数字波束形成算法仿真实现

从讨论波束形成方法在声系统中的主要作用和主要形成过程入手，介绍几种具体实现波束形成的算法。主要讨论一种能够降低硬件要求的波束形成算法——正交波束形成算法。此种方法不但适用于声系统，对于其他检测系统也有一定的实际意义。给出几种主要波束形成算法的Matlab仿真实现程序，将按照此类方法仿真所得到的波束形成指向性图与理论指向性图比较，两者非常类似。     

聚焦波束形成声图测量原理研究

提出聚焦波束形成技术,研究了近场条件下目标噪声源的分布图(声图)的测量方法。为了克服多途干涉对声图质量的影响,分别采用了虚拟时间反转镜和虚阵声图测量技术。研究结果表明,这两种方法均能很好地抑制多途,用水平直线阵能够测量出目标噪声源在水平面内的声图,有较高的分辨力。     

双面声阵列波束形成的正则化改进算法

双面声阵列波束形成能够区分识别位于不同扫描平面的相干声源,然而该算法在低信噪比条件下识别精度较低。针对此问题提出一种迭代正则化改进算法,通过迭代方法更新正则化矩阵与波束形成输出,在不断提升正则化稳定性、抑制干扰旁瓣的基础上使声学云图主瓣向实际相干声源点处聚焦。数值仿真与实验算例结果显示,改进算法在中高频代表频率下能够正确区分相干声源前后方位,并具有相对原算法更高的识别精度。从而表明:从反问题正则化角度对原算法进行优化改进是理论可行的;正则化矩阵的具体形式与广义逆波束形成输出的空间分辨率紧密相关,且可通过迭代方法将二者整合以提高声源识别精度。     

近场子空间聚焦的碰摩故障声发射定位方法

针对宽带多源声发射信号的相干、多模态和能量衰减快问题,提出一种近场多重相干信号子空间聚焦的定位算法用于碰摩故障声发射源的定位检测。首先,为滤除干扰模态波、减小频散效应,采用基于模态声发射传播特性分析的小波分解滤波方法,从碰摩初期的声发射信号中获取零阶模态波及波速用于定位计算;其次,为实现信号解相干,提出基于双边相关变换(TCT)的近场聚焦矩阵估计方法;最后,针对声发射信号的能量衰减快问题,利用近场基于特征分解的多重信号分类(N-MUSIC)的空间谱估计方法来实现声源的精确定位。理论分析和实验结果表明:该方法定位精度高、计算复杂度低、稳定性强,能有效识别多个相干碰摩声源。相比传统相干子空间算法(CSM),该方法减少了信号初值和聚焦频点的计算量,对双声源的分辨概率较现有修正近场多重信号分类算法提高了17%,是一种有效的碰摩故障源检测方法。     

有限采样下低频声源聚焦波束形成的定位研究

依赖于基阵协方差矩阵的算法,要求有足够样本容量来实现稳健的性能。针对常规聚焦波束形成在低频段分辨能力不足以及有限的数据长度,本文研究了一种基于最小方差无失真响应(MVDR)的重叠分子阵算法。仿真实验表明,重叠分子阵MVDR算法在低快拍数、低信噪比情况下,稳健性优于全阵列MVDR算法。在海试数据中,利用一条孔径为109m的光纤水听器阵列,验证了该算法可以在低快拍数下对50m内低频段100～200Hz的目标实现分辨率为0.5m的近场定位。     

利用近场MVDR双聚焦波束成形方法实现被动测距

本文分析了近场环境下基于双聚焦波束成形的水下被动测距方法。通过修正MVDR方向矢量,得到了适用于近场环境的MVDR。仿真实验证明近场MVDR双聚焦波束成形测距方法优于普通波束成形和远场MVDR双聚焦波束成形,能明显减小目标距离估计的模糊区域。在相邻两个日标的定位性能上,MVDR双聚焦波束成形技术也比MVDR单聚焦系统体现出更大的优势,能较好地分辨目标。     

聚焦条件下的高斯波束矩形口径天线近场分析

 采用口径场法对聚焦条件下具有高斯波束的矩形口径天线近场进行了分析,得到了聚焦条件下的近场场强分布与近场增益解析式,并对不同的聚焦位置进行了仿真。结果表明：在近场区,聚焦位置离轴向越近,其场强越强,且增益越大,聚焦位置沿轴向时其场强与增益皆为最大;反之,聚焦位置离轴向越远,其近场场强与近场增益越小。因此,通过聚焦可以显著提高天线口径面场的近场场强与增益指标,从而提高天线系统的有效作用距离。     

