矢量水听器拖曳阵的信号模拟器设计

本文中所设计的基于矢量水听器的拖线阵声纳模拟器,仿真了拖线阵的拖船干扰时域信号和空间传播特性,以及矢量水听器偶极子指向性。对于拖船干扰的仿真用Ecs模型来设定宽带功率谱,以AR模型来拟合指定功率谱,利用海底、海面对声场的一次反射作用仿真了拖船干扰的空间多途信道。利用插值滤波器的方法按照设定的时间精度仿真了宽带信号的阵元间精确延时。处理该模拟器所产生阵元时空采样仿真信号而得到的波束形成结果验证了该模拟器的有效性。     

第五讲新型光纤水听器和矢量水听器

光纤水听器和矢量水听器作为当前水声研究领域最具有代表性的两大技术倍受业界关注.光纤水听器的重要贡献在于,从一个全新的角度出发,试图解决传统的水声传感和声纳数据传输一体化设计和实现的一系列问题,这有助于改善声纳系统的可靠性,并且有可能降低其制造、使用和维护的总成本.矢量水听器则由于其特有的指向性和矢量－相位处理方法,在低频和甚低频水声微弱目标探测方面具有潜在的优势.经过不懈的努力,光纤水听器和矢量水听器系统已经从实验室逐渐进入到工程应用阶段.这些对未来声纳系统的发展会产生相当重要的影响.文章尝试从声纳设计的角度对这两者的技术现状进行简要综述,包括它们各自的物理基础、工作原理、关键技术和应用领域.     

第五讲新型光纤水听器和矢量水听器

光纤水听器和矢量水听器作为当前水声研究领域最具有代表性的两大技术倍受业界关注。光纤水听器的重要贡献在于，从一个全新的角度出发，试图解决传统的水声传感和声纳数据传输一体化设计和实现的一系列问题，这有助于改善声纳系统的可靠性，并且有可能降低其制造、使用和维护的总成本。矢量水听器则由于其特有的指向性和矢量一相位处理方法，在低频和甚低频水声微弱目标探测方面具有潜在的优势．经过不懈的努力，光纤水听器和矢量水听器系统已经从实验室逐渐进入到工程应用阶段．这些对未来声纳系统的发展会产生相当重要的影响．文章尝试从声纳设计的角度对这两者的技术现状进行简要综述，包括它们各自的物理基础、工作原理、关键技术和应用领域．     

基于矢量水听器阵列空域预滤波处理的多重信号分类算法研究

矢量水听器能同时拾取声压和振速信息,在相同的信噪比、阵元数及阵列孔径下,矢量阵定向性能优于声压阵列。目前,以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的高分辨定向算法已经广泛应用于矢量水听器阵列中。但是随着信噪比降低、信号源方位间隔减小,传统MUSIC算法定向精度及分辨概率显著下降。本文采用最小二乘法设计适用于矢量水听器水平阵列的矩阵空域滤波器,用于阵列数据的空间滤波预处理,可以对阻带扇面噪声进行有效抑制。由滤波后的数据协方差矩阵可以得到新的噪声子空间,在传统MUSIC算法基础上修正通带扇面内阵列流型的畸变后即可得到滤波后MUSIC算法的方位谱。仿真结果表明,当信噪比较低时,改进算法有效提高了通带扇面内目标方位分辨性能。最后本文对四基元矢量水平阵列海试数据进行了处理,改进算法对窄带信号定向较常规算法-3 dB束宽减小了13°,旁瓣级降低约8 dB。对有一定带宽的行船辐射噪声定向处理得到了更加精确的航迹图,海试数据处理结果证明了该算法的可行性和有效性。     

中频小型矢量水听器设计研究

中频小型同振式矢量水听器采用低密度复合材料作为矢量通道外壳、压电加速度计作为内部振动传感器，以拾取水下声场中的矢量信息。与以往同振式矢量水听器设计不同的是每个矢量通道中只放置一只压电加速度计，这样，不仅减小了矢量水听器的体积，降低了水听器的整体平均密度，而且消除了以往同振式矢量水听器设计中矢量通道采用两只配对传感器而引起的相位不一致给矢量水听器定向带来的影响。而声压通道采用PVDF压电薄膜作为敏感元件，以拾取水下声场中的标量信息。     

压阻式新型矢量水听器设计

本文介绍了矢量水听器的应用，分析了压阻式矢量水听器的基本工作原理。提出了采用压阻原理进行矢量水听器设计的方案思想，并从结构灵敏度、输出特性、谐振频率几方面进行了设计分析，展望了将MEMS技术应用于矢量水听器的远景优势。     

