圆阵宽带恒定束宽波束形成的实验研究

为了检验“任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成新方法”(声学学报, 2001;26(1):55—58)一文中提出的方法是否在实际系统中可行,我们针对24元均匀圆阵进行了湖上实验。基于实验数据,在覆盖一个倍频程带宽的8个频率点上形成了恒定束宽波束。实验圆阵的实测阵列流形和理论阵列流形存在较大误差,这表明该文采用的可适用于任意结构阵列的宽带恒定束宽波束形成方法具有良好的宽容性。     

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。     

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。      

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。     

sinc函数加权圆弧形恒定束宽阵列*

加权函数对于圆弧形恒定束宽阵列的性能至关重要,因此分析了圆弧形恒定束宽阵列的加权函数的特性,并提出了sinc函数加权方法。分别对窄覆盖sinc函数加权阵列和宽覆盖sinc函数加权阵列的波束特性进行数值分析,验证其恒定束宽的波束特性。结果表明,sinc函数加权阵列在工作频率范围内产生近似不随频率变化的波束。此外,还与多种已有的圆弧形恒定束宽阵列进行对比分析,包括Legendre函数加权阵列、余弦函数加权阵列、Chebyshev多项式加权阵列等。结果表明,相较于已有的阵列,sinc函数加权阵列具有更低的低频截止频率,因而对应更大的工作频率范围。     

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。     

时域宽带恒定束宽波束形成的实验研究

由于实际水声系统中的阵列模型往往与理想阵列模型失配,导致基于理想阵列模型设计的时域恒定束宽波束形成器所形成的波束图在实际应用中严重畸变,从而不能有效地抑制旁瓣干扰和无失真地接收宽带信号。本文利用水池实验说明阵列模型失配对基于理想阵列模型设计的时域恒定束宽波束形成器的影响,并提出一种有效的设计方法以减小这种影响,即通过实际测量,获得包含失配信息在内的实际阵列模型,并将该模型应用到时域恒定束宽波束器的设计当中。实验结果表明,基于实际阵列模型的设计可以有效地减小由于阵列模型失配带来的影响,这对设计实际系统可以使用的时域恒定束宽波束形成器具有重要的意义。     

一种稳健的恒定束宽波束形成方法

考虑到信号的方向信息存在误差时,宽带聚焦变换波束形成方法的稳健性会急剧下降,为了克服这种缺点,将稳健的二阶锥规划波束形成用于聚焦变换方法中,提出一种稳健宽带恒定束宽波束形成方法并将其应用于声呐探测。二阶锥规划波束形成是通过对阵列流形进行约束求解得到准确的权值,从而减少聚焦数据误差,避免估计畸变,得到恒定束宽,提高了聚焦变换恒定束宽波束形成器的性能。借助计算机对圆环形传感器阵列在宽频段内进行恒定束宽波束优化设计,并进行了实验研究,结果表明该方法对信号信息误差有很好的宽容性,能实现我们期望得到的恒定束宽波束图,能应用于实际的声呐探测中。并且比传统的二阶锥恒定束宽方法有更高的稳健性。      

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。     

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。      

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.     

基于任意阵的最小方差无失真响应聚焦波束形成的被动定位方法

将最小方差无失真响应(MVDR)聚焦波束形成近场被动定位方法应用到平面任意结构阵列上,可以很好地解决线列阵由于阵长较长,在实际使用中存在布放困难、部分阵元失效影响定位性能等问题。本文首先分析了平面任意结构阵列的近场接收信号模型,推导出阵列流型,然后将MVDR聚焦波束形成技术应用到该模型中,得到了基于任意阵的MVDR聚焦波束形成近场被动定位方法。仿真验证了该方法的可行性和有效性。     

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。     

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。      

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     

时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计

针对球面阵模态域波束形成器对传声器失配误差敏感的问题,研究了时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计。揭示了波束响应误差上界的保守性是影响现有最差性能优化方法性能的主要原因,进而提出了一种波束响应误差上界更为紧凑的优化设计方法。理论分析表明,与现有最差性能优化方法相比,所提出方法的代价函数更小、且可行解的范围也更大。针对最差性能优化设计方法存在的波束指向上阵列响应随频率变化波动偏大而引起信号失真的问题,还给出了一种减小波束图在指向方向上受信号频率影响的约束方法。仿真分析结果表明:在相同传声器失配误差条件下,所提出的设计方法要优于现有方法,得到的波束图具有更低的旁瓣级。      

小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法

提出了一种基于声场多极子展开的小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法。该方法利用了声场的垂直振速信息,并结合球谐波函数与多极子模态之间的联系,可用二维的阵列结构合成指向任意方向的三维波束图,简化了三维波束形成所需的阵列结构。以3×3均匀矩形阵为例的仿真结果表明,在相邻阵元间距小于0.2倍信号波长时,所提方法引入的差分近似误差可被忽略,所得阵列波束图接近理论波束图。相比于声压球面阵三维波束形成方法,所提方法在低频段能在获得相同阵增益的同时有着更好的稳健性,为实现小尺寸阵列的三维波束形成提供了一种可靠的方法。     

一种恒定束宽波束形成矩阵的加权正交化方法

提出了一种加权正交化恒定束宽波束形成矩阵。对正交后不同频率分量对应的波束形成矩阵进行不同程度的加权,可以得到无畸变的波束输出信号,保证检测能力;并且当信号源具有均匀谱的情况下,可以实现波束形成前后无能量损失,获得高的方位估计性能。计算机仿真和水池实验数据分析证实了加权正交化方法可同时获得高的检测性能和方位估计性能。     

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。