宽带低旁瓣时域波束形成

针对有源和无源声呐中的宽带波束形成,提出了一种低旁瓣时域实现方法。声阵列各个阵元的输出首先经过数字延迟线实现数倍采样间隔的时延补偿,然后由FIR数字滤波器来补偿剩余的时延,并实现低旁瓣波束所需的频率加权,最后再把滤波器输出相加得到时域波束输出。FIR数字滤波器的设计采用改进的自适应方法,其期望响应由工作频带划分成的等间隔窄子带上的低旁瓣波束形成权系数构成。各个子带上的低旁瓣波束则采用基于MVDR波束形成原理的波束优化设计方法得到。针对圆弧阵的计算机仿真设计结果和湖上实验验证了本文方法的正确性和有效性。     

二维解卷积波束形成水下高分辨三维声成像

针对水下三维成像的空间分辨率难以提高,且具有较高旁瓣级的问题,提出了一种二维解卷积波束形成高分辨三维声成像算法,该算法首先完成任意距离切片的平面阵波束形成,近场情况下采用菲涅尔近似实现近场平面阵波束形成,然后通过二维解卷积技术对任意距离切片的二维波束形成结果进行解卷积处理,去除阵列指向性函数的影响,改善波束响应非理想冲击函数所造成波束形成主瓣宽及旁瓣级高的问题。通过计算机仿真分析,新算法可以有效的提高水下三维成像的空间分辨率,抑制旁瓣级,并能够在较宽频带和不同阵列孔径内保持与常规波束形成相当的稳定性。通过试验研究,新方法比常规波束形成实际目标成像分辨率提高一倍,最高旁瓣级下降20 dB,验证了该算法在实际系统中的有效性.      

频域宽带下视多波束三维声成像算法

为解决下视多波束三维成像声呐跨航向分辨率差、旁瓣级高的问题,提出一种频域宽带下视多波束三维声成像算法。该算法将阵元域回波信号通过二维傅里叶变换直接变换到波数-频率域,之后进行深度向匹配滤波,同时选取带宽内的频点进行频域宽带信号的相位补偿,再进行二维逆傅里叶变换回阵元域,实现跨航向-深度向成像处理。沿航向采用时域合成孔径方法,得到三维图像结果.计算机仿真和海上实验结果表明,相比于常规的下视多波束三维成像声呐处理算法,改进的方法跨航向主瓣变窄,角分辨率明显提高,旁瓣降低10~30 dB。相比于传统基于分块DFT的频域宽带波束形成,改进的频域宽带方法避免了跨航向处理中的时域分块插值和多次变换域,复数加法和乘法次数显著降低。改进的频域宽带下视多波束三维声成像算法可以有效地获取水下三维高分辨图像,抑制虚影,明显改善成像质量。同时,计算效率高,更适合于实时成像系统实现。      

水平阵信号压缩感知用于简正波分离

针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20~200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97~1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82~0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。      

基于宽带分裂阵列的水下远程被动多目标检测与定向

为获取更高的水下远程多目标检测和定向性能,基于工程中广泛应用的最小方差无畸变响应(MVDR)波束形成算法,设计了大间隔分裂线列阵,通过扩大阵列有效孔径改善了空间谱峰锐度。同时提出非相干宽带预处理方法,利用MVDR在多频子带下波束宽度和间隔的非一致性来抵消由于稀布阵元造成的栅瓣效应。最终实现大间隔分裂阵和宽带非相干波束形成的互补。仿真和湖上试验结果表明,与采用宽带MVDR的均匀线列阵和采用互相关法的大间隔分裂阵相比较,所提方法能显著提高对水下远程目标的检测和分辨性能。      

大孔径声全息密集阵列的阵元数量去冗余方法

大孔径密集声全息阵列是实现对非平稳噪声成像的有效手段,通过现场快速成像可以掌握声场分布的动态特征。增加声阵列的孔径和阵元密度是提高近场声全息成像性能的主要措施,但随着声阵列阵元数量的增加,声压采集数据量增大,全息运算速度降低,全息成像动态性能下降,不利于现场即时成像分析。研究表明,在一定信噪比条件下,盲目增加阵元数量并不一定能提高近场声全息性能,为此,本文针对密集声全息阵列的阵元数量冗余问题进行研究,提出最优阵元数量估算方法,并采取去冗余处理。本文仿真和实验验证表明:针对一定信噪比条件下的密集阵列去冗余方法实际有效,可以在不降低近场声全息成像性能的前提下,降低运算量,提高全息成像速度,对于非平稳噪声的现场声全息成像测试具有实用意义。     

