基于稀疏布阵的实时三维成像声纳系统

水下实时三维成像声纳系统可以有效地提高对水下目标探测及识别的能力,本文提出基于稀疏面阵的实时三维成像声纳系统,该系统包括3个部分:窄带信号发射系统、稀疏布阵接收系统及信号处理系统。信号处理系统在远场情况下采用二维FFT波束形成获得目标三维成像,近场情况下采用自聚焦二维FFT波束形成获得三维成像结果。相比于直接相移波束形成,稀疏布阵情况下采用二维FFT波束形成算法具有更小的计算量和内存需求量的优势。基于该成像算法,设计并实现一套实时三维成像声纳系统,通过多次湖上及海上实验对该系统进行测试,实验结果表明:该系统可以获得水下近场及远场目标的三维图像并满足实时成像的要求。     

小基阵双宽带源波束域相干信号子空间法研究

超低空飞行的武装直升机飞行时的声音信号主要为低频宽带信号。针对宽带信号源的定向问题,以小尺度平面四元十字阵为基础,主要介绍了波束域相干信号子空间算法(BSCSM:Beam Space Coherent Signal-subspace Method),重点研究了双目标宽带源的情况下,该算法在目标方位估计上的应用和定向性能。实验仿真了波束域相干信号子空间法(BSCSM)对双宽带信号源的方位估计及其性能,并与阵元域的相干信号子空间法(CSM:Coherent Signal-subspace Method)的仿真结果进行了分析比较,重点比较了统计意义上的误差和宽带平面波波达角的角度分辨率等性能指标。结果表明,在远场环境下,基于小尺度基阵的双宽带源定向研究中,波束域相干信号子空间法比阵元域的相干信号子空间算法性能更好。     

基于声压贡献的球面阵波束形成声源识别滤波求和算法

运用实心球传声器阵列波束形成技术识别声源时,滤波求和算法提高了传统声压球谐函数角度分解算法的旁瓣抑制性能,但其采用声源强度作为输出,无法直接反映声源对目标接收者的声学贡献,且输出结果是否准确依赖于聚焦距离是否等于源到阵列中心的真实距离。针对此问题,以最小化最大旁瓣为目标,以声压贡献输出的主瓣峰值无畸变为约束条件,构建二阶锥规划优化模型,采用CVX凸优化求解器进行求解获取滤波参数,最终建立以声压贡献为输出的球面阵波束形成声源识别滤波求和算法。仿真及试验结果均表明,该算法实现了声源对目标接收者的声压贡献量化,且量化准确度几乎不受聚焦距离的影响,同时具有优秀的旁瓣抑制性能和良好的空间分辨率。     

预警雷达的盲自适应波束形成新算法

针对预警机PD雷达，提出一种盲目适应波束形成新算法。在未知阵列响应矢量的条件下，利用信号的多普勒信息，估计出期望信号的波达方向。采用此波达方向作为导向矢量，校正ESB波束形成算法的约束导向矢量，从而提高波束形成算法的性能。当期望信号含于相关矩阵时，它能够有效地抑制信号对消现象。它可应用于在波束中有多个期望信号的场合。计算机仿真结果验证了这种算法的有效性。     

基于反问题的正则化波束形成改进算法

基于反问题的正则化波束形成技术能以较高的计算效率得到稳健的声源识别结果。然而由于其正则化解中的正则化矩阵取决于低效的传统波束形成方法,使得基于反问题的正则化波束形成的声源识别结果精准度较低。为了在低信噪比环境下进一步提升其声源识别性能,基于Tikhonov正则化一般形式解提出一种双重迭代优化算法。该算法基于延时求和波束形成算法与互谱运算构造出新的正则化矩阵,并结合迭代方法对新正则化矩阵和波束输出进行优化,最终以较少的迭代步数经两次迭代运算有效提高了声源识别精度和稳定性。最后,通过数值仿真和实验算例,进一步验证了双重迭代优化算法的可行性和有效性。     

