基于期望响应内插技术的宽带波束优化设计

在以往窄带波束优化设计研究工作的基础上,提出了一种基于期望响应内插技术的宽带波束优化设计方法,目的在于避免宽带问题中由于频带划分过细带来的过重的设计负担,并使之可应用于稳健波束优化设计当中。该方法首先在设计频段内选取几个频率点,在每个频率点上设计得到相应的窄带波束优化权系数,并且根据每个阵元在不同频率点上的权系数构造一个宽带期望响应函数;然后用基于期望响应内插的FIR滤波器设计方法设计合适的FIR滤波器组,以使整个频段上的宽带波束优化得以实现。采用这种方法可以避免宽带波束优化设计中繁重的设计负担,并且在对实际声呐基阵进行宽带波束优化设计时只需少数几个频率点的测量值即可获得好的效果。仿真设计结果和实验研究表明了本文方法的有效性。     

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。     

基于凸优化的时域宽带旁瓣控制自适应波束形成

提出了基于凸优化的时域宽带旁瓣控制自适应波束形成方法。首先将基阵波束响应表达成一组FIR滤波器系数的线性函数,然后采用如下的优化准则来设计FIR滤波器组:在保证波束形成器对期望方向信号无失真输出且波束旁瓣低于设定值的条件下,使波束输出功率最小化。同时通过对滤波器系数的范数进行约束来保证波束形成器的稳健性。该波束形成器设计问题被表述成二阶锥规划的凸优化问题来求解。仿真结果验证了所提出方法的有效性。     

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。     

基于调频Z变换的均匀线列阵恒定束宽波束形成器设计

提出了基于调频Z变换(CZT)的宽带恒定束宽波束形成(CBB)方法:假设在每个子带内,各方位波束的权系数相同,推导得到:每个频率子带的权系数序列与参考频率的权系数序列的频谱相同,而在频率轴上满足比例伸缩关系,比例尺度为参考频率与相应频率子带的中心频率之比。依据此设计思想,给出有效孔径不变的CZT法(CZTIA)和有效孔径变化的CZT法(CZTVA)两种CBB实现方法。它们均是由参考频率的权系数序列,通过设定不同的参数值,采用CZT快速计算各个子带的权系数序列的频谱,然后通过傅里叶反变换便可得到相应频率子带的权系数序列。计算机仿真结果验证了理论分析的正确性。     

宽带波束形成器的设计与实现

综述了宽带波束形成器的设计与实现问题,归纳出一种统一的窄带(子带)波束优化设计方法──多约束优化设计法,并推广为FIR宽带波束形成器统一优化设计法.阐述了频域DFT宽带波束形成器结构及其子带波束加权向量设计方法,以及时域FIR宽带波束形成器结构及其各通道FIR滤波器的设计方法,对几种具有代表性的方法的原理与性能进行了分析与比较.所归纳出的统一设计法将很多现有的波束设计法纳入统一框架体系,使之成为它的一个特例,可以满足多样化频域子带与时域宽带波束形成器设计的需求,提供灵活的波束设计准则,且设计精度高.子带与FIR宽带多约束统一设计法的优越性能在稳健旁瓣控制恒定主瓣响应自适应波束形成器设计问题中得到了充分的体现.     

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。     

频率自适应最优权重阵列干涉条纹处理技术

考虑长基线水平阵列波束形成对声场模态呈现的滤波特征,建立了一种随频率改变滤波通带的阵列权矢量设计方法。基于简正波理论,结合声场波束形成特点,在分析了常规波束形成信号LOFAR谱图干涉条纹的清晰度和条纹结构不同于单水听器输出信号条纹现象基础上,采用线性等式约束的二次优化模型,给出了一种频率自适应的最优权重估计。数值仿真验证和试验数据分析表明,利用该方法设计的最优权重阵列波束处理,可以滤波出SRBR(Surface-Reflected Bottom-Reflected)或N-SRBR(Non-Surface-Reflected Bottom-Reflected)模态组成的波束形成信号,信号谱图干涉条纹斜率与理论分析基本一致。      

基于自适应频率不变响应基阵的宽带信号方位估计

提出一种设计频率不变响应基阵的自适应模拟方法，并将其用于构造波束形成矩阵来实现宽带信号的聚焦。该方法不仅保持了波束域方位估计算法的运算量小、分辨率高等优点，还具有相关信号子空间能解相关源的能力，且对阵形及各阵元的指向性也没有任何限制。仿真结果说明了本文方法的有效性。     

