阵元间互辐射对基阵指向性的影响研究及试验

针对常规基阵指向性图计算并未考虑阵元间互辐射阻抗影响这一不足,修正了常规基阵指向性图计算公式。将阵元间的互辐射阻抗引入到水声基阵的辐射声场计算中,并依据叠加原理得到包含阵元间互辐射阻抗的基阵指向性图计算修正公式。15元均匀线列阵和5×5均匀平面阵的计算机仿真和消声水池试验结果表明,该修正公式相比于常规公式更能反映基阵指向性图的真实情况。      

Legendre函数加权的声纳宽频带恒定束宽波束特性分析*

为了处理水声信号,声纳阵列通常需要形成宽频带恒定束宽的波束。采用两种阵元加权方法分析二维圆弧形恒定束宽换能器声纳阵列:球面Legendre函数加权方法和柱面Legendre函数加权方法。分别对球面阵、柱面阵和平面阵这三种几何结构的声纳阵列进行分析,并且计算波束宽度和波束方向。结果表明,在宽频带范围内,除了柱面Legendre函数加权的球面阵之外,其余Legendre函数加权的声纳阵列均能利用简单的、不随频率变化的阵元权重和阵元延时,形成恒定束宽的波束,并且具有较小的旁瓣,此外波束方向与预设方向也较为一致。相对于其他恒定束宽波束形成方法,Legendre函数加权方法能利用较低的计算复杂度来实现良好的宽频带恒定束宽的波束特性。     

截断阶梯Legendre函数加权阵列恒定束宽波束特性分析*

连续Legendre函数加权的恒定束宽换能器(CBT)阵列可以在一定频率范围内采用与频率无关的简单阵元权重实现恒定束宽的波束特性。然而常规CBT阵列需要为每个阵元配置相应的阵元权重,当阵元数量较大时会增加复杂度。该文分析了截断阶梯Legendre函数加权的面阵列,包括球面阵、柱面阵和平面阵,并且分别分析了Legendre函数球面加权方法和Legendre函数柱面加权方法应用于上述阵列的性能。结果表明,截断阶梯Legendre函数加权对波束方向的影响可以忽略,而主要影响波束宽度。对于面阵列,当采样阶梯不大于3 dB,截断点不大于-21 dB时,截断阶梯Legendre函数加权能很好近似连续Legendre函数加权。因此截断阶梯Legendre函数加权可以在保证CBT阵列性能的前提下有效减少阵元加权系数的数量。     

非均匀钹式换能器平面阵指向性特性研究

针对钹式基阵工作频率低、布阵紧凑导致阵元之间互干扰严重、指向性能退化的现象,本文在均匀平面基阵的基础上提出强度可调节的非均匀平面基阵,建立了基阵指向性能的数学模型,通过数值计算的方法分析阵元间距和中心阵元声强度变化对基阵指向性能的影响。研究给出了主瓣宽度、旁瓣个数、栅瓣个数随阵元间距的变化规律,总结了在各种工作频率下,基阵可用的最大阵元间距。研究结果表明:中心阵元强度增大时,基阵的总体指向性稍有降低。所以当通过调整阵元间距和强度来优化基阵指向性能时,应综合考虑它们对基阵其它性能的影响,以获得最佳的总体性能。     

大角度波束扫描的宽带平面阵研究

本文中介绍了一个可以实现大角度波束扫描的宽带平面声基阵,设计了纵向振动与换能器前盖板弯曲振动相复合的宽带换能器作为基元,保证了基阵具有较好的宽带性能。针对基元的自然指向性难以满足平面阵进行大角度波束扫描的要求,本文中采用通道型橡胶反声障板技术来拓宽阵上换能器的单元指向性,从而实现平面声基阵的大角度、宽带波束扫描。在有限元和边界元进行优化设计的基础上,制作了实验样阵。测试数据表明:在工作频段内换能器响应起伏不超过3 dB,12 kHz时阵上基元指向性达到了140°,基阵-3 dB波束覆盖范围可以达到144.4°,最大旁瓣不超过30%。     

基于多个小孔径基阵的水下目标宽带波达方位估计方法

本文将多小孔径基阵应用于声纳浮标阵对可疑海区进行快速搜索的研究中,提出了一种基于多个小孔径子阵的宽带目标方位估计方法.该方法采用一种新颖的降秩估计器的信号模型,对多个小孔径子阵的输出信息进行综合处理,然后使用近似意义上的降秩估计器对目标源进行方位估计.所建立的阵列模型中不需要包含有关小孔径子阵之间的任何位置信息,因此,有效地减小了因阵形估计带来的烦杂工作和估计误差对方位估计性能的影响.仿真结果表明,此方法提高了定向精度,给出了稳定的目标方位估计.     

