柱体表面圆环阵稳健高增益波束形成的模态域直接优化方法研究

以无限长刚性柱体表面圆环阵为研究对象,提出了一种直接模态域稳健高增益波束形成方法,并将其应用到更实际的有限长刚性柱体表面圆环阵。该方法运用相位模态理论将波束响应表示成特征波束与模态系数的乘积后求和的形式,并结合散射理论求解了其模态域的噪声互谱矩阵。与已有的模态域稳健高增益方法需利用阵元域权值间接求取近似模态权系数不同的是,该方法利用二阶锥规划,在满足相关约束条件下直接给出了最优的模态权系数。仿真结果表明,直接模态域方法不仅能通过白噪声增益约束提高稳健性,在低频段还能通过改变模态阶数更灵活地在阵增益和稳健性之间折中,同时对旁瓣级等其它性能指标也能很好地控制,可用以有效设计实用的稳健高增益波束形成器。      

一种低复杂度的稳健自适应波束形成

稳健自适应波束形成可以解决经典自适应波束形成在非理想条件下(如存在方位失配、阵元位置误差、非平面波传播等)性能下降的问题,因而受到广泛关注,但目前多数稳健自适应波束形成方法计算复杂度高,在高信噪比时性能下降。为此,研究提出了一种分别重构干扰协方差矩阵和噪声协方差矩阵的低复杂度的稳健自适应波束形成方法,以减小计算量,提高稳健性。仿真实验表明,该算法能获得近似最优的输出信干噪比和更好的稳健性。     

同心圆环阵列模态波束形成器设计

针对贝塞尔函数零点造成的模态波束形成器性能损失的问题,提出了基于均匀同心圆环阵列的模态波束形成器设计方法。从阵元域出发,建立了阵元域和圆谐波域之间的转换关系,推导了圆谐波域阵列信号处理表达式,其中重点推导了延时求和、最小方差无失真响应和多约束波束形成器的设计方法。理论证明了在平面各向同性噪声场中的基于同心环阵的圆谐波域最小方差无失真响应波束形成器等价于相位模式波束形成器。在该结论的基础上,综合考虑相位模式波束形成器在一定频率范围内的稳健性和指向性,提出了一种同心圆环阵列的内环半径优化方法。使用16元双环阵列对本文提出的波束形成算法进行仿真和实验,结果表明:同心圆环阵列能够较好地解决贝塞尔函数零点问题;其中多约束波束形成器能够在多个关联的性能指标之间取得合理的折衷,实现优于相位模式和延时求和波束形成器的声源定位性能。对内环半径优化方法进行仿真和分析结果表明,该方法得到了相较于传统方法更优的阵列结构。      

高增益对角减载波束形成方法研究

实际的海洋噪声包括不相关噪声成分和相关噪声成分,针对不相关噪声仅仅影响接收数据协方差矩阵对角元素的这一现象,提出一种基于对角减载技术的高增益最小方差无畸变响应法(minimum variance distortionless response,MVDR).在稳健性足够的前提下,首先,按照一定准则选取约束量,利用加权向量范数约束法保证方法的稳健性。然后,利用牛顿迭代法计算得到对角减载系数。最后,将减去对角减载系数的协方差矩阵应用到MVDR波束形成方法中。仿真和海试数据处理结果表明,对角减载MVDR波束形成方法在保证稳健性的同时,提高了阵增益和多目标分辨能力。通过调整减载系数,能够在稳健性与阵增益之间进行折中。      

水下低噪声目标辐射噪声垂直嵌套阵测量方法

研究了一种水下低噪声目标辐射噪声垂直嵌套阵测量方法。首先通过分析试验水域背景噪声和被测目标辐射噪声特性,掌握不同测量频段的增益需求;然后采用凸优化方法,建立波导环境中超宽带、高稳健恒定束宽波束形成技术,推导水下目标辐射噪声垂直嵌套阵测量及空间阵列信息处理方法;最后研制垂直嵌套阵测量系统,并开展湖上试验验证。研究结果表明该测量方法具有测量带宽大、稳健性高、测量不确定度低等优点,辐射噪声测量不确定度约2 dB。     

