微弱信号源的和波束定向方法与分裂波束定向方法的性能比较

本文讨论水下辐射噪声源的精确定向问题，给出被动声纳和波束定向与分裂波束定向方法的性能比较。指出在一定信噪比下，分裂波束精确测向技术比和波束定向技术具有较高的定向精度。但是，随着信噪比的下降，两者趋于一致。推导了估计定向精度的分析表达式，给出在直线阵和圆弧阵情况下，延时估计和声源入射角偏差之间的换算公式和数值模拟结果。同时给出数字式声纳用以计算入射信号左波束和右波束数据的互谱来实现分裂波束定向的方法。     

数字多波束声呐的一种内插算法

数字多波束声响的每一波束具有固定指向．为了在空间域得到较高的分辨力，减少声呐设计中的硬件开销，波束成形后的内插是十分必要的．本文基于抛物线三点与五点内插的原理，提出一种简单易行，精度较高的波束内插算法，并以直线阵和圆弧阵为例，说明这种算法的实现方法。实际计算机模拟结果表明，本文提出的算法可以改善多波束系统的指向特性，提高对目标的分辨精度．     

基于等离子体的定向天线阵理论与实验研究

当前国内学者对等离子体天线的研究主要集中于柱状天线和反射面天线, 而在国外已有学者以等离子体阵列结构设计了功能多样的智能天线系统. 为了较系统地了解这一新的设计思路, 基于等离子体散射理论对中心单元激励的圆形定向天线阵进行了理论和实验研究. 设计了一个16元等离子体无源振子的圆形天线阵, 实现了天线电磁波单波束和多波束的定向辐射. 通过理论计算和分析, 阐述了天线电磁波单波束和多波束辐射的原理. 通过建立实验系统, 测试了圆形天线阵的定向辐射特性. 实验结果和理论值接近, 说明该等离子体圆形天线阵可以实现天线电磁波的定向辐射和多波束辐射. 另外, 该天线阵还具有快速切换辐射方向、参数快速重构、雷达隐身性良好的优点. 关键词： 等离子体 定向天线阵 单波束 多波束     

交替迭代多约束波束优化设计

声学阵列波束形成器的阵增益、旁瓣级、稳健性等多个指标相互关联,对于包含加权向量范数约束和旁瓣控制的高增益波束优化设计问题,针对传统的内点法波束优化算法硬件实现困难及计算复杂度大等问题,提出了多约束交替迭代求解方法。通过引入辅助变量将范数约束和旁瓣约束解耦合,进而将多约束优化转化为两组单约束优化问题。给出了优化子问题的解析或近似解。理论分析表明,与现有内点优化算法相比,所提方法计算量较小,单次迭代复杂度仅为变量及约束个数的二次多项式。采用仿真和实测的阵列流形验证了设计效果,结果表明所提方法可实现旁瓣级,阵增益和稳健性等多个波束设计指标的合理折中,计算精度与二阶锥规划算法相当,但计算量更小。     

数字多波束目标被动定向仿真技术研究

对被动工作方式来说，目标方向是水下探测系统最重要的估计参数。本文以被动多波束目标方位估计的三波束抛物线法为基础，提出了一种对多波束目标定向进行数字仿真研究的实用方法，该方法包括目标被动仿真信号的产生、被动多波束输出信号的产生、以及被动多波束目标定向等的仿真研究。利用本文开发的仿真软件，进行了大量的仿真试验。试验的结果验证了本文所采用的理论及方法的实用性和有效性。     

一种高效的自适应波束域变换方法及应用研究

波束域变换将阵元域数据投影到一个低维的波束域空间, 不仅能够减小信号处理算法的运算时间, 提高算法性能, 还能够抑制干扰. 本文针对常规自适应波束域变换方法需要在线调整波束变换矩阵、更新波束域导向矢量由此导致实时实现困难的问题, 提出一种高效的自适应波束域变换方法. 该方法将波束域协方差矩阵与导向矢量均表示成不依赖自适应波束变换矩阵的闭合形式, 省去在线调整与更新过程, 使运算效率得到了显著提高. 最后将该方法应用到波达方向(DOA)的估计之中, 仿真研究表明, 本文方法获得了比常规自适应方法更好的DOA估计性能. 此外, 本文方法还具有另一个非常突出的优点, 即它可以有效抑制运动强干扰. 这是因为本文方法无需训练波束变换矩阵, 其当前运算结果与历史快拍数据无关, 这样可以有效避免常规自适应方法中因目标运动所导致的训练数据与应用数据失配的问题.     

