圆柱阵子阵分级处理的稳健超指向性波束形成方法

提出了圆柱阵子阵分级处理的稳健超指向性波束形成方法。首先建立了圆柱阵分两级子阵进行波束形成的信号模型,接着利用空间均匀噪声场中噪声互谱矩阵的循环特性得到基于特征波束分解与综合模型的圆柱阵超指向性的最优解,然后仿真研究了其误差敏感度函数、阵增益和波束图等性能指标,并与圆柱阵的传统全局处理方法进行了对比。提出的分两级子阵处理的超指向性方法与传统全局处理方法相比不仅降低了数据存储量和波束形成计算量,而且进一步提升了稳健性,并且在低频段的阵增益远远高于常规波束形成的值,对水下声呐阵列的设计具有一定的参考价值。      

稀疏圆柱基阵波束垂直扫描

本文分析了三维圆柱形基阵波束垂直栅瓣形成机理,导出波束垂直扫描极限波长和基阵其他参数的关系,指出指向性函数通常是复数,并用子阵相移法来调节复合子阵的相位特性,在圆环阵指向性图适当位置插入零点,以消除垂直栅瓣、扩大基阵波束扫描范围。对不同基阵,找出相移参数β的最佳值,一般取kβ≈0.5为宜。以两个弧面阵为例作了数值计算,证明对全圆阵导出的极限波长也适用于弧面阵;和相同条件下未相移基阵相比,可将波束垂直扫描范围扩大到间距d为五个波长左右,或将基元数减少2—4倍;当未相移基阵指向性图出现栅瓣时,并可将指向性指数提高1.7到5.5dB。     

基于超指向性多极子矢量阵的水下低频声源方位估计方法研究

针对水下低频声源的方位估计问题,基于基元紧密排列的二维矢量阵,建立了一种超指向性波束形成方法.根据矢量基元差分运算构建各阶多极子模型,获得了几乎与频率无关的模态函数,并经加权计算可在低频条件下实现超指向性波束,以解决阵列孔径对波束性能的限制.同时,结合输出信噪比最大准则所得波束,分析了超指向性波束形成算法的稳定性与波导的影响程度,探索模态阶数与阵列参数的选取原则.通过阵列性能的仿真计算与实际阵列的测量数据表明,该算法可在小尺寸阵列孔径下获得良好的阵列波束,兼具了水下线型超指向性阵和环形超指向性阵的优点,可有效实现水下低频声源的水平方位估计;且波束性能可通过调节模态阶数与基元间距以达到最佳,并受水下声波导多途与频散效应影响有限.     

失配状态下的双线阵波束形成研究

基于双线阵在阵间距失配状态下左右舷分辨性能会急剧下降的事实,利用延时相加和延时相减两种波束形成方法,分别推导了理想状态下双线阵的波束形成和阵间距失配状态下波束形成的方向指向性函数；分析了理想状态下和阵间距失配状态下延时相加和延时相减两种波束形成方法的左右舷分辨性能。理论分析表明延时相减波束形成具有较好的左右舷分辨性能。最后用海试数据验证了理论分析结果的正确性。     

水声共形阵辐射指向性计算方法及其实验验证

用边界元方法,给出了水声发射换能器共形阵各阵元的单元指向性以及基阵的自然波束指向性和束控波束指向性。首先建立了换能器共形阵的边界元模型,并根据换能器结构和声传播介质建立了模型的边界条件,计算了其辐射指向性。然后在消声水池中对共形阵各阵元以及基阵的辐射指向性进行了实验测量。将理论计算结果与实验测量结果进行了对比,二者吻合得比较好。研究结果表明:基于边界元方法建立的模型及计算方法,对基阵的辐射指向性进行理论计算和预报是可行的。     

前视声呐圆弧接收阵列结构优化设计

针对前视声呐线阵波束形成各向同性较差及半圆阵有效孔径受限的问题,提出了一种优化的圆弧接收阵列结构设计方法。根据不同的成像开角,设计圆弧接收阵圆心角使全部阵元参与所有来波方向的波束形成。建立圆弧接收阵的远近场聚焦模型,并推导圆弧接收阵的指向性函数,根据边界波束栅瓣阈值条件计算具有最佳波束性能的圆弧接收阵半径。对圆弧阵、线阵及半圆阵在不同扇区开角下的波束性能及扫查开角120°、纵深100 m的仿真图像对比表明,在成像开角为90°到130°时,圆弧接收阵主瓣性能提升了8%,边界波束栅瓣级优化了4%,交叉向分辨深度相对线阵与半圆阵分别增加了20 m和45 m,同时参数存储量仅为线阵的2.7%。该阵列兼具有效孔径大、波束各向同性的优点,能有效提高前视声呐系统探测性能,并降低算法实现难度。      

