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) 。     

逆波束形成的旁瓣抑制

为了降低普通逆波束形成旁瓣,提出了一种新的旁瓣抵消技术。该技术利用指向性函数中的旁瓣部分去估计声场的响应,然后从基阵估计的声场减去这部分指向性函数旁瓣估计的声场,从而得到最终的声场估计。由于较多的旁瓣响应被估计的声场扣除,最终估计的声场中的旁瓣大大降低。利用该技术可有效地抑制干扰,同时又可保持普通逆波束形成的方位高分辨力。湖试结果显示了该技术的有效性和可行性。     

采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法

为了减小常规波束形成所需的庞大计算量以实现快速成像,本文提出了一种新的波束形成算法——分级聚焦波束形成。将基阵划分成各级子阵分级进行处理,对较短的子阵进行远场近似处理,逐级合并子阵进行子阵间的近场聚焦波束形成,并逐级进行波束插值。MAT- LAB仿真计算结果表明,分级聚焦法与常规波束形成相比,计算量和数据存储量大幅下降。该方法尤其适用于多焦点近场聚焦的场合。     

用于自适应波束形成语音增强的球谐域掩蔽函数估计方法

提出一种用于球形阵列自适应波束形成的掩蔽函数估计方法。该方法利用包含空间信息的球谐系数提取低维空间向量,并采用复高斯混合模型和深度学习两种方案来估计掩蔽函数,最终利用估计的掩蔽函数设计最小方差无失真响应波束形成器,以达到空域滤波的效果。理论分析和仿真实验证明,对于相同时长的声信号,球谐域掩蔽函数估计方法的计算复杂度比传统阵元域估计方法低了一个数量级。并且在大部分声场环境中,尤其在低信噪比情况下,所提方法的语音质量感知评估测度得分、分段信噪比和短时客观可懂度明显高于阵元域方法,三者最高分别可提升1.31 dB,4.54 dB和35%。另外,实际声学环境的测量实验也验证了所提方法在不影响可懂度的条件下比传统阵元域方法具备更高的降噪量。     

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。     

基于近场聚焦逆波束形成的UUV平台噪声自适应抵消

UUV平台自噪声会对舷侧阵产生干扰,从而影响其探测性能,本文针对平台尾部自噪声源的直达噪声和海面反射噪声,提出了基于近场聚焦逆波束形成的平台噪声自适应抵消方法。文中利用UUV平台设计参数、深度以及运动姿态信息对尾部自噪声传播到舷侧阵的路径建立几何模型,并分析了影响该路径的因素;通过该模型,平台尾部自噪声能够实时自适应地通过聚焦波束形成被估计出来,从而在舷侧阵的接收信号中实现干扰抵消。仿真结果与海试实验数据处理结果表明,该方法能够有效抑制尾部自噪声干扰,显著提高UUV探测弱目标的能力。     

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。     

联合通道随机关闭和反卷积的水平阵波达方位估计

针对阵元位置失配时反卷积常规波束形成方法会在旁瓣位置产生能量较高的伪信号特征的问题,提出了一种联合通道随机关闭和反卷积的水平阵波达方位估计方法,计算不同方向的加权向量时在阵列孔径不变的前提下随机关闭一定数目的阵元。该方法能保持点传播函数字典矩阵在对角线附近的结构不变,在矩阵其他区域引入噪声,从而抑制伪信号特征的产生。仿真实验证实,在可工作范围内,该方法相比于反卷积常规波束形成能大幅抑制背景能量,显著提高目标信号峰值背景对比度。此外,利用SWellEx96实验数据进一步验证了该方法抑制背景能量和实现目标信号检测的优良性能。     

一种面向声纳群目标检测应用的盲波束形成改进算法

随着水下自主航行器（UUV）及其声纳检测系统的智能化水平的提高，多UUV协同工作成为重要的研究方向，阵列信号处理中的盲波束形成理论可用于处理该类问题。Coviello提出了一种便于实时应用的盲波束形成算法，但其算法适用面窄，本文通过阵元对理论对其算法加以改进，以适应UUV间的位置误差，从而改善UUV群对目标方位的被动估计能力。仿真实验显示，改进算法在保持Coviello算法良好性能的前提下具有更广阔的适用性。     

球谐域自适应混响抵消与声源定位算法

提出了一种基于球谐域的自适应混响抵消与声源定位算法,该方法通过去混响处理改善语音质量,并提高球谐域定位算法在混响环境下的定位性能。推导了基于多通道线性预测的自适应混响抵消算法在球谐域的表达式,针对刚球模型提出分阶处理的去混响方法,并对去混响后的信号进行波达方向估计。采用32元球阵的仿真结果表明,相比于球谐域不分阶去混响方法,该方法最大可减少约2/3的运算量,同时语音PESQ得分及SRMR均显著提高。利用实验数据对算法性能进行测试,实验结果验证了该方法在实际声学环境中去混响和声源定位的有效性。     

扩展拖曳阵宽带频域逆波束形成技术研究

为了提高扩展拖曳阵在低信噪比下对目标的探测性能,本文将基于扩展拖曳阵方法的被动合成孔径技术与宽带频域逆波束形成技术进行了结合,形成了一种新的被动合成孔径测向技术,有效地提高了扩展拖曳阵技术的探测性能,改善了传统基于被动合成孔径测向技术在低信噪比下性能急剧下降的问题,在低信噪比下获得了更高的方位分辨率,同时对于多目标及弱目标检测能力也更为优异。计算机仿真和海试数据的处理都证明了这一算法的良好性能。     

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。     

三维空间非同步测量高分辨率声成像方法

为解决三维空间中声源成像分辨率低的问题,提出一种基于非同步测量的三维空间声成像方法。该方法首先通过移动球形传声器阵列扫描空间分布的声源,然后利用非同步测量技术近似得到大孔径、高密度的传声器阵列测量结果,最后通过传统波束形成算法成像。仿真及实验结果表明,该方法与单次测量下的波束形成方法相比,聚焦性能更好,空间分辨率高,可实现三维空间中声源分布的高分辨率成像;同时,该方法成像结果可替代多阵列的同步测量结果,无需参考传声器,避免了使用参考传声器在增加通道数量以及空间布置问题上的局限性。