小孔径方阵对大气中运动声源的定位研究

研究大气中小基阵无源声探测精确定位模型问题。利用小基阵中全部声程差量建立全部简单模型,用最佳线性融合方法获得精确定位模型,组合模型的精度高于每一个简单模型的精度。建立了对空间立体阵和平面阵的通用建模方法。该模型避免了小基阵对空间声源定位的盲区效应。用平面正方形阵外场试验数据对定位模型进行了检验,试验数据包括了声源在一定高度作直线运动、俯冲运动、转弯运动、绕圈四种运动。得出了声源的运动轨迹,验证了该模型对低空声源的定位精度高和方差小,特别是对方位角的定位精度高。该方法尤其适用于对广泛采用的平面正方形阵、正五元空间阵、正四元空间阵和正四面体阵建模。     

预测系数作约束条件的自适应基阵处理

线性约束的自适应阵处理算法的优点是突出的,但它需要预先知道感兴趣方向上基阵信号的频率特性并由此预先给出自适应迭代运算的约束条件。对于频率特性未知的情况,本文提出了自适应基阵处理的新方法。在实际情况下容易得到的是观测方向上的功率谱估计,而不是频率特性。这时可将最大熵谱分析与自适应阵处理结合起来,由测量到的功率谱可计算出自相关函数,由求解相关矩阵的正则方程可得到最大熵方法的预测系数,而预测系数可用作自适应阵处理的约束条件。本文还提出了在观测方向上,信号完全未知的更广泛的情况下,自适应基阵处理的新方法。首先用频率域全通的约束条件完成自适应基阵的空间滤波,并估计自适应阵输出的功率谱。然后用上面提到的方法,用预测系数作约束条件的自适应基阵处理器,完成空间——频率域的最佳过滤。最后进行了一系列计算机模拟实验,并给出了计算机模拟实验的结果。     

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。     

基于Kaiser窗的矢量阵近场聚焦恒定束宽方法

本文针对宽带信号矢量阵近场聚焦的恒定束宽问题,提出了基于Kaiser窗函数改进的矢量阵近场聚焦恒定束宽方法。主要在常规Kaiser窗恒定束宽基础上,根据Kaiser窗的特点,使得窗参数随指数变化,提高了恒定束宽的计算精度及效果;利用束宽随频率的变化规律及窗函数本身特点,以低频率恒定束宽参数为先验信息,确定较高频率的恒定束宽参数,缩小了参数搜寻范围,提高了计算效率。仿真实验结果表明,本文建立的恒定束宽方法具有较好的效果。     

基于Kaiser窗函数的矢量阵近场聚焦恒定束宽方法

本文针对宽带信号矢量阵近场聚焦的恒定束宽问题,提出了基于Kaiser窗函数改进的矢量阵近场聚焦恒定束宽方法。主要在常规Kaiser窗恒定束宽基础上,根据Kaiser窗的特点,使得窗参数随指数变化,提高了恒定束宽的计算精度及效果;利用束宽随频率的变化规律及窗函数本身特点,以低频率恒定束宽参数为先验信息,确定较高频率的恒定束宽参数,缩小了参数搜寻范围,提高了计算效率。仿真实验结果表明本文建立的恒定束宽方法具有较好的效果。     

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。      

大型平面阵列天线辐射方向图的小阵外推计算和综合方法

基于子阵思想,小型阵列的单元辐射场等效大型阵列中相似环境下单元的辐射场,利用叠加定理计算大型阵的总辐射场.基于此方法和平面阵的辐射机理,提出运用小型直线阵外推计算大型平面阵辐射场的方法.有效地减小了计算量.利用此方法结合遗传算法通过优化单元的馈电幅度,综合了10×10元低副瓣微带贴片平面阵列天线,结果与HFSS仿真结果吻合良好.     