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。     

圆弧形面阵自适应波束形成快速计算方法

针对圆弧形面阵估计水下目标二维波达方向的问题,提出一种降维处理的自适应波束形成方法。利用圆弧形面阵模型简化阵列内插矩阵的计算,通过垂直和水平两阶段波束加权,降低自适应波束形成维数,从而实现快速估计声源二维波达方向的目的。仿真结果表明,所提改进方法的计算量较传统二维最小方差无失真波束形成方法降低约一个数量级,且在低快拍条件下具有更明显的噪声抑制优势。湖上实验数据处理结果验证,在复杂水声环境下,所提方法具有较好的目标分辨性能。     

双球粒子对任意入射单波束及双波束的散射

基于广义Lorenz-Mie理论,研究了双介质球粒子对任意角度入射波束的散射.将入射波束用球矢量波函数展开,推导了双介质球形粒子对任意入射单波束的散射方程;将该方法进一步推广,研究了双波束任意入射时的情况.以Gauss波束为例,对以上理论进行了数值验证,比较分析了单波束及双波束任意入射时散射特性随入射方向、球心距等参数的变化关系.     

球谐域混叠消除最优波束形成方法EI北大核心CSCD

为解决现有的球谐域混叠消除波束形成方法设计目标单一、难以很好地兼容多变的应用场景的问题,提出了球谐域混叠消除最优波束形成方法,并建立了其二阶锥规划形式的多重约束凸优化数学模型。得益于该数学模型,提出了旁瓣约束的混叠消除最大指向性波束形成器、鲁棒的混叠消除最大指向性波束形成器、混叠消除最小方差无失真响应波束形成器、零点约束的混叠消除最大指向性波束形成器。提出方法继承了现有球谐域混叠消除波束形成方法的混叠消除功能,且能够在指向性指数、白噪声增益、旁瓣水平等多个冲突的性能指标之间寻求适宜折中,便于用户根据实际应用需求灵活地调整约束参数得到特定场景下综合性能最优的波束形成器。     

双球粒子对任意入射单波束及双波束的散射

基于广义Lorenz-Mie理论,研究了双介质球粒子对任意角度入射波束的散射.将入射波束用球矢量波函数展开,推导了双介质球形粒子对任意入射单波束的散射方程;将该方法进一步推广,研究了双波束任意入射时的情况.以Gauss波束为例,对以上理论进行了数值验证,比较分析了单波束及双波束任意入射时散射特性随入射方向、球心距等参数的变化关系. 关键词： 广义波束因子 双球粒子 Gauss波束     

小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法

提出了一种基于声场多极子展开的小尺寸声矢量平面阵三维波束形成方法。该方法利用了声场的垂直振速信息,并结合球谐波函数与多极子模态之间的联系,可用二维的阵列结构合成指向任意方向的三维波束图,简化了三维波束形成所需的阵列结构。以3×3均匀矩形阵为例的仿真结果表明,在相邻阵元间距小于0.2倍信号波长时,所提方法引入的差分近似误差可被忽略,所得阵列波束图接近理论波束图。相比于声压球面阵三维波束形成方法,所提方法在低频段能在获得相同阵增益的同时有着更好的稳健性,为实现小尺寸阵列的三维波束形成提供了一种可靠的方法。     

高斯波束在光子晶体中的负折射特性分析

为了研究光子晶体中的负折射行为,我们应用2维TM模时域有限差分方法,数值模拟了高斯波束从自由空间垂直入射和斜入射到二维三角晶格光子晶体平板后的折射现象,并给出了平板内外的电场强度分布.模拟结果显示:垂直入射时,光子晶体平板对高斯波束具有汇聚作用,汇聚特性随着波源到晶体的距离的改变而发生显著的变化;斜入射时,折射波束与入射波束也均在法线的同一侧.结果证明了高斯波束在光子晶体和空气的交界面发生了负折射.模拟结果有望在制作聚焦透镜、带通滤波器、耦合器等光子晶体器件方面得到重要应用.     