线性约束自适应逆波束形成研究

逆波束形成较常规波束形成有较好的方位分辨力,但其旁瓣较高,为抑制旁瓣并进一步提高阵增益和方位分辨力,本文提出一种自适应逆波束形成方法,通过设计自适应滤波器对虚拟阵列进行加权,提高阵增益和方位分辨力。理论分析表明自适应逆波束形成能够抑制旁瓣和噪声,阵增益较常规波束形成和逆波束形成提高约3 d B,数值仿真结果表明,自适应逆波束形成的旁瓣降低,阵增益和方位分辨力提高,实验数据处理结果表明自适应逆波束形成具有良好的方位分辨能力和目标检测能力,从而验证了其抑制旁瓣、提高方位分辨力和阵增益的有效性。     

曲折阵综合孔径声全息成像

为使声全息成像系统有一个较好的分辨率、场视野和足够的信噪比,同时使系统造价降低,简化工艺,本文提出并分析了一种新的综合孔径成像制式——曲折发射阵综合孔径。它在保持Wells十字交叉线阵综合孔径成像制式扫描速度快、电路造价低等优点的基础上解决了其存在的发射功率与场视野相互制约的缺点。采用此制式工作的成像系统的点扩散函数分布形式已在文中给出。结果表明,适当地控制该系统的参数,可使其主瓣分布与相应的方形孔径的成像系统的点扩散函数的分布基本一样,而沿线接收阵方向的旁瓣得到降低。用计算机模拟了一个64阵元的接收阵和64阵元的曲折发射阵组成的成像系统的成像过程,结果与理论分析一致。     

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。     

浅海非均匀水平阵宽带声场信号无源孔径扩展

大孔径水平阵对于浅海低频水声物理实验研究和应用至关重要,然而受实际情况制约,通常使用的水平基阵孔径十分有限,通过孔径扩展处理来扩展基阵孔径是一条重要途径。传统的无源孔径扩展方法是建立在均匀线阵、匀速相对运动和相干窄带连续信号的基础上的,难以适用于非均匀阵以及非连续宽带声源的情况。针对这些问题,提出了非均匀阵宽带声场信号的无源孔径扩展方法。使用静止布设在海底的非均匀水平短阵接收运动声源重复发射的宽带声信号,先开展均匀空间插值,然后在阵元域和波束域进行宽带扩展孔径处理。仿真和实验结果表明,在水深约70 m的浅海波导环境中,纵向间隔27.5 m的2个阵元接收20~200 Hz宽带声场,其空间插值结果与真值的相关系数大于0.99,说明宽带声场插值方法的合理性。在水平非均匀、纵向孔径250 m的短阵接收声场无法分析简正波频散特征的情况下,仿真和实验数据经过宽带无源孔径扩展处理得到孔径大于1 km的均匀线阵的声场,能高分辨区分各阶简正波,证明所提方法是有效的。      

A transformation based method to design ultrasound array

In medical ultrasound imaging, the desired lateral field distribution at each focal distance can be obtained by optimal apodization. On the other hand, the lateral field is a function of focal distance. Hence, finding the optimal apodization is a very arduous process. To overcome this, we have introduced a suboptimal method by which optimal apodization can be calculated in any distance through a nonlinear transformation by the knowledge of the optimal one at a distance. This transformation is established on a fact that the lateral field distribution at focal distance can be expressed as the Fourier transform of a nonlinear function of the aperture weighting, instead of direct expression as the Fourier transform of the above. We have applied this method to map the apodization which obtains the desired beam pattern into the apodization which maintains the same properties on the lateral field distribution. For example, applying this method on a 50-elements λ/2 spaced linear array with length D has resulted in apodization that is optimal at distances D or D/2 by precision better than 9%. This method is useful especially in optimization problems, having no explicit constraint on the main lobe width, such as minimizing the sidelobe levels or minimizing main lobe width constrained to a predetermined value of sidelobe level. However, as the results show, this technique provides acceptable results in other cases.     

