基于刚性圆柱上均匀圆阵的改进MUSIC算法

探讨了存在障碍物时声源波达方向估计问题。以环绕在刚性圆柱上的均匀圆阵为阵列模型,从声波的传播和扩散原理出发,在对声场特性的分析中将声学原理和阵列信号处理技术相结合,分析了刚性圆柱体散射声场及其分解,以及刚性圆柱体对圆阵响应的影响,在对声场分解所得到的特征波束空间,利用实值MUSIC算法实现了声源波达方向估计。该算法能较好地估计出空间多个声源的波达方向,并且具有计算量小,估计精度高和解相关声源的能力。计算机仿真结果验证了算法的有效性。     

基于特高频天线阵列的局部放电信号定位方法及影响因素分析

基于移动式特高频(UHF)天线阵列的敞开式变电站局部放电巡检与定位系统获得应用,但天线间距一般较小,使放电源距离定位准确度较低。文中提出了基于时差法的放电源波达方向估计方法,利用两对相交天线UHF信号入射角与方位角、俯仰角的几何关系,推导得到方位角与俯仰角的计算公式;为了分析时差误差对方位角及俯仰角估计误差的影响,建立了基于蒙特卡罗法的波达方向估计误差仿真模型,进而对放电源位置、阵列尺寸及天线阵列布置对方位角与俯仰角估计准确度的影响进行分析;实验测试了方位角与俯仰角的估计准确度,最后将其应用于现场220 kV变电站的局放检测。分析结果表明,随放电源俯仰角增大,方位角估计准确度降低,俯仰角估计准确度升高;阵列尺寸大于1 m×1 m时,可以获得较高的估计准确度;矩形阵列是波达方向估计的最优阵列型式。实验结果表明,对于尺寸为4 m×2 m的矩形与菱形天线阵,方位角估计误差均4°,对于尺寸为0.7 m×0.7 m方阵,俯仰角大于20°时其估计误差10°。     

基于MUSIC和ESPRIT算法的DOA动态布站

DOA估计是阵列信号处理领域中的一个研究重点。阐述了波达方向（DOA）估计中2种经典算法多信号分类算法（MUSIC）和旋转因子不变法（ESPRIT）。在噪声是均值为0、方差为05的高斯白噪声下进行了MUSIC算法的空间谱估计,准确地估计出3个来波信号的方向。同时,通过改变信噪比计算不同信噪比下MUSIC与ESPRIT算法估计结果的均方根误差,得出MUSIC算法与ESPRIT算法估计结果相比精度更高,但运行速度较慢。在相同信噪比下,改变阵元数,观察对两种算法均方根误差的影响,得出两者呈正相关。最后分析了在实际应用中外辐射源雷达系统常常使用两部或多部雷达布站,因此多舰艇编队的动态布站问题可以看作布站形式和平台机动的综合问题。分析了外辐射源多站系统在DOA体制下以几何精度因子表征为布站指标的探测精度,解决海基多站DOA动态布站问题。     

基于声传感器阵的舰船被动定向研究

在被动声探测设备中声传感器阵对舰船目标宽带噪声源的精确定向取决于时延估计的精度,针对这一问题,将自适应参量模型算法与变步长的 LMS算法相结合,提出了一种可高精度估计任意时延,且收敛速度快的时延估计算法.结合舰船辐射宽带噪声,以正四面体声传感器定向阵列为例进行了计算机仿真,仿真结果表明：该方法估计所得的方位角误差小于0.1°,俯仰角误差小于1°,实现了对舰船目标宽带噪声源的精确定向,具有很好的工程实用价值.     

一种基于四阶累积量的声定向方法

针对深水钻井隔水管监测系统水下测点的声定向问题,建立了空间任意结构阵列的数学模型,分析了阵列信号的四阶累积量特性,提出了一种基于四阶累积量的空间任意结构阵列MUSIC算法,可对多于阵元数的空间多目标源进行二维波达方向估计,并能够有效抑制高斯色噪声。以一种空间结构的四元立体阵为例进行了计算机仿真,实现了对空间四个不同方向目标的二维波达方向估计,且对高斯噪声的抑制性能优于二阶统计量MUSIC算法。     

基于遗传算法的波达方向估计的圆阵优化

在保证估计精度的前提下,提出利用遗传算法优化双圈圆阵,减少波达方向估计的阵元数以及计算阵元位置。在单源和多源人射条件下,为了探测阵的主瓣宽度或最大旁瓣水平尽可能小,对双圈圆阵进行了稀疏优化。仿真结果标明：优化阵的主瓣宽度比原始阵小1°左右,最大旁瓣水平降低近3dB,而且优化后的阵列在不同频率和低信噪比情况下仍具有较好的DOA估计性能。     

