参量阵电控波束偏转方法研究与实验测试*

为了使参量阵获得更快的波束转动能力,提出了一种基于相控阵技术的电控波束偏转方法。该方法通过同步改变原波波束的空间分布,间接实现了参量阵差频波束的电控偏转。通过仿真发现,较低的原波频率、较大的原波频率差异、较小的阵元间距和原波波长比值d/λ,是在波束偏转时减小差频波主瓣宽度和栅瓣强度的有利条件。随后采用所提方法,对频率为2 kHz的差频波,完成了偏转角为5°、10°与20°时的波束偏转实验。实验生成的差频波主瓣分布在预设方向,栅瓣同时也得到了有效的抑制,达到了波束偏转的目的。     

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。      

深水多波束测深系统脉冲压缩实时算法

线性调频信号是大时宽带宽积信号,通过脉冲压缩可提高探测距离和分辨率,已在深水多波束测深系统中得到广泛应用。针对深水多波束测深系统中脉冲压缩运算量大的问题,提出了一种基于分组的脉冲压缩实时算法。该算法对需要进行脉冲压缩的波束进行分组,每个节拍只计算一组波束,可大幅减少深水多波束测深系统脉冲压缩的运算时间,节省了处理器资源。该算法已成功应用于某深水多波束测深系统,经多次海试证明,工作稳定可靠。     

无线电窄波束在低电离层中的聚焦和散焦

 推导了无线电窄波束在电离层中传输的非线性几何光学方程，分析了无线电窄波束在低电离层中传输的聚焦和散焦原理，推导出了散焦参数和聚焦参数的计算公式，研究了无线电窄波束在低电离层中传输的散焦现象，讨论了电波频率和功率对发散波束宽度的影响。计算结果表明：低电离层主要表现为一种散焦介质，使电波波束发散，当电波频率较低并且功率较大时，波束散焦现象非常明显，使到达目标点的功率密度大幅度降低，而当频率达到数GHz时，波束散焦现象很微弱。     

旋转运动声源的频率波动修正波束形成方法

针对前飞状态的旋翼气动噪声信号频率存在周期性波动,且频域波束形成方法只能应用于稳态声源的问题,提出一种频率波动声源的波束形成方法。该方法利用已知的声源频率变化规律进行频率修正,在时域将频率波动信号等效为单频信号,基于该单频信号进行波束形成声源定位,实现了旋转运动的频率波动声源准确定位。数值仿真结果表明,提出的方法能够在频率波动幅值为127 Hz的情况下准确呈现出声源分布情况。在旋翼模型的风洞试验中,利用提出的频域波束形成方法其声成像结果中声源最大能量位置均在旋转轨迹上,而未进行频率修正的波束形成方法结果无法准确呈现出声源的位置。该方法扩展了频域波束形成方法中的单频声源假设,实现了旋转运动声源在频率波动状态下的波束形成,适用于前飞状态下旋翼气动噪声源的声源定位。      

圆环形传感器阵列超指向性频率不变响应波束优化方法

提出了一种适用于圆环形传感器阵列的超指向性频率不变响应波束优化方法。首先,基于前期在最小均方误差准则下得到的不同频率处权值向量与期望波束权值向量的解析函数关系,将指向性因子、误差敏感度函数和最小均方误差进一步表达成了期望波束权值向量的函数;然后,构建了一个多约束优化问题,获得了满足指向性、稳健性、频率不变性等约束条件的最优期望波束,由此合成得到了最优宽带频率不变响应超指向性波束,并给出了相应的仿真和实验结果。      

超声波测厚仪

这是一种利用超声波谐振原理来精密测量部件厚度变化的超声波电子仪器(图1).测量过程中,只需与部件的一个表面接触,就可在仪器萤光屏的刻度尺上直接读出厚度值.在一定范围内,操作简单,读数方便,准确度高. 仪器由压电换能器、调频振荡器、脉冲放大器及大屏幕显示器等部分组成(图2). 调频振荡器的工作频率作周期性变化.压电换能器将振荡器电能转换成频率变化的声能,从外表面向被测部件的内部辐射超声波.当超声波半波长等于部件厚度或其整数分之一时,会产生“厚度谐振”现象.此时,振荡器将在这些频率上输出与厚度对应的电脉冲信号.经过放大器放…     

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.     

结合精确阵列响应控制的时域宽带波束图综合

提出了采用时域结构的低计算复杂度宽带波束图综合方法。首先,引入自适应零陷波束设计思想,通过在特定频率与角度设置虚拟干扰源,实现对旁瓣区域阵列响应的精确控制,多次迭代控制后满足波束设计要求。其次,所提方法能够在现有波束设计基础上实现灵活调整,根据旁瓣级等设计参数的变化快速更新波束图。理论研究表明,相较现有采用内点法的波束图综合方法,所提方法降低了单次迭代计算复杂度,有效提升了波束设计效率。仿真实验与半消声室实验结果表明,该方法所设计波束形成器相较传统固定波束形成器具有更低的旁瓣级,并且对方向性干扰有更好的抑制效果。     

水下线谱噪声源识别的波束域时频分析方法研究

从联合空时频三维信息从发, 提出了波束域时频分析识别水下运动航行器低频线谱噪声源位置的方法. 首先, 利用小孔径圆环阵的超指向性波束形成, 将各线谱噪声源匀速通过正横位置附近时产生的多普勒信号在时域上分离. 其次, 分别使用伪Wigner-Ville分布和调频小波变换两种时频分析方法对波束输出的信号进行处理, 得到各噪声源信号的时频图像. 最后, 转换时间坐标到空间并参考配置信标, 即可识别低频线谱噪声源在水下航行器上的位置. 该方法解决了阵列识别水下低频噪声源的孔径受限问题, 同时对处理同频相干噪声源也适用. 仿真试验结果表明: 两种波束域时频分析方法都能较精确地识别低频线谱噪声源的位置; 在测量系统信息的配合下, 波束域调频小波变换的识别效果更优.     

