.31 dB,4.54 dB和35%。另外,实际声学环境的测量实验也验证了所提方法在不影响可懂度的条件下比传统阵元域方法具备更高的降噪量。