用于矢量水听器的弯曲圆盘型声压水听器

针对在同振型矢量水听器中有效地复合声压通道的问题,提出一种采用压电双迭片结构的弯曲圆盘型声压水听器。压电双迭片由中心开孔的压电圆片和金属背衬组成,采用弯曲振动工作模式。为提高声压水听器的灵敏度,分别通过理论计算和有限元仿真的方法对双迭片结构进行了分析与优化设计,并制作了一只声压水听器样机用于实验验证。测试结果表明,声压水听器的灵敏度为-157 dB(0 dB re 1 V/μPa),在25 Hz~1000 Hz频带内分布平坦,并具有全指向性的特点。综合理论研究与实验室测试结果,这种弯曲圆盘型声压水听器成功满足了低频宽带声信号接收的需要,达到了复合同振型矢量水听器对声压通道的设计要求。     

矢量拖线阵水听器流噪声响应特性

针对传统拖线阵流噪声理论的局限性, 建立了完善的矢量拖线阵流噪声理论分析方法, 可全面准确地揭示矢量拖线阵流噪声响应特性. 基于细长圆柱的湍流边界层压力起伏Carpenter模型, 采用波数-频率谱分析方法对矢量拖线阵流噪声响应特性进行了理论研究, 导出了圆柱形矢量水听器流噪声响应的声压和振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 定量分析了流噪声响应功率谱与拖曳速度、水听器尺寸、套管尺寸和材料等参数之间变化规律; 另外, 还讨论了圆柱形矢量水听器偏离护套轴线时矢量拖线阵流噪声响应, 导出了流噪声响应的声压、径向和轴向振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 数值计算结果表明: 轴线偏移距离对声压和轴向振速的高频噪声的影响要大于对低频噪声的影响, 而对径向振速的全频段噪声都有明显影响, 且对振速分量影响要远大于对声压影响.     

矢量水听器线阵和弧线阵抗左右舷模糊性能分析

针对线阵声纳左右舷模糊问题,建立了基于矢量水听器直线阵 和 两种信息处理模式以及标量水听器弧线阵不同布阵方式的抗左右舷模糊性能数学模型,分析了不同布阵方式以及不同信息处理模式的抗左右舷模糊性能,并进行了仿真计算。分析和仿真结果表明,矢量水听器直线阵和标量水听器弧线阵在分辨左右舷性能和观察范围上各有优势。矢量水听器直线阵虽然可分辨左右舷且在作用距离上具有优势,但由于在一定扇面内分辨左右舷是依靠声纳方位历程图的明暗差异,在多目标情况下易造成声纳观察上的干扰;具有一定弧心角的标量水听器弧线阵,可以在更宽的扇面内具有抗左右舷模糊能力,但其以减小观察范围作为代价。     

矢量水听器阵列MVDR波束形成器的性能研究

针对矢量水听器阵列的最佳阵处理，研究了高斯背景噪声条件下MVDR波束器的输出性能，给出了系统输出信干噪比与各影响参数之间的解析关系式，并对三种典型情况进行了具体探讨，着重分析了信噪比、干扰强度、相关系数和样本长度对系统输出SINR的影响，证明了低信噪比时MVDR波束形成器为最佳空域滤波器，分析还表明，MVDR波束形成器对强信号存在抑制现象，高信噪比时输出的SINR为一常数。计算机仿真结果证明了理论分析的正确性。     

矢量阵MUSIC空间谱方位估计性能的实验研究

为了检验矢量阵MUSIC空间谱方位估计算法的性能,进行了三元矢量阵的外场试验,对比了MUSIC空间谱估计以及常规波束形成的性能。实验结果表明,相对于矢量阵常规波束形成技术,MUSIC空间谱对目标的方位估计性能得到很大提高。而且,当空间严重降采样时, MUSIC空间谱表现出较强的栅瓣抑制能力,能够在全空间范围内对目标无模糊定向。     

相控阵超声二维稀疏阵列的优化设计应用研究

在相控阵超声检测中,稀疏阵列是利用较少阵元数目获得大阵列孔径的有效办法。目前一些稀疏阵列没计的方法,并没充分利用有效阵元。本文首先采用遗传算法没计二维稀疏阵列,发现遗传算法设计的稀疏阵列,一致性较差。主要原因是在没有任何限制的条件下,寻优搜索空间大,遗传算法参数往往难于控制。针对此问题,受十字形稀疏阵列和最小冗余度阵列的启发,本文将最小冗余度阵列拓展到二维稀疏阵列的设计中。计算机模拟和实验都表明,利用最小冗余度阵列和遗传算法设计的二维稀疏阵列具有很好的空间分辨率和对比度分辨率。     

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.     