利用残差网络分析普氏蹄蝠耳朵对恒频声源定向的影响

为研究恒频蝙蝠耳朵与空间定位的关系,利用深度学习算法和仿蝙蝠静态双耳接收器,分析蝙蝠耳朵对恒频声源定向的影响。首先根据普氏蹄蝠耳朵模型设计不同双耳夹角和间距的仿生双耳接收器,并从多个空间方位采集声源发射的不同频率的恒频声呐信号,然后提取双耳同步采集信号的时频图并归一化作为输入特征,最后利用残差网络实现声源定向。实验结果表明,静态双耳接收器对恒频声源的定向误差平均值基本保持在3.5°以下,但高于动态单耳接收器的定向误差;定向精度与声源频率及声源所在空间方位有关,声源位于接收器水平方向±30°范围内时,定向精度相对较高;双耳夹角和间距也会影响定向精度,且前者影响较为显著。     

基于波束形成的多类型多声源定位研究

为实现空压机多噪声源的准确定位,仿真对比了多种近场球面波多声源定位算法。基于时域波束形成,研究了相同声源平面、不同声源频率、不同声源纵向距离、不同声源强度下多声源定位以及声源频率、声源纵向距离和声源强度多因素联合的多声源定位仿真方法,模拟了更接近实际的噪声源类型。基于频域波束形成,仿真研究了1400 Hz,2400 Hz,3400 Hz,4400 Hz的多声源。分别利用互功率谱波束形成和除自谱的互功率谱波束形成,仿真研究了相干声源和不相干声源。开发了阵列声成像测试平台,运用频域波束形成和功率谱波束形成对空压机进行了定位试验研究。结果表明,1400 Hz下空压机的主要噪声源是气缸盖、空气滤清器和曲轴附近的机体,这可为空压机减振降噪改进设计提供依据。     

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。     

数控传声器阵列反卷积法对飞机噪音的应用与实验研究

本文主要讨论传声器阵列反卷积法对于飞机发动机噪音测量的实际应用及反卷积法对于飞机过顶测噪的数值模拟。传统"波束成型法"的成像是点源与点分布函数卷积的结果,只有在满足瑞利限制的前提下可以分辨多个相距较近的声源。本文介绍了一种简称反卷积法的传声器阵列新方法,它是将原有的Beamforming结果作为已知条件,从中提取有用的声源信息,去除掉旁瓣的干扰,使得处理出来的声源幅值与位置更加准确。观察运动声源会产生多普勒效应,特别是在频域中处理声信号时会使发声源产生频率偏移,因此在反卷积法使用前引入平均多普勒频移因子,它使得运用反卷积法在频域中预测飞机进场噪音成为可能。     

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。     

宽带恒定束宽波束形成器的设计与实现

本文提出了一种设计宽带恒定束宽波束形成器的方法,这对应用于海底探测和分类问题的声纳系统来说十分重要,对于给定频带宽度的信号,选择一定数量的频率点来表达其频率响应,对于一个给定的频点,可以通过现有方法导出满足恒定宽要求的加权矢量,例如对于一个线阵列,可用切比雪夫多项多得到其加权矢量,因此对于一个具有Ｎ个阵元的宽带阵,如果选择Ｍ个频率点,可以得到一个ＮＭ的加权矩阵,这个矩阵的每一行代表一个阵元的频率响     

任意形状凸粗糙物体高斯光束相干散射研究

研究了任意形状凸粗糙物体对高斯光束的相干散射特性。由平面波谱展开法推导出粗糙面高斯波束散射场表达式．并根据物理光学近似和稳相法原理得到相干散射截面的理论公式。与平面波解不同的是,在公式中引入了波束因子这一表征波束作用的重要参量,该参量与束腰半径、束腰中心与物体中心距离和物体照射面积以及入射、散射方向有关。最后数值计算了1．06μm激光波束对粗糙球的散射,分析了波束因子．介电常量和极化状态对红外激光相干散射截面的影响,重点讨论了波束因子的变化规律。分析表明．当波束半径远大于物体尺寸时,波束入射的结果可退化到平面波情况。     

基于FPGA的DBF多波束中频接收系统的设计与实现

数字波束形成(DBF)阵列能够充分利用阵列天线所获取的空间信息,通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低旁瓣的性能,它由天线阵元、射频下变频模块、AD采样、中频接收系统及上位机控制器组成。对中频接收系统进行数字波束形成的具体方案进行讨论,对多路接收和AD量化一致性造成的各通道间失配提出了幅相校正的解决方案,详细分析了研制中的关键技术。实验结果表明所设计的DBF多波束中频接收系统可有效实现通道间失配的校正,并实现精确的波束赋形功能。     

波束域下利用角度散布特征抑制宽带混响

通过研究宽带信号的信源空间展宽特征,提出了一种宽带波束域的混响抑制方法。在有效观测角度范围内,进行密集的波束形成,将数据从阵元域转换至波束域,通过与蒙特卡洛积分得到的参考值比较,得到角度散布指数ADI。信混比越大,ADI越小。因此,设定合适的ADI阈值,去除高ADI值的成分,目标回波能够从混响背景下分离出来。该滤波器兼容于声呐现有的波束形成和信号检测流程,并且计算复杂度低。通过仿真分析了ADI与频率、带宽、信混比的关系。湖海试数据的处理结果表明了该方法能够抑制混响,并且ADI滤波器阈值选取具有容错性。      

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。