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。     

任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成新方法

提出了一种任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成的新方法.该方法把任意结构阵列的响应向量表示成以Bessel函数为核函数的级数之和,并将高阶项截断,然后把频带内各个频率点上的阵列响应向量转化到参考频率上,从而得到恒定束宽波束形成向量,使得各个频率上的波束和参考波束相同.同时,本文还给出了一种基于自适应处理的参考波束优化方法.结合均匀分布离散国阵所作的计算机仿真验证了本文所提方法的有效性.     

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     

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。     

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。     

圆阵快速数字多波束形成

在时域上实现多波束形成,其运算量与系统时空采样点数的平方成正比.木文提出以“交迭-贮存”的方法计算输入信号与时延横向滤波器脉冲响应的卷积,再根据Farrier等人的工作,用FFT算法完全实现时域上的圆阵多波束形成.因此在节省运算量的同时,保证了结果的准确.文中给出了计算机模拟计算的结果,同时还提出了一种非整数倍采样周期时延的方法,改善了指向特性.     

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。     

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,有线性组合阵和傅里叶变换阵。本文的高次乘幂方法也是一种较简单的频率加权法。同时对于任何给定频率的指向性零点、副瓣级等可以从底阵方便地作出预言或控制。     

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。     

逆波束形成在圆阵中的应用

本文讨论将逆波束形成算法应用于圆阵，给出了圆阵FIM（Fourier Intergral Method）积分方程的近似解，并通过滑动平均进一步改善了逆波束形成算法。仿真结果表明：本文所采用的逆波束形成算法旁瓣比常规波束形成算法低4dB，空间方位分辨力提高约1／3。算法的性能通过海试数据处理得到了进一步验证。     

刚性圆柱体上圆阵波束形成性能分析

以环绕在刚性圆柱体上的均匀圆阵为阵列模型,分析了刚性圆柱体对圆阵响应的影响,在声场分解所得到的相位模式空间,推导了相位模式波束形成阵列和延迟求和波束形成阵列的白噪声增益和指向性指数的定量表达式,分析了它们在不同频率段的变化规律。在存在和不存在刚性圆柱体两种情况下,对两种阵列性能进行了对比分析。研究了圆阵与圆柱体之间存在间隙时对阵列接收信号及阵列性能的影响。仿真结果表明,在两种情况下相位模式波束形成处理都具有频率不变的指向性,但在低频段牺牲了阵列的鲁棒性;延迟求和波束形成处理在整个频率段具有较好的鲁棒性,但随频率的降低其波束指向性下降,直至变成各向同性阵列。存在刚性圆柱体时,两种阵列鲁棒性均有了一定的提高,前者的指向性不变,而后者的指向性得到了提高。圆阵与圆柱体之间的间隙会降低阵列在高频段的鲁棒性。     

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。     

基于嵌套阵的宽频带恒定束宽快速处理算法

针对宽频带阵列信号处理中的恒定束宽波束形成问题,本文首先分析了几种常见的实现方法,然后重点介绍了基于嵌套阵的组合滤波算法,并指出该算法在多倍频程实时处理应用中面临计算资源不足的限制。本文的重点是在分析原有算法的基础上,对基于嵌套阵的组合滤波算法提出了一系列的改进,改进后的算法在保证精度的前提下,对七倍频程嵌套阵信号的处理时间缩短为原型算法的3.25%。经过试验验证,其处理速度、处理精度以及波束恒定效果都满足设计和使用要求。     

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。     

宽带参量阵的实验研究

本文介绍了载波脉冲列的自解调实验,得到如下的结果:(1)当占空比小于1时,参量声压随脉冲占空比的增加有极大极小的变化,极值的数目和位置与脉冲键空频率、滤波器中心频率及其带宽有关.(2)当占空比较小致使脉冲列中的单个小脉冲宽度较窄时,参量信号波形上下不对称.(3)当占空比为1时,参量信号为两个N形状的脉冲,它们的位置处在原波脉冲的两个边缘附近.     

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。     

改进的高分辨逆波束形成算法在圆阵中应用

针对常规逆波束形成不能突破瑞利限问题,相关学者提出一种基于自回归模型的逆波束形成算法来改善逆波束形成算法的方位分辨率;但在实际应用中,该算法的检测性能比逆波束形成算法差。对此,本文通过修改自回归模型来改善基于自回归模型的逆波束形成算法的检测性能,并将其应用于圆阵中。改善后的算法在保证对目标方位高分辨率检测的同时,在较低信噪比条件下可实现对目标方位的有效检测。理论分析和数值仿真验证了改善后的算法相比基于自回归模型的逆波束形成算法在检测性能提高了近10log(2K 1)dB( 2K 1 为虚拟线阵阵元数) 。     

随机线列阵的波束形成

为解决拖曳线列阵基元位置不定性问题,本文给出模拟阵形时空曲线方程和信号时空采样矩阵,求出随机化处理平均波束图,将理论模拟和试验结果作了比较,得到阵形变化和畸变损失的定量结果.还给出阵形估计的一种模型,并进行动态补偿的试验研究.结果表明,对中等畸变低速拖曳的小型线列阵,动态补偿可以得到4dB的增益改善.     

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。     

声矢量传感器阵宽带相干信号子空间最优波束形成

提出了基于矢量传感器阵的宽带相干信号子空间最优波束形成。建立了矢量传感器阵的宽带阵列信号模型,将宽带聚焦思想引入到了矢量传感器阵宽带处理,证明了矢量传感器阵与声压传感器阵宽带聚焦矩阵之间的关系,为矢量传感器阵宽带聚焦矩阵的构造提供了一种方法。推导了基于矢量传感器阵宽带最优波束形成的空间谱,通过空间重采样方法实现矢量传感器阵宽带聚焦,避免了对目标源方位的预估。通过仿真验证了矢量传感器阵具有更优越的性能:可以解宽带相干源;能够实现全空间无模糊定向;可以空间欠采样,因而在不增加计算量的基础上,能够提高阵列处理的性能;克服了传统声压传感器线阵端射方向上,目标方位估计性能下降的缺点。