任意几何形状和阵元指向性的传感器阵列优化波束形成方法

针对常规波束运用到实际传感器阵列时旁瓣较高这一缺点,提出了适用于任意几何形状和阵元指向性的传感器阵列的两种旁瓣约束优化波束形成方法。一种是主瓣宽度约束条件下的最低旁瓣波束形成,另一种是在所能允许的最高旁瓣约束条件下的高增益波束形成。通过对加权向量范数进行约束,提高波束形成的稳健性。这两种优化波束形成问题都可以写成二阶锥(Second-OrderCone)约束优化的形式,然后利用已有的内点方法(Interior-PointMethods)求出其数值解。计算机仿真和湖上实验数据处理结果表明,该低旁瓣波束形成方法相比于常规波束和其它基于自适应波束形成的旁瓣控制方法,在同等主瓣宽度的情况下可以获得更低的旁瓣级;该高增益波束形成方法在同等旁瓣级约束条件下可以获得更高的阵增益,而且旁瓣级能够满足设定要求。     

圆柱阵子阵分级处理的稳健超指向性波束形成方法

提出了圆柱阵子阵分级处理的稳健超指向性波束形成方法。首先建立了圆柱阵分两级子阵进行波束形成的信号模型,接着利用空间均匀噪声场中噪声互谱矩阵的循环特性得到基于特征波束分解与综合模型的圆柱阵超指向性的最优解,然后仿真研究了其误差敏感度函数、阵增益和波束图等性能指标,并与圆柱阵的传统全局处理方法进行了对比。提出的分两级子阵处理的超指向性方法与传统全局处理方法相比不仅降低了数据存储量和波束形成计算量,而且进一步提升了稳健性,并且在低频段的阵增益远远高于常规波束形成的值,对水下声呐阵列的设计具有一定的参考价值。      

从阵元域到模态域阵列信号处理

阐述了模态域阵列信号处理技术.以球面阵为例,从阵元域信号处理基础出发,推导了对应的模态域阵列信号处理表达式,其中重点推导了模态域波束形成器与时域宽带波束形成器设计及其实现方法,设计实例验证了方法的有效性.结果表明模态域处理与经典的阵元域处理具有相似的形式,因此可以将比较成熟的阵元域算法推广到模态域.相比于阵元域处理,模...     

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。     

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。      

On direct optimization in mode space for robust supergain beamforming of circular array mounted on a cylinder

A direct robust supergain method in mode space for the circular array mounted on an infinite rigid cylinder was proposed,and then it was also applied to the circular array mounted on a finite rigid cylinder which is more practical.According to the concept of phase modes,the beam pattern is expanded into a series of eigen-beams multiplying by modal coefficients. The modal noise cross spectral matrix is calculated from sound scattering theory.In the original modal robust supergain method,the coefficient vector in mode space is transformed indirectly from the weighting vector in sensor space.The method presented here gives the most suitable modal coefficient vector directly under the related constraint conditions based on the second-order cone programming.The results of simulation show that the direct modal robust supergain method can not only improve robustness using the white noise gain constraint, but also change the mode orders to provide compromise between array gain and robustness in low frequencies.Beam performance measures such as sidelobe level can be optimized as well as array gain,so this method can give more effective schemes for designing practical robust supergain beamformers.     

Robust supergain beamforming for circular array via second-order cone programming

The phenomenon of supergain for a circular array and its robust beamforming are presented. The coplanar superdirective array gain of the circular array, although it is not so extreme as an endfire line array, outperforms a lot over that of a conventional delay-and-sum beamformer in isotropic noise fields when the inter-element spacings are much smaller than one-half wavelength. However, optimum beamforming algorithms can be extremely sensitive to slight errors in array characteristics. The performance are known to degrade significantly if some of underlying assumptions on the sensor array is violated. Therefore, white noise gain constraint is used to improve the robustness of the supergain beamformer against random errors. We show that the design of the weight vector of robust supergain beamformer can be reformulated as a form of second-order cone programming and resolved efficiently via the well-established interior point method. Results of computer simulation for a 24-element circular array confirm satisfactory performance of the approach proposed in this paper.     

