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。     

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。     

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。     

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。     

线列阵甚宽频带恒定束宽的数字实现方法

线性嵌套阵可以很好地在很宽的频率（N个倍频程，N=7）上实现恒定束宽。这种方法设计简单，又节省线阵阵元。本文给出了线性嵌套阵具体的数字化实现方法，解决了FIR滤波器设计，滤波器时间延迟等问题。由于数字化实现过程中使用了很多组FIR滤波器，计算量很大，文章采用了DSP信号处理板实现数字化算法，利用DSP处理板可以多任务同时处理优势，解决了计算量大的问题。经过实验验证，在DSP上实现的数字化的线性嵌套阵宽带恒定束宽方法满足了工程上实时处理的需要。     

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。     

一种加权稀疏约束稳健Capon波束形成方法

为了克服标准Capon波束形成器旁瓣级高以及存在角度失配时性能急剧下降等缺点, 在稀疏约束Capon波束形成器的基础上, 提出了一种加权稀疏约束Capon波束形成器. 该方法利用波束响应的稀疏分布特性, 在标准Capon波束形成优化模型中加入旁瓣区域波束响应稀疏约束(l₁ 范数约束), 使旁瓣区域波束响应向量中非零元素的个数最小化; 通过阵列采样数据协方差矩阵特征分解得到信号子空间及噪声子空间, 利用信号子空间与噪声子空间的正交特性, 构造加权矩阵对稀疏约束进行加权, 使得稀疏重构时波束响应向量中不同角度对应的元素得到不同程度的约束. 该方法有效地抑制了Capon波束形成器的高旁瓣级, 加深了干扰方位零陷, 提高了阵列输出信干噪比. 由于稀疏约束, 波束响应向主瓣集中, 期望信号方向附近的波束响应都较大, 从而也提高了阵列抗导向矢量角度失配的能力. 数值仿真和水池实验验证了所提方法的有效性.     

基于子带二值加权累积的经验格林函数提取*

提出一种采用子带二值加权累积的海洋环境噪声互相关函数(NCF)提取经验格林函数(EGF)方法。首先将每一快拍NCF在频域划分为多个子带,每个子带内根据“累积后提取的EGF信噪比增加”的准则,确定各快拍NCF的加权系数为0或1,将各子带的加权累积结果谱白化后在频域拼接,再反傅里叶变换得到时域EGF。子带二值加权累积方法实现了每一快拍NCF累积前的频率自动选择,相比于已有的原始累积方法与时域二值加权累积算法,可以有效提高从较宽频率带宽的海洋环境噪声中提取EGF的信噪比。海试实验数据验证了该方法的有效性与优越性。     

采用空间谱加权稀疏约束的稳健Capon波束形成方法

针对标准Capon波束形成器旁瓣级高以及期望信号方向存在误差时,性能会严重下降的问题,提出一种基于噪声及干扰空间谱加权的稀疏约束Capon波束形成方法。该方法利用波束响应本身具有的稀疏特性,以及在稀疏重构算法中l₁范数具有抑制较大值保护较小值的特性,使用噪声及干扰的空间谱对不同角度的波束响应进行加权,然后施以稀疏约束。仿真、水池试验与湖上试验中,与其它几种方法比较表明该方法可以降低波束形成器的旁瓣级,获得较深的零陷,提高了阵列输出信干噪比与抗导向向量误差的能力。     

一种稳健的柔性阵波束形成方法

由于航向、航速的改变以及水流、风浪等因素的影响,柔性线列阵在实际应用过程中阵型畸变是不可避免的。一方面,这种畸变使得许多假设阵型无畸变的波束形成方法的性能受到严重的影响;另一方面,目前很多的阵型估计方法仍不是很成熟,很难准确估计阵元的实际位置。本文提出将柔性阵列分为一段阵元位置已知的子阵和若干段阵元未知的子阵,利用不同子阵接收信号的互相关即可获得所需要的波束形成加权系数,从而在不需要知道阵元确切位置信息的情况下实现目标方法的估计。     

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.     

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.     

A cost-effective approach for spectrum sensing using beamforming

Spectrum sensing (SS) is one of the principal challenges on which the mobile communication is based on. Identifying the available frequency bands, also called white spaces, is the main issue. A novel blind approach for SS in the narrowband context is proposed in order to improve the signal detection. Considering a channel with its angle of arrival (AoA), we use beamforming technique to exploit the maximum and minimum angular energy. Both theoretical developments of the threshold and performance analysis are developed. To validate our contribution, the analytical results of the performance developed in this paper are compared with those from simulation. A comparison of state-of-the-art SS method using the eigenvalue decomposition is provided which brings an interesting trade-off between complexity and performance. Finally, simulation results considering the probability of misdetection under very low signal-to-noise ratio (SNR) are presented.     

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。     

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。     

旋转运动声源的频率波动修正波束形成方法

针对前飞状态的旋翼气动噪声信号频率存在周期性波动,且频域波束形成方法只能应用于稳态声源的问题,提出一种频率波动声源的波束形成方法。该方法利用已知的声源频率变化规律进行频率修正,在时域将频率波动信号等效为单频信号,基于该单频信号进行波束形成声源定位,实现了旋转运动的频率波动声源准确定位。数值仿真结果表明,提出的方法能够在频率波动幅值为127 Hz的情况下准确呈现出声源分布情况。在旋翼模型的风洞试验中,利用提出的频域波束形成方法其声成像结果中声源最大能量位置均在旋转轨迹上,而未进行频率修正的波束形成方法结果无法准确呈现出声源的位置。该方法扩展了频域波束形成方法中的单频声源假设,实现了旋转运动声源在频率波动状态下的波束形成,适用于前飞状态下旋翼气动噪声源的声源定位。