可模式识别的水声成像方法

提出一种在自由环境中可以进行模式识别的水声成像方法。利用角域滤波将空间不同入射方向的平面波在阵元域中进行分离,在成像扇面内按要求设计一系列角域带通滤波器,这些滤波器的输出就是从角通带内入射的平面波在阵元域中的快拍数据,可以实现要求输入为阵元域特性数据的目标识别和底质分类等专用的模式识别算法,角域滤波器输出的平面波快拍数据的幅度作为像素值进行水声成像。采用角域滤波的方法可以进行水声成像得到所需要的声图,并且每个像素对应着相应点目标远场平面波入射到接收阵时所产生的快拍数据。仿真和实验数据处理结果表明,采用角域滤波和利用常规波束形成所得到的声图是一样的,并且两种成像方法具有相同的稳健性。      

A novel approach to the aperture windowing in medical imaging

A new technique is proposed to improve the lateral resolution in the conventional B-mode imaging systems, which enables a simple array aperture windowing in the transmitting mode. Amplitude shaping is performed without modifying the transmitting voltage of the array elements, but only varying the excitation pulse length from one element to another. This method presents some attractive practical advantages, and the reduction of the sidelobe energy is comparable to that attainable with a conventional aperture windowing. Parametric plots are given, which transform an amplitude apodization into a 'time apodization' for any type of transducer array.     

Optimization of point spread function in ultrasound arrays

The design of aperture weightings in ultrasound arrays is a multi-objective optimization problem, involving parameters such as delays, aperture size, focal depth, operating frequency and beam properties. Besides, apodization causes the SNR in array output to be decreased. We introduce an analytic expression of the lateral point spread function and a model for SNR as nonlinear functions of weights, based on which, a new aperture design method is established, resulting in an optimal set of weights. These weights provide a point spread function having the predetermined peak sidelobe level, while the SNR in array output is optimized. Optimization results from a linear array with M=128 elements equally spaced at one wavelength, center frequency f0=3.5 MHz and 50% relative bandwidth, have shown that decreasing the peak sidelobe level, decreases the SNR. Therefore, an array designer can select a proper set of weights according to its application, using a SNR curve versus to the peak sidelobe level. In addition, the method can maintain the same beam properties over a long range with low variations in the SNR. Simulation results have shown only 1 dB variations in the SNR for depths from 20 mm to 120 mm, which is a longer range and better SNR performance than the conventional methods.     

利用宽带声场频率-掠射角干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法

针对典型深海环境中宽带声源的深度分辨问题,通过研究深海声场随频率起伏的干涉结构与垂直线阵频域波束输出图中的干涉结构,给出一种直达声区内可区分多水下目标的宽带声源深度估计方法。该方法以近水面目标的射线声场模型为基础,推导出近海面宽带声源接收声场的波束输出表达式,阐明了频域波束输出图中干涉结构与声源深度的对应关系。然后利用改进的傅里叶变换方法将二维频域波束输出图映射到声源深度-掠射角度域,可实现声源深度信息的有效分离。最后开展了深海实验验证,利用垂直阵接收拖曳声源发射的宽带白噪声信号,拖曳声源深度计算结果与实测声源深度基本一致。数值仿真与实验结果均表明该方法可以在多目标复杂环境下准确估计出水下宽带声源的深度。      

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.     

Optimization of transmitting beam patterns of a conformal transducer array

A method is presented to calculate the driving-voltage weighting vector of a conformal array of underwater acoustic transmitting transducers to obtain a low-sidelobe beam pattern based on the measured receiving array manifold. The relationship among three quantities is given, which are, respectively, the radiated acoustic field, the measured receiving array manifold matrix and the driving-voltage weighting vector of the transducer array. Then, the driving-voltage weighting vector of the array is calculated using the optimization method to obtain a low-sidelobe transmitting beam pattern. At the frequency of 12.5 kHz, the receiving array manifold matrix of a 27-element conformal array is measured in an anechoic water tank. The driving-voltage weighting vector of the array is calculated using the proposed method. In addition, the computer simulation and experiments are carried out. The results agree well and show that the proposed method can obtain a low-sidelobe transmitting beam pattern and at the same time provide the largest amplitude of pressure in the axial direction when the maximum amplitude of the driving voltages of the array elements keeps unchanged.     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法

为提高差分Pattern时延差编码水声通信方法的通信速率以及抗多途能力,使其能有效适用于冰下水声环境,提出了基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法,推导了Pattern码的参量发射原理,分析了参量阵发射对该方法性能的影响,利用参量阵发射产生低频宽带窄指向性声柬,减少了声线触碰上下边界的次数,提高了系统抗多途的能力。冰下水域外场试验结果表明:本方法可有效抑制多途效应,同时低频宽带特性提高了系统通信速率。