聚焦条件下的高斯波束矩形口径天线近场分析

采用口径场法对聚焦条件下具有高斯波束的矩形口径天线近场进行了分析,得到了聚焦条件下的近场场强分布与近场增益解析式,并对不同的聚焦位置进行了仿真。结果表明：在近场区,聚焦位置离轴向越近,其场强越强,且增益越大,聚焦位置沿轴向时其场强与增益皆为最大;反之,聚焦位置离轴向越远,其近场场强与近场增益越小。因此,通过聚焦可以显著提高天线口径面场的近场场强与增益指标,从而提高天线系统的有效作用距离。     

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。     

早期乳腺肿瘤的超宽带微波稳健波束形成成像检测系统

提出了一种基于自主设计小型超宽带天线的微波稳健波束形成(RCB)成像肿瘤检测系统.仿真结果表明,该检测系统对肿瘤反射信号有很高的敏感度.在简单平面模型和核磁共振成像图(MRI)导出模型中进行仿真检测实验,并将天线阵列接收信号用RCB算法进行成像处理.从乳房重构图像中能够得到正确的肿瘤位置及大小信息,实现了平面模型中最小直径3 mm和MRI导出模型中最小直径4 mm的肿瘤检测,证实了该检测系统用于早期乳腺肿瘤检测的可行性.     

合成近场校准基阵的方法研究

本文利用单根的束控线阵来构造一个虚拟近场校准基阵,使换能器能在它的近场直接测量辐射声场特性。通过利用改进的矩阵稳定技术,解决了求解束控线阵的束控系数时最小二乘解的稳定性和实用性问题。借助计算机仿真,研究了特定线阵条件下,合成近场测量基阵（Ｓ－ＮＦＣＡ）的近场空间的平面波均匀性与线阵间的间距、线阵的工作频率之间的关系。并以小球源为阵元合成一虚拟平面ＮＦＣＡ,用它对一平面喇叭换能器的近场测量得到远场指向性,并与远场实测结果比较,得到了相当吻合的结果。     

声屏蔽技术抗拖船干扰

提出了多途信道中的声屏蔽技术,并应用于抗拖船干扰,以克服传统的阵处理办法抑制拖船干扰时所存在的探测盲区问题。把拖曳线列阵接收的拖船干扰和同方位的目标信号在频域通过一个屏蔽聚焦权滤波器,在对干扰屏蔽的同时,对目标聚焦。针对聚焦权实用性差的缺点,又提出了屏蔽非聚焦权,并与常规波束形成做了比较。11元水平阵数据仿真结果表明,该技术提高了处理增益约5 dB;在抑制拖船干扰提高处理增益的同时,理论上也可以消除掉在该方向上强目标干扰形成的探测盲区。     

搜索策略改进的波束形成定位方法研究*

针对传统时差方法定位精度低和波束形成方法定位效率低的问题,提出了一种基于遗传算法和波束形成算法的海洋平台损伤定位方法。通过遗传算法对待搜索区域坐标进行编码、选择、交叉、变异等操作,对波束形成算法的搜索策略进行改进,快速搜索损伤位置坐标。实验证明,与时差定位算法相比,本文方法的定位误差降低了50%;与波束形成算法相比,本文方法的运算时间减少了53%。因此,本文方法在保证定位精度的前提下,提高了算法的执行效率,对海洋平台损伤的实时监测和定位具有一定的实用价值。     

交叉验证多路径匹配追踪水声矢量阵稀疏方位估计

水下运动目标的高分辨DOA估计和目标的左右舷分辨问题一直是水声阵列信号处理中的一个核心问题。矢量阵相比于声压阵具有天然的左右舷分辨能力和更高的处理增益,近年来得到了广泛关注。Capon等一些传统高分辨处理方法存在不能解相干源、需要多快拍处理以及对阵列流行误差敏感等多种问题。针对水声阵列信号处理领域面临的以上问题,利用声呐工作场景中空间目标的稀疏性,本文提出了一种基于交叉验证技术的多路径匹配追踪（Multiplepath Matching Pursuit with Cross Validation,CV-MMP）声矢量阵稀疏DOA估计算法。该算法采用交叉验证技术可以在未知场景中目标个数的条件下实现稀疏DOA的估计,相比于常规的声矢量阵Capon算法而言,可以在小快拍数甚至单快拍数条件下实现多目标的稀疏DOA估计以及高分辨能力。仿真和海试试验数据处理验证了提出的算法的有效性。     