水下目标自主连续跟踪与定位算法研究

针对水下无人航行器进行纯方位目标运动分析时难以获取精确稳定的目标方位的情况,研究了实时有效的方位预处理方法。针对水下环境噪声起伏变化的特点,采用自动阈值检测和抛物线波束内插方法获取精确的目标方位;提出了一种预置跟踪算法实现对目标方位的连续检测跟踪,克服了方位历程中可能出现的野值和漏检现象,确保基于修正极坐标的扩展卡尔曼滤波算法(modified polar extended Kalman filter,MPEKF)正常工作。试验结果表明,该方法能够对移动目标进行运动分析,正确获取目标距离、速度信息,误差较小,具有很高的工程价值和军事应用前景。     

确定性采样的矢量水听器阵列舰船目标方位估计

使用较少的硬件电路和计算量实现高分辨率的目标方位估计一直是海域防御系统具有挑战性的研究工作。将压缩感知理论应用于矢量水听器阵列,利用确定测量矩阵建立了确定压缩采样的矢量水听器阵列(DCV)结构,并将其与改进的多重信号分类算法(MMUSIC)相结合,提出了确定压缩采样的矢量水听器阵列的MMUSIC(DCV-MMUSIC)算法。将该算法用于相关或非相关模拟舰船目标的方位估计,通过对算法的可行性、高分辨能力和改变测量次数、信噪比和快拍数等多种仿真,得出该算法可以在低信噪比和小快拍下对舰船目标进行方向估计,并且具有使用硬件电路少、计算量低和估计偏差小等优点。又将其用于实际商船目标的方位估计,得到了较好的方位估计性能。     

基于确定压缩采样的矢量水听器阵列舰船目标方位估计

使用较少的硬件电路和计算量实现高分辨率的目标方位估计一直是海域防御系统具有挑战性的研究工作。本文将压缩感知理论应用于矢量水听器阵列,利用确定测量矩阵建立了确定压缩采样的矢量水听器阵列（deterministic compressive sampling vector hydrophone array,DCV）结构,并将其与改进的多重信号分类算法（modified multiple signal classification,MMUSIC）相结合,提出了确定压缩采样的矢量水听器阵列的MMUSIC（DCV-MMUSIC）算法。将该算法用于相关或非相关模拟舰船目标的方位估计,通过对算法的可行性、高分辨能力和改变测量次数、信噪比和快拍数等多种仿真,得出该算法可以在低信噪比和小快拍下对舰船目标进行方向估计,并且具有使用硬件电路少、计算量低和估计偏差小等优点。又将其用于实际商船目标的方位估计,得到了较好的方位估计性能。     

函数波束形成声源识别性能分析及应用

函数波束形成声源识别算法能够有效克服传统波束形成存在的"主瓣"宽、"旁瓣"高且多等缺陷。基于传统波束形成及矩阵特征值分解理论,给出函数波束形成算法的理论推导。基于自主开发的算法程序进行单声源、不相干双声源的模拟仿真,结果表明:函数波束形成在识别单声源、不相干声源时均能有效地衰减旁瓣,提高识别分辨率,且能清晰地识别弱源;当声源不在聚焦网格点时,函数波束形成主瓣峰值输出随指数的增大而降低,出现失真的情况;传声器及测量通道频响失配情况对函数波束形成的成像影响很小。由函数波束形成峰值输出误差随指数的变化曲线,建议指数一般取16。进一步,不相干四声源的算例试验验证了算法的有效性及程序的正确性。对某汽车前围板的隔声薄弱环节识别中,除空调进风口及暖风机进出水管安装孔隔声薄弱环节以外,亦准确定位转向柱安装孔附近这一隔声薄弱位置,识别结果更全面,为进一步改进其隔声性能指明了方向。     

广义旁瓣抵消器算法的轴承噪声信号增强研究

针对由于旋转机械故障噪声的复杂性,造成从传声器阵列所采集到的信息中很难提取到噪声源所包含的故障信息的问题,利用波束成形对实验设备进行噪声源识别与定位,根据故障点位置信息将广义旁瓣抵消器算法(GSC)中的阻塞矩阵构造为具有指向性功能,而后利用其算法重构出故障点声信号,从该信号中提取故障信息,进行故障诊断。为验证该信号处理方法的有效性,通过仿真和实验得出该方法可以有效减少传统波束形成算法产生的信号泄露,提高输出信号的信噪比。