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。      

基于超指向性多极子矢量阵的水下低频声源方位估计方法研究

针对水下低频声源的方位估计问题,基于基元紧密排列的二维矢量阵,建立了一种超指向性波束形成方法.根据矢量基元差分运算构建各阶多极子模型,获得了几乎与频率无关的模态函数,并经加权计算可在低频条件下实现超指向性波束,以解决阵列孔径对波束性能的限制.同时,结合输出信噪比最大准则所得波束,分析了超指向性波束形成算法的稳定性与波导的影响程度,探索模态阶数与阵列参数的选取原则.通过阵列性能的仿真计算与实际阵列的测量数据表明,该算法可在小尺寸阵列孔径下获得良好的阵列波束,兼具了水下线型超指向性阵和环形超指向性阵的优点,可有效实现水下低频声源的水平方位估计;且波束性能可通过调节模态阶数与基元间距以达到最佳,并受水下声波导多途与频散效应影响有限.     

Array gain for a conformal acoustic vector sensor array:An experimental study

An acoustic vector sensor can measure the components of particle velocity and the acoustic pressure at the same point simultaneously, which provides a larger array gain against the ambient noise and a higher angular resolution than the omnidirectional pressure sensor. This paper presents an experimental study of array gain for a conformal acoustic vector sensor array in a practical environment. First, the manifold vector is calculated using the real measured data so that the effects of array mismatches can be minimized. Second, an optimal beamformer with a specific spatial response on the basis of the stable directivity of the ambient noise is designed, which can effectively suppress the ambient noise.Experimental results show that this beamformer for the conformal acoustic vector sensor array provides good signal-tonoise ratio enhancement and is more advantageous than the delay-and-sum and minimum variance distortionless response beamformers.     

基于矢量阵的运动声源柱面聚焦定位方法试验研究

本文基于被动合成孔径原理, 在建立运动声源矢量阵近场柱面聚焦测量模型的基础上, 分别研究了适用于单频线谱信号和宽带连续谱信号的矢量阵柱面聚焦定位方法, 通过数值仿真计算了该方法在多种误差条件下的定位精度, 并进一步通过舱段模型试验对该方法的工程实用性和正确性进行了详细的分析和论证. 舱段模型试验结果表明, 柱面聚焦定位结果与壳体振动能量分布规律符合较好, 该方法不仅能真实反映声源位置信息, 而且能反映不同频带内声源能量分布的相对大小, 具有良好的定位效果.     

基于压缩感知的矢量阵聚焦定位方法

本文针对噪声源近场定位识别问题,利用声源分布在空间域具有稀疏性,在压缩感知理论框架下建立了新体系下的矢量阵聚焦波束形成方法,用于解决同频相干声源的定位识别问题.新方法可在小快拍下准确获得噪声源的空间位置,且不损失对噪声源贡献相对大小的评价能力.通过详细的理论推导、仿真分析和试验验证,证明了基于压缩感知的矢量阵聚焦定位新方法本质上实现了l1范数正则化求解下的波形恢复和空间谱估计,因此具有较高的定位精度,较强的相干声源分辨能力、准确的声源贡献相对大小评价能力以及较高的背景压制能力,可应用于水下复杂噪声源的定位识别.     

小型矢量阵深海被动定位方法

文中提出一种适用于深海条件下并已知各项有关环境参数时,利用七元小型矢量立体阵,借助测定目标辐射噪声由不同途径自声源到达接收点的天顶角及方位角的结果,依据射线声学方法求得目标方位、距离和所在深度的被动定位方法。给出了矢量阵依多极子原理进行波束形成的计算公式,并就一种简单水文模型,给出解析计算公式。