刚性圆柱体上圆阵波束形成性能分析

以环绕在刚性圆柱体上的均匀圆阵为阵列模型,分析了刚性圆柱体对圆阵响应的影响,在声场分解所得到的相位模式空间,推导了相位模式波束形成阵列和延迟求和波束形成阵列的白噪声增益和指向性指数的定量表达式,分析了它们在不同频率段的变化规律。在存在和不存在刚性圆柱体两种情况下,对两种阵列性能进行了对比分析。研究了圆阵与圆柱体之间存在间隙时对阵列接收信号及阵列性能的影响。仿真结果表明,在两种情况下相位模式波束形成处理都具有频率不变的指向性,但在低频段牺牲了阵列的鲁棒性;延迟求和波束形成处理在整个频率段具有较好的鲁棒性,但随频率的降低其波束指向性下降,直至变成各向同性阵列。存在刚性圆柱体时,两种阵列鲁棒性均有了一定的提高,前者的指向性不变,而后者的指向性得到了提高。圆阵与圆柱体之间的间隙会降低阵列在高频段的鲁棒性。      

大角度波束扫描的宽带平面阵研究

本文中介绍了一个可以实现大角度波束扫描的宽带平面声基阵,设计了纵向振动与换能器前盖板弯曲振动相复合的宽带换能器作为基元,保证了基阵具有较好的宽带性能。针对基元的自然指向性难以满足平面阵进行大角度波束扫描的要求,本文中采用通道型橡胶反声障板技术来拓宽阵上换能器的单元指向性,从而实现平面声基阵的大角度、宽带波束扫描。在有限元和边界元进行优化设计的基础上,制作了实验样阵。测试数据表明:在工作频段内换能器响应起伏不超过3 dB,12 kHz时阵上基元指向性达到了140°,基阵-3 dB波束覆盖范围可以达到144.4°,最大旁瓣不超过30%。     

圆环形传感器阵列超指向性频率不变响应波束优化方法

提出了一种适用于圆环形传感器阵列的超指向性频率不变响应波束优化方法。首先,基于前期在最小均方误差准则下得到的不同频率处权值向量与期望波束权值向量的解析函数关系,将指向性因子、误差敏感度函数和最小均方误差进一步表达成了期望波束权值向量的函数;然后,构建了一个多约束优化问题,获得了满足指向性、稳健性、频率不变性等约束条件的最优期望波束,由此合成得到了最优宽带频率不变响应超指向性波束,并给出了相应的仿真和实验结果。      

同心圆环阵列模态波束形成器设计

针对贝塞尔函数零点造成的模态波束形成器性能损失的问题,提出了基于均匀同心圆环阵列的模态波束形成器设计方法。从阵元域出发,建立了阵元域和圆谐波域之间的转换关系,推导了圆谐波域阵列信号处理表达式,其中重点推导了延时求和、最小方差无失真响应和多约束波束形成器的设计方法。理论证明了在平面各向同性噪声场中的基于同心环阵的圆谐波域最小方差无失真响应波束形成器等价于相位模式波束形成器。在该结论的基础上,综合考虑相位模式波束形成器在一定频率范围内的稳健性和指向性,提出了一种同心圆环阵列的内环半径优化方法。使用16元双环阵列对本文提出的波束形成算法进行仿真和实验,结果表明:同心圆环阵列能够较好地解决贝塞尔函数零点问题;其中多约束波束形成器能够在多个关联的性能指标之间取得合理的折衷,实现优于相位模式和延时求和波束形成器的声源定位性能。对内环半径优化方法进行仿真和分析结果表明,该方法得到了相较于传统方法更优的阵列结构。      

圆弧阵的水平指向性和综合

本文使用稳相法详细讨论了圆弧阵的水平指向性,给出了计算指向性函数的主瓣束宽和主瓣内平均声压的比较准确的公式。本文提出的幅度束控方法和设计不等距阵方法可以成功地克服圆弧阵主瓣内指向性函数起伏大的缺点,同时使主瓣束宽和主瓣内平均声压基本保持不变。     

指向性综合的一般方法

本文提出两种综合方法,一种方法应用加权意义下最小均方差准则进行综合、它适用于综合完全确定的指向性函数。另一种方法是逐次逼近方法,它是以包络的形式与希望的函数进行拟合,它适用于综合具有指定旁瓣结构,同时要求主瓣最窄或指向性因子最大的指向性函数。两种方法都适用于任意阵,任意指定的指向性函数,都可以利用幅度束控,相位束控和不等距阵等方法进行综合。本文详细地阐述了两种综合方法的基本原理,然后作为例子用线阵幅度束控综合出几种典型的指向性图案。     

基于特征频率的拖曳双线阵最优左右舷分辨

左右舷模糊是拖曳单线阵固有的缺陷,而拖曳双线阵具有左右舷分辨能力。本文利用双线阵的指向性函数,通过对双线阵左右舷抑制比的分析,给出使左右舷抑制比最优的特征频率,并提出一种适用于宽带信号的拖曳双线阵左右舷分辨方法。理论分析表明:当目标方位已知时,特征频率仅依赖于双阵问距,且对双阵间距变化有相当的宽容性;基于特征频率的常规波束形成使左右舷抑制比有显著改善。海试结果验证了特征频率的存在,通过对比证明了方法的有效性。     