稀疏圆柱基阵波束垂直扫描

本文分析了三维圆柱形基阵波束垂直栅瓣形成机理,导出波束垂直扫描极限波长和基阵其他参数的关系,指出指向性函数通常是复数,并用子阵相移法来调节复合子阵的相位特性,在圆环阵指向性图适当位置插入零点,以消除垂直栅瓣、扩大基阵波束扫描范围。对不同基阵,找出相移参数β的最佳值,一般取kβ≈0.5为宜。以两个弧面阵为例作了数值计算,证明对全圆阵导出的极限波长也适用于弧面阵;和相同条件下未相移基阵相比,可将波束垂直扫描范围扩大到间距d为五个波长左右,或将基元数减少2—4倍;当未相移基阵指向性图出现栅瓣时,并可将指向性指数提高1.7到5.5dB。     

起降客机噪声源识别的平面阵设计

针对起降客机的噪声源识别,给出了平面多臂对数螺旋阵的设计过程。多臂对数螺旋阵可以在较宽的分析频带内保持较小的主瓣宽度,同时平均旁瓣水平较低,从而具有良好的宽带噪声源识别性能,但其阵型设计中需要考虑的参数较多。本文以ARJ21客机起降过程中的主起落架噪声源识别为例,研究了多臂对数螺旋阵各参数对其噪声源识别性能的影响。所给出的阵列设计流程可以为飞行客机的噪声源识别,尤其是多子阵嵌套的平面阵设计提供参考。     

基于二阶锥规划的任意传感器阵列时域恒定束宽波束形成

提出了基于FIR滤波器的适用于任意几何形状和阵元方向性的传感器阵列的时域恒定束宽波束形成方法。首先将设计频带分成若干窄带,采用优化方法,通过对各窄带波束施加约束,设计出具有设定主瓣形状要求的各窄带波束。然后针对每个传感器,根据其各频率波束形成加权向量,采用约束优化方法,设计出具有要求幅度和相位响应的FIR滤波器。各滤波器输出相加即得到时域恒定束宽波束输出时间序列。波束图主瓣形状设计与期望频率响应FIR滤波器的设计问题都可以转化为二阶锥规划(Second-Order Cone programming)的形式,然后利用已有的内点方法(Interior-Point,Methods)求出其数值解。计算机仿真结果显示,设计出的各子带波束主瓣宽度比较接近,FIR滤波器设计精度高。湖上实验数据处理结果表明,该方法可以适用于实际水声系统,时域宽带波束能够满足恒定束宽要求。     

菲涅耳声透镜聚焦性能的研究

本文从理论及实验上对斜面、弧面、相位补偿带板几种菲涅耳声透镜的聚焦性能进行了研究。先应用惠更斯-菲涅耳原理,采用较菲涅耳近似更高阶的近似方法,得出了适于计算大孔径透镜声场分布的数值计算公式;接着作了实验验证。理论和实验表明:上述几种菲涅耳透镜都具有较好的聚焦性能,焦区声场分布大致相同。在相对孔径为0.9,波长为1.41mm的条件下,横向分辨率为2mm,3dB焦深为17mm,第一旁瓣比主瓣下降17dB。     

X波段高功率微波一维相扫漏波天线阵

研究了一种可一维相扫的X波段高功率微波漏波天线阵,该天线阵由高功率微波功分网络、移相器和漏波平面阵组成。漏波平面阵由8个矩波导漏波线阵组成,增益29.6dB,口面效率70%,设计功率容量0.91GW;功分器网络采用圆波导TM01-双矩波导TE01模式变换和串列式矩波导功分器形式,输出端口间的不平衡度小于1.6dB,设计功率容量1.1GW;移相器采用侧壁簧片弯进改变矩波导宽度,实现0~360°移相,单路功率容量150MW。整阵相扫性能的全波仿真分析结果表明,在主瓣增益下降3dB的情况下,扫描角度可达到±40°。     

大基阵指向性图的合成

本文借助对假想基阵的分析,求出任意形状大基阵指向性图和加权函数的对应关系,导出了加权函数的近似表达式。通过圆弧阵和线列阵两个数值例子,说明运用合成方法能实现预定的设计要求。设计波束宽度存在最佳值。以均匀间距线列阵作了实验验证,波束宽度理论值和测量值一致性较好。     

圆弧阵的水平指向性和综合

本文使用稳相法详细讨论了圆弧阵的水平指向性,给出了计算指向性函数的主瓣束宽和主瓣内平均声压的比较准确的公式。本文提出的幅度束控方法和设计不等距阵方法可以成功地克服圆弧阵主瓣内指向性函数起伏大的缺点,同时使主瓣束宽和主瓣内平均声压基本保持不变。