相位匹配原理在油中局放超声阵列信号测向中的应用

电气设备油中局放超声阵列定位是目前的研究热点,而高精度的局放超声阵列信号测向结果(波达方向估计)是准确定位的基础。首先简要介绍了相位匹配原理,并分析了基于该原理的局放超声阵列信号波达方向估计方法;然后针对不同阵列孔径和不同信噪比,仿真研究了该方法的波达方向估计精度,结果表明,在小阵列孔径(4×4排列)、低信噪比环境中,该方法的估计误差很小,明显优于相同环境下的多重信号分类(MUSIC)算法;最后搭建了实验平台,在信噪比约为20dB的环境中进行研究,多次实验的估计误差为3°左右,验证了该方法的正确性。     

基于AEKF滤波与H∞滤波的锂离子电池SOC联合估计

锂电池荷电状态（SOC）的准确估计对提高电池的动态性能和能量利用率至关重要。针对现有卡尔曼滤波SOC估计方法存在估计精度低、鲁棒性差等问题,采用锂离子电池的二阶电阻-电容等效电路模型,通过HPPC循环脉冲实验和动态应力测试工况放电实验,结合带可变遗忘因子的递推最小二乘法（VFFRLS）及开窗理论,对等效电路模型参数进行在线辨识,提出利用自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）算法和H_∞滤波算法联合估计SOC的方法。结果表明：与AEKF算法相比,在DST工况下该算法可以使电池荷电状态估计的最大绝对误差减小3.902 9%,平均绝对误差减小0.962 2%,均方根误差减小0.551 5%。与H_∞滤波算法相比,在DST工况下该算法可以使电池荷电状态估计最大绝对误差减小1.309%,平均绝对误差减小2.893 4%,均方根误差减小2.613 6%。     

一种直线型超声阵列信号测向方法及其应用

提出一种直线型超声阵列信号测向方法.首先,利用FastICA算法对超声阵列信号进行去噪;然后,采用双边相关变换(two-sided correlation transformation,TCT)算法对其进行聚焦处理,实现宽带信号方位信息的累积;接着采用FastDOA对聚焦后的窄带信号进行波达方向估计.在此基础之上,研究该测向方法在电气设备局放检测中的应用,先在不同信噪比下仿真直线型局放超声阵列信号的测向精度,结果显示误差约为2°;通过多次实验,表明该方法的实际测向误差约为3.5°,证明了该方法的正确性.     

基于稀疏加权重构的互耦阵列方位估计算法

为降低阵元互耦对目标方位估计的影响,提高估计精确度,提出了一种基于稀疏信号加权重构的多目标方位估计算法.该算法将空间以1.为间隔,划分为网格.利用空域目标方位的稀疏性,给出了基于Capon谱函数的加权值选取方法.然后,运用稀疏重构方法和奇异值分解方法对信号进行降维处理.最后,通过L1范数约束优化模型进行DOA估计.仿真结果表明,相比于传统算法,所提出的算法具有更高的方位估计精度、更低的均方根误差,能更好地抑制阵元互耦对目标方位估计的影响.     

近场声源三维定位MUSIC算法研究

信号到达方向(DOA)估计是阵列信号处理的最主要目的之一,基于语音阵列的DOA估计与传统的窄带远场信号的DOA估计在信号模型和处理方法上有很大区别.本文把经典的MUSIC算法推广到语音阵列处理中,实现了声源三维定位.该算法的基本思想是:把宽带语音信号通过短时傅立叶变换转换为独立离散频率点,利用MUSIC算法求出每个/部分频率点的空间谱矩阵,然后加权平均这些空间谱矩阵.通过搜索该平均空间谱矩阵,找到信号源的位置.最后,在16元均匀圆环阵的情况下,选用双语音信号源进行了仿真.仿真结果表明,该算法定位性能优良.     

