改进粒子群算法的立体传声器阵列声成像系统阵形优化设计

提出改进的粒子群优化算法,获得波束方向图主瓣宽度和旁瓣级折中的优化立体阵形,避免基本实数粒子群算法仅采用旁瓣级或主瓣宽度一个性能指标优化而导致另一个性能指标恶化的问题,利用阵列视角限制进一步优化立体阵形并设计了声成像测量系统。改进的粒子群算法与基本粒子群算法仿真优化阵形比较表明改进粒子群算法设计的优化阵形在保持较窄的主瓣宽度的条件下具有较低的旁瓣级。阵列声成像测量系统的性能测量分析结果表明该系统的空间分辨率和旁瓣抑制能力与理论结果接近,验证了所提算法的有效性。      

基于粒子群算法的稀疏阵列超声相控阵全聚焦成像

为降低相控阵超声检测全聚焦算法的成像数据量及阵列稀疏优化的计算时间,研究了一种用于稀疏阵列全聚焦成像的阵列优化算法,并通过实验对其成像效果进行了验证。针对目前超声相控阵检测的全矩阵采集数据量大、全聚焦算法成像时间长的难点,该文通过构建稀疏阵列,在保证成像质量的同时显著降低成像数据量,提高了全聚焦算法的成像效率。通过以主瓣宽度、旁瓣峰值以及主瓣峰值作为约束条件构建适应度函数,采用粒子群算法得到稀疏阵元位置分布并进行阵元权重修正,并将其用于稀疏全聚焦成像。相比全阵元成像,使用粒子群算法所得的稀疏阵列的阵元个数降低了56.25%、65.62%,数据使用量降低了80.86%、88.18%。在阵列优化方面,相比遗传算法减少了84.86%的计算时间。     

类视网膜阵列结构的光纤相控阵方法研究

出射光束阵列布局对光纤相控阵的高功率激光相干合成性能有着重要影响。针对现有光纤相控方法的阵元间距难以突破半个波长,导致能量合成效率低的问题,提出了类视网膜多环形光纤相控方法,设计了具有圆形对称分布的结构,在保持中心阵元以及最外环阵元位置不变的情况下,通过粒子群算法优化环间其余阵元间距以获得最佳的远场相干合成性能。仿真结果表明,与传统光纤相控方法相比,提出的阵列布局可将能量集中度从0.562提升至0.921,峰值旁瓣水平从0.212压缩至0.043。     

基于旁瓣级最小化的平面螺旋阵列设计的粒子群优化方法

基于粒子群优化算法,以最大旁瓣级最小化为代价函数,在阿基米德螺旋线上搜索最优平面螺旋阵列。数值仿真计算利用粒子群优化算法搜索得到旁瓣级最低的最优阵列,与其他阵型比较,并在半消声室对各种声源进行声场测量和声源定位实验,验证了粒子群优化方法进行阵型优化的有效性。     

基于爬坡算法的片上低栅瓣二维光学相控阵

通过两级定向耦合器结构实现了光学相控阵天线阵列的二维排布,并设计了特殊C形弯曲波导进行热调作为阵元的相位控制器.提出一种针对阵元数量不高的稀布片上光学相控阵远场高阶干涉栅瓣的压缩方法.将均匀的阵元间距通过爬坡算法优化成非均匀间距,以破坏栅瓣产生所需的干涉相长条件,实现对栅瓣的压缩作用.在1 310nm波长,通过时域有限差分法对基于微型光栅耦合器天线的稀布阵列进行计算分析,结果表明优化的阵元间距能实现-6~-7dB的栅瓣抑制比.     

基于遗传算法的二维随机型稀疏阵列的优化研究

为了解决二维相控阵列及与之匹配的三维超声成像系统过于复杂的问题,提出了一种基于遗传算法的随机型稀疏阵列的优化设计方法。在这种方法中,首先根据横向分辨率的要求确定参考阵列的尺寸及加权分布,然后根据对比分辨率的要求确定稀疏阵列相对于参考阵列的稀疏率,最后利用遗传算法优化确定阵元的分布形式。通过连续波理论和基于空间冲激响应的脉冲场模型对这种稀疏阵列的声学特性进行了分析,分析结果表明,优化设计的随机型稀疏阵列具有良好的特性,它与参考阵列有几乎相等的主瓣宽度,而且不产生栅瓣,虽然其旁瓣高度与参考阵列相比略有提升,但经遗传算法优化后仍能满足高质量成像的要求。     