镶嵌型宽波束换能器

本文描述了一种用于水下运载体上的宽波束换能器的设计方法和实验结果。分析了影响波束开角的因素及变化趋势。所建立的模型可以设计不同工作频率的宽波束换能器。     

基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法

浅海波导运动声源定位研究中,在声源距离未知时估计声源深度一直是个具有挑战性的问题.现有深度估计方法对声源未知初始距离敏感,且要求声源运动形成的水平合成孔径长度远大于模态干涉长度.针对这两个问题,本文提出一种基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法,首先将垂直阵接收声压数据在深度和水平合成孔径方向分别进行波束形成变换到波束-波数域,波束-波数平面的峰值幅度仅包含与声源深度有关的模态激励,峰值位置与模态传播角和水平波数相对应;然后,在波束-波数平面内提取各峰值幅度,并与拷贝计算的模态深度函数进行非相干匹配,实现声源深度估计.所提方法在波束-波数二维平面内进行模态分离,消除了声源距离相关项,提高了模态分辨能力,可在声源初始距离未知和水平合成孔径长度小于模态干涉长度的情况下实现声源深度估计.仿真和SWellEx-96实验数据处理结果验证了所提方法的优越性能.     

稳健宽带波束形成器设计的低阶统计量法*

由于传声器阵列通常对阵元失配误差较为敏感,因此稳健波束形成器的设计已成为传声器阵列处理领域的研究热点之一。概率密度法是目前传声器阵列稳健波束形成器设计中的一类重要方法,但该方法所需的阵元失配误差的概率密度信息在实际中较难获取。针对这一问题,本文研究了基于阵元失配误差低阶统计量的稳健波束形成器设计方法,该方法仅利用在实际中较易获取的阵元失配误差的一阶和二阶统计量信息。本文分别研究了基于阵元失配误差低阶统计量的固定权和变加权最小二乘波束形成器设计,给出了两种波束形成器的相关设计理论。理论和仿真分析表明,在小误差条件下,低阶统计量法所设计的波束形成器仍保持与概率密度法相当的性能。     

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。     

基于平方根算符的2维广角有限差分波束传播法

有限差分波束传播法 (FD BPM)是模拟光在光波导器件中行为特性的重要数值方法 ,它的模拟精度决定于它的帕德 (Pad啨)展开阶数以及计算步长 ,阶数越高或计算步长越小精度就越高 ,但是计算时间就越长。为了在比较低的阶数和适中的步长下获得较高的计算精度 ,从平方根算符出发 ,运用了一些试探性的展开方法对平方根算符进行处理 ,得到 3种 2阶广角波束传播法计算公式 ,数值计算表明这些公式比传统广角波束传播法的 2阶计算公式具有更高的精度 ,而且可以将该试探性处理方法推广到更高阶的广角波束传播法。     

一种波束赋形可调的导航天线设计

提供一种新的调节半功率波束宽度的思路,并设计了一款可实现波束宽度变换以应用于不同波束赋形场景的北斗二号B3频段的导航天线。基于四阵元双馈源的微带贴片天线阵列,在HFSS有限元仿真软件中根据理论进行建模仿真并优化。在保持右旋圆极化的基础上,不用改变阵列的结构,只需适当调节各个阵元激励的幅度与相位,就能实时缩小或者扩大半功率波束宽度,分别实现主瓣方向可调的定向波束赋形与宽波束赋形以应对不同的工作环境,并且具有定向抗干扰能力。仿真结果表明:定向波束赋形与宽波束赋形在B3中心频点的最大增益分别约为7.13,3.56 dBi,半功率波束宽度分别为52°,119°,3 dB轴比宽度分别为90°,166°;在整个B3频段内各个馈电端口反射系数低于?11 dB,相邻端口隔离度低于?28 dB。设计的波束赋形方式可调的导航天线适用于在无遮挡的开阔空间与特定的遮挡环境之间经常切换的工作场景,改善传统的机动式导航终端在“城市峡谷”等高遮蔽角环境下增益较低的缺点。     

电离层调制加热产生极低频/甚低频波定向辐射的理论分析

通过低电离层调制加热能够产生极低频/甚低频(ELF/VLF)波. 基于调制加热理论, 并引入相控阵天线思想, 建立了通过双波束幅度调制模式(DAM)和圆形几何调制模式(CGM)产生ELF/VLF波的定向辐射模型, 并通过与实验数据的对比验证了模型的正确性. 据此模型, 采用HARRP加热阵参数, 对比分析了上述两种定向辐射模式与常规幅度调制模式(AM)之间的特性差异, 并研究了调制频率(f_ELF/VLF)和加热波束与垂直方向倾角(ψ)对各模式的影响. 结果表明: 相对AM模式, 通过合理设置初始相位、f_ELF/VLF和ψ, DAM 模式和CGM模式在实现ELF/VLF信号定向辐射的同时还可以提高其辐射强度, 相对AM模式, CGM模式信号强度最大提高约11.3 dB. 关键词： 定向辐射 双波束幅度调制 圆形几何调制