Near-field spatial imaging of the Ni-like palladium soft-X-ray laser

We report on a series of near-field imaging experiments for the nickel-like 14.7-nm Pd X-ray laser that were conducted with the aim to characterize the two-dimensional source intensity distribution and its position relative to the target surface. The effect of different prepulse amplitudes at variable main pulse-to-prepulse delays is investigated. For larger prepulses (2.8% and 8%) the peak emission is moved farther away from target surface with increasing delay whereas for the weak prepulse (0.5%) the position of peak emission remains rather stable over a delay range of several nanoseconds. A great deal of structure was observed in the near-field image. The size of the smallest structures detected is consistent with the coherence length-obtained from the corresponding far-field data – at the output aperture. The measurements are compared to the simulations performed with the LASNEX and CRETIN codes. The LASNEX code is used to calculate the hydrodynamic evolution of the plasma and provide the temperatures and densities to the CRETIN code, which then does the kinetics calculations to determine the gain.     

Near-field beamforming analysis for acoustic emission source localization

This paper attempts to introduce a near-field acoustic emission (AE) beamforming method to estimate the AE source locations by using a small array of sensors closely placed in a local region. The propagation characteristics of AE signals are investigated based on guided wave theory to discuss the feasibility of using beamforming techniques in AE signal processing. To validate the effectiveness of the AE beamforming method, a series of pencil lead break tests at various regions of a thin steel plate are conducted. The potential of this method for engineering applications are explored through rotor-stator rubbing tests. The experimental results demonstrate that the proposed method can effectively determine the region where rubbing occurs. It is expected that the work of this paper may provide a helpful analysis tool for near-field AE source localization.     

纳米颗粒近场空间光谱散射建模与显微成像分析

用非直观偏振参数显微成像,即采用在传统显微光路中插入模式化装置,通过拟合过滤后对所得数据反演成像,通过对金属纳米颗粒在近场空间散射光谱分析,来解决空间散射现象。用非直观偏振参数显微成像与传统直观成像做对比,并通过时域有限差分法建模仿真,来描述近场直观与非直观散射光谱的差异,对比结果发现,非直观偏振参数显微反演成像的分辨率比直观成像更高,不但能够清晰的探测到纳米颗粒的形状和电场分布,而且比直观成像获得更广泛的空间散射光谱。     

半空间球面波函数叠加法重构声源直接辐射声场

提出了基于半空间球面波函数叠加的声场重构方法,以重构含有限声阻抗边界半空间中声源直接辐射的声场。在半空间中多极子声源声压场的解析解的基础上,构造出以边界声阻抗为参量的半空间球面波函数的正交基;通过求逆获得半空间总声压解的基函数系数,同时也获得声源直接辐射声场即自由空间中的基函数系数,进而重构出声源直接辐射的声场。在边界声阻抗已知和边界声阻抗未知两种条件下,对该方法进行了仿真验证和参数分析,并在全消声室内进行了实验验证。结果表明,所提方法能重构出半空间中典型声源即球形声源和平面声源的直接辐射声场;该方法在边界声阻抗已知时的重构精度与稳定性高于在边界声阻抗未知时的情形。     

A novel acoustic emission beamforming method with two uniform linear arrays on plate-like structures

A novel acoustic emission (AE) source localization approach based on beamforming with two uniform linear arrays is proposed, which can localize acoustic sources without accurate velocity, and is particularly suited for plate-like structures. Two uniform line arrays are distributed in the x-axis direction and y-axis direction. The accurate x and y coordinates of AE source are determined by the two arrays respectively. To verify the location accuracy and effectiveness of the proposed approach, the simulation of AE wave propagation in a steel plate based on the finite element method and the pencil-lead-broken experiment are conducted, and the AE signals obtained from the simulations and experiments are analyzed using the proposed method. Moreover, to study the ability of the proposed method more comprehensive, a plate of carbon fiber reinforced plastics is taken for the pencil-lead-broken test, and the AE source localization is also realized. The results indicate that the two uniform linear arrays can localize different sources accurately in two directions even though the localizing velocity is deviated from the real velocity, which demonstrates the effectiveness of the proposed method in AE source localization for plate-like structures.