Legendre函数加权的声纳宽频带恒定束宽波束特性分析*

为了处理水声信号,声纳阵列通常需要形成宽频带恒定束宽的波束。采用两种阵元加权方法分析二维圆弧形恒定束宽换能器声纳阵列:球面Legendre函数加权方法和柱面Legendre函数加权方法。分别对球面阵、柱面阵和平面阵这三种几何结构的声纳阵列进行分析,并且计算波束宽度和波束方向。结果表明,在宽频带范围内,除了柱面Legendre函数加权的球面阵之外,其余Legendre函数加权的声纳阵列均能利用简单的、不随频率变化的阵元权重和阵元延时,形成恒定束宽的波束,并且具有较小的旁瓣,此外波束方向与预设方向也较为一致。相对于其他恒定束宽波束形成方法,Legendre函数加权方法能利用较低的计算复杂度来实现良好的宽频带恒定束宽的波束特性。     

集合式相移开关波束扫描发射系统

本文介绍一种用于研究大型平面发射阵波束扫描特性的集合式相移开关波束扫描发射系统.这种系统利用的是等距阵相移开关波束扫描原理.它特别适用于研究各种不同尺寸、不同形状的阵元所构成的线阵或平面阵,在大角度扫描时的远场和近场的精细结构.波束扫描指向角,可以通过改变工作频率或阵元间距,控制到任意所需的指向.在不增加通道的情况下,适用于任意多个阵元所构成的等矩阵,包括在周期结构上随机分布所形成的随机阵. 本系统主要由集合式相移开关扫描波束形成器,多路功率放大器和宽频带多档输出匹配变压器组组成. 为了检验整个系统的性能,进行了初步实验.在水池中用脉冲法测量了扫描波束的指向性图.扫描波瓣的峰值位置θ_0的实验值和理论值符合得较好.     

指向性辐射器的简正波声场

本文讨论比较一般的指向性辐射器在分层介质中的声场,并将指向性概念应用于简正波计算。结果表明,对无方向性点源的简正波表示式补充以指向性激发函数,就可得到指向性辐射器的简正波声场,而指向性激发函数与辐射器的位置及指向特性有关。文中还分别计算了具有垂直对称性、反对称性、单边指向性以及尖锐指向性的辐射器的简正波声场。对于均匀水层中的垂直线阵,若源的分布函数正比于某一简正波的本征函数,则指向性激发函数的零点正好对应于其他简正波的本征射线的方向。 关键词：     

基于分组时延预处理的时域波束形成方法*

对于不等强度多目标情况下的弱目标检测问题,依据波束形成归一化指向性函数在目标方向上输出值为1、在非目标方向上输出值为小于1的特性,提出一种基于分组时延预处理的时域波束形成方法。该方法首先对线列阵接收数据进行分组处理;然后,按搜索角度对各组数据进行时延预处理,并对各组预处理结果进行相加,得到一组新数据;最后,对该组新数据按时域波束形成进行处理,得到该搜索角度对应波束值。理论推导、数值仿真和试验数据处理结果均表明：相比常规时域波束形成,该方法所得波束形成指向性函数发生了变化,旁瓣级得到了13dB以上的改善,降低了强目标旁瓣级对弱目标检测的影响。     

指向性综合的逐步逼近方法(Ⅱ)——非极值条件下的逐步逼近法

本文发展了逐步逼近法,提出了非极值条件下的逐步逼近法。该方法被用于指向性函数和期望函数之间的整体拟合,扩充了逐步逼近法的应用范围,从而使它形成了一个比较完整的指向性综合理论;本文还研究了线阵的非对称束控,提出了通过这种束控改善指向性函数和期望函数的拟合程度。     

交替投影盲反卷积的阵不变量被动定位*

本文针对低信噪比下传统盲反卷积技术提取格林函数过程中存在的图像模糊问题,提出了一种基于交替投影法的阵不变量浅海被动定位方法。该种方法利用交替投影的方法对波束信号进行分离,并利用分离出的波束分别提取格林函数。最后通过补偿时延的方式将多组波束提取的结果相干组合起来,实现格林函数的多波束联合估计。通过仿真实验证明了该方法有效增强了提取格林函数的强度,使得在低信噪比下利用阵不变量的连续声源定位方法更加稳健。     

典型概率密度背景下四阶累积量波束形成的阵增益

在理论上零均值高斯分布噪声的四阶累积量恒等于零,而实际噪声和混响的概率密度是影响四阶累积量波束形成技术性能的关键问题。本文针对海洋环境噪声与海底混响的瞬时幅度分布,分别推导了四阶累积量波束形成阵增益函数;建立了阵增益与阵元数、海洋环境噪声和海底混响统计特性的四阶矩和二阶矩及输入信噪比的关系;确定了与常规波束形成阵增益之间存在临界信噪比,高于临界信干比时四阶累积量波束形成可以获得比常规波束形成更高的阵增益与分辨率。实验数据处理结果验证了四阶累积量波束形成阵增益和分辨率理论结果的一致性。