一种用于时间反演通信的亚波长天线阵列设计

基于时间反演电磁波的远场超分辨聚焦特性, 设计了一种亚波长天线阵列, 其天线单元刻蚀有微结构、单元间距为1/20工作波长且信道相互独立. 在保证相似的辐射特性的条件下, 该亚波长天线阵列对比于其他微结构刻蚀所组成的亚波长天线阵列, 具有较好的远场超分辨率聚焦特性. 为基于时间反演的高速率、高质量多天线通信提供了一种有效的终端天线阵列.     

L型阵列探测器合成功率研究与设计

针对行波探测器阵列只能合成输出功率而不能同时提高工作带宽的现状,基于m推演型滤波电路原理,提出了一种新的L型阵列探测器,即通过在光电二极管之间串联电容减少结电容对截止频率的影响,再与两个电感串联形成单个阵列单元,然后将单个阵列单元级联构成全新的L型滤波器电路结构。结果表明,L型探测器阵列能够对射频输出信号进行功率合成,同时工作带宽提高至67 GHz,相较于传统光电探测器,工作带宽提高两倍。通过增加级联光电二极管的数量,可以持续增大输出功率,同时L型探测器阵列的推演方法可根据实际需求灵活设计出期望的光电探测器,为未来大带宽、高功率的光电探测器设计提供理论基础。     

Optimum adaptive array stochastic resonance in noisy grayscale image restoration

Considering the widespread noise interference in the two-dimensional (2D) image transmission processing, we proposed an optimal adaptive bistable array stochastic resonance (SR)-based grayscale image restoration enhancement method under low peak signal-to-noise ratio (PSNR) environments. In this method, the Hilbert scanning is adopted to reduce the dimension of the original grayscale image. The 2D image signal is converted into a one-dimensional (1D) binary pulse amplitude modulation (BPAM) signal. Meanwhile, we use the adaptive bistable array SR module to enhance the 1D low SNR BPAM signal. In order to obtain the restored image, we transform the enhanced BPAM signal into a 2D grayscale image signal. Simulation results show that the proposed method significantly outperforms the classical image restoration methods (i.e., mean filter, Wiener filter and median filter) both on the grayscale level and the PSNR of the restored image, particularly in a low PSNR scenario. Larger array size brings better image restoration effect.     

一种新型的低散射微带天线阵设计

本文将电磁表面(electromagnetic surface, EMS)的设计思想引入到微带天线阵的设计中,在设计天线单元的同时,也将其作为EMS单元兼顾其反射特性.通过在矩形辐射贴片上开弧形缺口,得到一种新的单元结构,该单元可与原始EMS单元之间形成180°±30°有效相位差,且作为天线单元时与原始天线工作在相同谐振模式、相同频带.将两种单元以棋盘形式构成组合天线阵,在两个极化下分别基于相位对消原理和吸波原理实现了雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩.实测与仿真结果表明:相较于等大小的金属板,在x极化波照射下,天线阵在5.6—6.0 GHz实现了6 dB以上的RCS减缩,相对带宽为10.1%;在y极化波照射下,天线阵在5.0—7.2 GHz实现了6 dB以上的RCS减缩,相对带宽为24%.同时由于两种单元在辐射上具有较好的一致性,使得组合天线阵的辐射性能得以保持.该方法有效解决了天线阵辐射和散射难以兼顾的矛盾,为其他形式的低散射天线阵的设计提供了新的方法与思路.     

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。     

Hybrid approach for the design of mirror array to produce freeform illumination sources in immersion lithography

Source and mask optimization (SMO) has emerged as a key resolution enhancement technique (RET) for 45 nm technology node and below in lithography. The design method of freeform illumination sources predicted by SMO is significant for the scanner development. We present a hybrid approach combining simultaneous and sequential approaches to optimize the tilt angles of the mirrors to produce multi target freeform illumination sources accurately and quickly. The size of spot reflect by plane mirror can be easily controlled by changing different microlens arrays with appropriate focal length, which reduce the complexity of the system and makes it more flexible to produce the specific freeform sources compared to curving the mirrors used in previous work. The relationship between the tilt angles of plane mirrors and the positions of the spots in the pupil is obtained by chief ray tracing. Using the hybrid approach the freeform illumination sources required by SMO can be designed by merely adjusting the tilt angles of mirrors without changing other parameters of optical elements, which is most effective for both lithography tool manufacture and its applications. The real ray tracing results demonstrate that our design method is capable of creating multi freeform illumination sources with high transmittance, and confirm that the effectiveness of the hybrid approach for optimized design and control of mirror array in immersion lithography system.