基于混合算法的光学合成孔径成像系统孔径优化

结合模拟退火算法和遗传算法的优点,在遗传算法中加入模拟退火算子,运用这种混合算法对子孔径结构进行了优化。以阵列的子调制传递函数覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,实现了单圆周孔径阵列和双圆周孔径阵列的优化排列。使用仿真程序对优化阵列的光学传递函数进行了分析,将优化结果与相同子孔径数目的单圆周结构进行仿真实验和比较。结果表明,采用这种混合算法是可以很好的解决光学合成孔径结构的优化问题,优化结果接近全局最优解,优化后的双圆周阵列接近Golay阵列,具有更大的实际空间截止频率。     

基于互耦补偿策略的IFFT算法及其应用

介绍了一种基于互耦补偿矩阵(MCCM)的迭代快速傅里叶变换(IFFT)技术,并将其应用于宽角度扫描相控阵的低旁瓣综合中。首先,在所提出的综合方法中,将互耦补偿矩阵引入到IFFT技术中以考虑阵元间的互耦效应,使考虑互耦的阵列远场重新满足方向图乘积原理。然后,提出了一款基片集成波导背腔结构的宽波束天线单元,该天线能够同时激励起TE110与TE210两种模式从而展宽其工作频带且具有宽波束性能,并且基于此单元分别建立了阵元数为35,75,100的宽角度扫描相控阵天线。最后,利用所提出的IFFT技术对这三个相控阵进行低旁瓣综合。与基于有源单元方向图遗传算法的对比结果表明,在-60°到60°的扫描范围内均能实现低旁瓣电平,并且IFFT优化算法具有更快的速度。     

一种频域-波数域峰值筛选的无源声呐宽带检测方法

在水声信号处理中,传统的无源声呐宽带目标检测在多目标、强干扰的复杂环境中输出信噪比低,使得检测性能急剧下降。针对此问题,提出一种基于均匀线列阵在频域-波数域上宽带信号能量分布特性进行目标检测的方法。该方法首先将阵列信号转换到频域-波数域,利用不同频率下波数主瓣、旁瓣宽度特征以及空间分布特征,设计针对主瓣的判别与分配方法,实现对同一目标不同频率下波数谱主瓣判别,使用主瓣能量累积、主瓣数目累积的方式来形成方位谱,从而进行目标检测。理论分析和仿真结果表明,所提方法只利用对目标检测有突出贡献的波数主瓣,降低了旁瓣的影响,有效提高了无源宽带水声目标的检测能力。海上试验数据处理结果表明,目标输出信噪比相比子带峰值能量检测算法可提高5.58 dB,较传统能量检测可提高8.73 dB,计算时间相比传统能量检测降低46%,验证了所提方法的有效性与实时性。     

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。     

应用在相控阵雷达上的光学实时延迟线

相控阵天线是雷达技术的重要发展方向之一。电子相控阵雷达所遇到的问题是天线阵列孔径效应限制了雷达信号的瞬时带宽,使其不能满足通信和雷达技术的发展需要。光学实时延迟技术,可以解决这一问题。介绍了相控阵天线光实时延迟控制原理。并对几种典型的光实时延迟线的工作原理和技术特点作了简要的分析。     

基于高速移动通信的虚拟天线阵列理论研究

在高速移动通信中, 多普勒频移对通信性能产生严重的影响, 通常需要对接收信号的多普勒频移进行估计并进行补偿. 本文研究在对单个天线接收的高速移动通信信号进行频移估计和补偿的基础上产生多路无频偏的信号, 并虚拟为天线阵列的输出以提高系统的接收增益. 首先讨论了“均匀时间采样”和“均匀相位采样”的关系, 并根据两者之间的关系提出了补偿多普勒频移和虚拟天线阵列的算法, 即对采样信号进行插值、均匀相位抽取以后, 再进行均匀时间采样. 然后分析了算法对高速移动通信系统性能的改善作用, 并提出了算法的硬件实现结构. 通过数值仿真验证了算法的干扰抑制能力和误码性能, 结果表明本文提出的虚拟天线阵列算法能够改善飞机、高铁上的高速移动通信系统的性能.     