波束域相位中心互相关DOA估计方法

为提高多波束测深声呐回波到达角度(DOA)的估计性能,将三排阵测深侧扫声呐的相位中心互相关技术与多波束测深声呐的波束形成技术相结合,提出了一种新的波束域相位中心互相关DOA估计方法;并将该方法与传统相位差测向方法进行了比较,且推导出了两者的数学表达式;通过理论分析和仿真研究指出新方法能同时获得较大的相位非模糊区间和较低的DOA估计误差,有效提高了回波DOA的估计性能;对湖上试验数据的处理结果进一步表明该方法具有工程实际应用的有效性和可行性。     

2D‐DOA estimation performance using split vertical linear and circular arrays

This paper presents a new approach to reduce the computational complexity in two‐dimensional (2D) matrix pencil (MP) method for direction of arrival (DOA) estimation of plane wave signals using a combination of vertical uniform linear array (VULA) and uniform circular array (UCA). By applying phase mode excitation based beamforming to the UCA, we can apply the matrix pencil (MP) method to the beamspace data using only a single snapshot. The technique is based on the split array, which is composed of two perpendicular arrays. The vertical uniform linear array used to determine the elevation DOA components is located perpendicularly at the center of the uniform circular array in the horizontal plane used to calculate the azimuth angles. Unlike common planar and circular arrays, this antenna array with its particular geometry requires no pair‐matching between the azimuth and the elevation angle estimation and can also remove the drawbacks of estimation failure problems. Using this particular geometry for the 2D MP method leads to an efficient computational methodology for real‐time implementation on a digital signal processor. The obtained simulation results of the MP method applied to both uncorrelated and correlated narrow‐band sources in the presence of white noise show good performance estimation. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

基于CS阵列的DOA估计

基于目标在空域分布稀疏的性质,通过引入压缩感知(Compressive Sensing或Compressive Sampling,CS)理论的思想,提出一种基于奇异值分解的压缩采样阵列(SVD-CSA)DOA估计算法。首先建立DOA压缩感知模型,根据阵列结构建立过完备原子库,然后对压缩采样阵列结构输出的数据矩阵进行奇异值分解,最后基于范数约束的最优化问题的目标函数将信号子空间分解到最佳基向量上,实现了空域信号DOA的高分辨估计。相对于已有算法,该算法减少了硬件复杂度,具有较低的运算量,且能够对相干信号进行有效DOA估计。实验仿真验证了其有效性。     

大型变压器局部放电多目标定位实验

为了解决大型变压器内部局部放电源难以准确定位的问题,进行了以变压器内部同时存在多个放电源的定位为对象,通过传感器阵列接收放电源辐射的超声波信号,应用阵列信号处理技术中的空间谱估计理论,分析阵列传感器所接收信号的特征信息,实现局部放电的多目标定位的研究。研制了4阵元均匀等间隔线阵,建立了局部放电定位实验系统,针对单放电源和二个放电源的不同情况,对放电源空间位置进行了定位模拟实验。实验结果表明,该法具有良好的定位准确度,能有效地估计出变压器内多个放电点的空间位置,可实现电力变压器内部多局部放电源的定位,为变压器内多局放源的定位建立了实验研究基础。     

自动导引车电池管理系统设计

设计了一种用于自动导引车（AGV）的100 Ah 磷酸铁锂电池管理系统（BMS）。介绍了BMS系统组成和软、硬件设计,讨论了动态均衡和荷电状态（SOC）估算的实现方法。试验结果表明,系统单体电压检测精度2 mV,均衡电流最大10 A,SOC估算误差小于5％,具有良好的可靠性和实用性。     

基于改进二维 MUSIC 算法的蓝牙信号到达角估计

蓝牙技术联盟在蓝牙 5. 1 规范引入寻向功能,为大幅提升蓝牙定位技术的精度提供了新的解决途径,但并未对信号的 角度测量算法提供统一方案。 针对低功耗蓝牙在室内环境多径干扰下到达角估计困难这一问题,提出了一种面向矩形阵列的 改进二维 MUSIC 算法,通过对矩形阵列天线阵元进行二次划分,采用前后向平滑的方法修正一维子阵的协方差矩阵,再利用接 收信号矩阵的广义逆求出各个子阵协方差的关系,从而修正整个阵列接收信号的协方差矩阵。 该算法在没有降低信号协方差 矩阵维数的同时,恢复了信号协方差矩阵的秩,有效抑制室内多径信源引起的干扰。 经过仿真实验,证明了本文算法在低快拍 数、低信噪比的情况下对角度估计的精度有着较大改善。 并设计了相应的硬件系统进行室内与室外的实验,结果表明在多径干 扰严重的室内定位时定位精度改善更为明显,室内定位圆概率误差降低了 26. 75% ~ 60. 25%。 仿真和现场定位实验证明了本 文提出角度估计算法的有效性,该算法对其他应用领域的来波方向估计也具有重要参考意义。