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。     

矩阵预滤波器在抗运动干扰中的应用研究

自适应波束形成器容易受到运动干扰和观测方向偏差的影响,针对该问题提出了一种基于矩阵预滤波的零陷展宽稳健波束形成算法。首先分析了矩阵预滤波器在抗运动干扰时的适应性,并利用矩阵预滤波器在运动干扰所在区域形成凹槽。利用椭圆投影定理计算预滤波后的导向矢量不确定集,在新的导向矢量不确定集下利用稳健Capon波束形成算法(RCB)寻找最优导向矢量。仿真分析表明,和RCB算法相比,该算法不仅获得更高的输出信干噪比,还获得了预先设定的展宽零陷。     

四基元宽频带恒定束宽声基阵

本文详细介绍由四个具有余弦规律变化指向性图的基元所组成的声基阵结构,其各个基元的声轴俟个相互错开90°,从而实现波束全方位覆盖,并利用振幅法测向原理达到对入射声信号的方位检测。基阵后挡是特殊成分的反声泡沫橡胶。实践证明,合适的后档尺寸可以在频率为8:1倍率范围内获得束宽恒定。本文还对于基阵结构作了数学模拟,理论计算与实测数据吻合比较好。     

无源声呐稀疏阵无栅瓣性能分析

计算机模拟、实际声呐信号和理论分析证明了在无源声呐中只要信号带宽足够宽(带宽大于1个倍频程),无源声呐中用稀疏阵,即基元间距大于信号波长的基阵,波束图中不会出现栅瓣特性。白化目标信号可满足尽量宽的信号带宽,有利于无栅瓣波束的设计。结论是只要保证足够宽的信号带宽,无源声呐工作频段中最高频率的波长可小于基阵中阵元间隔而可使阵波束特性不出现栅瓣。     

一种最佳空间滤波器的实现

根据最佳检测理论以及绝对最佳空间滤波器概念,给出了一种最佳空间滤波器的完整表达式。利用真实舰船航行辐射噪声作为目标及干扰,正态分布高斯白噪声作为噪声背景,在基元等间隔线阵上实现了最佳空间滤波器。给出了不同情况下常规波束形成及最佳空间滤波器处理基阵输出波束图。海上试验数据的实验室分析证明,此最佳空间滤波器能够有效地抑制弱信号附近空间不同方位的数个强干扰,完成指定弱信号的检测,而且该最佳空间滤波器可以方便、实时地在现役数字化声呐装备上实现。     

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。     

特定频率响应FIR滤波器的设计及其在水声中的应用

在水声信号处理中，有时普通滤波器不能够满足应用要求，需要利用具有任意的给定频率响应的滤波器，本文利用自适应方法设计具有给定频率响应的FIR滤波器，将将该方法设计的滤波器用于产生宽带信号的精确时延信号和进行时域宽带波速形成，使用效果较好。该类滤波器使用非常有效。而且计算量小，易于工程实现。     

水声共形阵辐射指向性计算方法及其实验验证

用边界元方法,给出了水声发射换能器共形阵各阵元的单元指向性以及基阵的自然波束指向性和束控波束指向性。首先建立了换能器共形阵的边界元模型,并根据换能器结构和声传播介质建立了模型的边界条件,计算了其辐射指向性。然后在消声水池中对共形阵各阵元以及基阵的辐射指向性进行了实验测量。将理论计算结果与实验测量结果进行了对比,二者吻合得比较好。研究结果表明:基于边界元方法建立的模型及计算方法,对基阵的辐射指向性进行理论计算和预报是可行的。     

光数字相干接收机中色散补偿模块设计与优化

在高速光纤通信数字相干接收系统中,色散补偿模块的结构和性能将直接决定其是否具有实用价值.设计了比传统的有限脉冲响应(FIR)滤波器结构简单的偶对称型FIR滤波器,并通过数值仿真分析了FIR滤波器长度选取对补偿效果的影响.研究结果表明,在接收端光信噪比(OSNR)代价不高于1 dB的情况下,FIR滤波器长度折衷选取为最大...     

宽带恒佬束宽的乘幂阵

无源声呐站中,为使宽带目标噪声在主波束内不产生谱的线性失真,基阵需实现宽带束宽恒定.通常可以用频率加权法调节基元的权系数,实现束宽恒定.就线列阵而言,有线性组合     

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%。