相控阵天线电磁发射特性的统计分析

相控阵天线波束指向高度动态变化,其电磁发射特性呈现出显著的统计规律,分析和测试所需的资源巨大。采用多项式混沌展开（PCE）探究二维平面相控阵天线发射特性的统计特性,根据方向图乘积定理等确定代表相控阵天线电磁发射特性的目标函数,利用PCE建立目标函数的等效代理模型。从理想点源构成的相控阵天线着手,分别考虑了主波束指向服从均匀分布和正态分布两种典型情况,通过计算机仿真模拟得到等效代理模型的概率密度函数和累积分布函数,并使用传统的蒙特卡罗方法结果作为参照来评估PCE方法的有效性和可靠性,最后对小型偶极子相控阵天线的波束指向服从两种典型分布的情况进行讨论。仿真对比结果表明,PCE方法在保证结果准确度的同时可以大大减少采样样本点数目,大幅提升相控阵天线电磁发射特性分析和测试的效率。     

数字化相控阵天线测试方法及测试系统设计

伴随着雷达技术的飞速发展,数字化相控阵天线开始广泛运用于各种相控阵雷达当中。由于数字化相控阵天线的工作原理与传统模拟相控阵天线差异极大,测试方法也发生了根本性的改变,原有的基于普通微波仪表的天线测试系统无法再对数字化相控阵天线进行测试,必须设计新型的数字化相控阵天线测试系统。本文首先介绍了数字化相控阵天线自身的工作原理和测试方法,随后提出了新型数字化相控阵天线测试系统的具体软硬件设计方案,实际应用表明数字化相控阵天线测试系统可以满足各种数字化相控阵天线的测试要求。     

Terahertz-wave generation in a conventional optical fiber

We theoretically propose surface-emitted and collinear phase-matched terahertz (THz)-wave generation in a conventional optical fiber. The third-order nonlinear effect, four-wave mixing (FWM), is used to generate THz waves in an optical fiber. Surface-emitted THz-wave generation via FWM is realized using a single-mode fiber. Perfect phase matching is obtained at ~800 nm and 1.5 microm pumping, and it follows that third-order polarization in an optical fiber has the same phase at any point. In this situation, the optical fiber acts like a phased array antenna of the THz wave. Collinear phase-matching THz waves are obtained under the same conditions as for surface-emitted THz waves, and the THz wave is propagated in the silica cladding of the optical fiber. This is a promising method for realizing a reasonable THz-wave source.     

测量光纤折射率分布还原算法的研究

用透射式微分干涉法测量光纤内部折射率分布,其原理是利用旋转检偏器对测量光束进行调制,从相位分布和光程分布中计算出折射率分布。其中,从光程分布中解算出折射率分布的算法是关键。讨论了该算法的数学模型,推导了测量公式,并对算法的稳定性和误差进行了分析。利用自行研制的系统对渐变折射率分布光纤进行实测,与在NR 9200光纤测量仪上的结果进行了比较,对主要误差源进行了分析和计算机模拟。实测和模拟计算结果表明,该算法原理正确,系统稳定,测量精度优于10-3,完全可以用来测量光纤折射率分布。     

The further investigation of the true time delay unit based on discrete fiber Bragg gratings

A true time delay (TTD) unit based on discrete fiber Bragg gratings (FBGs) for the phased array antenna (PAA) beamforming system is further investigated using the wave interference theory. The theoretical analysis shows that a PAA system using the TTD unit based on discrete FBGs can work at high frequency as long as the FBGs can be manufactured in high precision.     

适用于隧道环境的二元相控阵天线系统

为了满足在隧道环境中实现高速率、高质量无线通信的迫切需求,研究了适用于隧道环境的高增益天线,提出了利用二元相控阵天线系统提高隧道内信号传输质量的新方法。相控阵天线系统由两个高增益天线单元及一个移相器组成,通过移相器调整其中一个天线单元的相位,使隧道内合成电场的最小值幅值达到最大,提升信号的平均场强。仿真结果表明:与单个天线发射信号相比,在3000 m隧道轴向传播范围内,相控阵天线系统发射信号合成电场的最低电平最少提升了19.6 dB;与两个天线同时发射信号相比,最低电平最少提升了12.4 dB,取得较好分集优化效果,消除多径效应导致的深度衰落,解决了隧道环境中存在的通信问题。     

高精度动态光纤应变传感研究

传统的光纤应变传感技术无法在满足高精度和强环境适应性的同时实现稳定的动态应变传感.为了解决该问题,本文将光干涉原理应用于光纤应变传感,设计了一种强环境适应性的基于干涉结构的高精度光纤应变传感系统,基于扫频干涉信号的互相关系数,该系统可以稳定地探测应变.本文还提出一种动态探测算法,该算法弥补了系统只能探测较小应变的缺陷,大大提升了实际应变的探测范围,同时还实现了动态的应变检测;采用三次样条插值算法,提升了小应变探测的精度.理论分析和仿真模拟表明,在加入白噪声的信号信噪比为15dB时,插值后的探测精度是未插值探测精度的2.3倍,插值后本系统探测结果的最大误差只有约9nε.