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。     

带软障板线列阵的旁瓣抑制

本文计算了带反声障板线列阵的指向性,并采用换能器串、并联结的简便方法实现等效的幅度束控以达到抑制旁瓣的目的,又进行了实测。无论是对均匀线列阵或对幅度束控阵,计算和实验相比吻合尚好,验证了理论公式的正确性。此方法可推广用于圆柱阵垂直指向性旁瓣的抑制。     

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。     

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。     

最佳不等距阵的综合方法

本文研究了利用阵元不等间距抑制旁瓣的问题,提出了一种设计最佳不等距阵的方法,这里最佳的含义是,用这种方法可以把旁瓣抑制到最低限度。对于实际中所需要的其他各种指向性函数,用这种方法也能获得满意的结果。本文对不等距线阵做了数字计算,比较详细地讨论了不等距阵的性质。     

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。     

能量守恒定律在指向性函数计算中的应用(Ⅱ)——用于不等距阵和综合

本文应用能量守恒定律研究了稀疏不等距阵的平均旁瓣高度;导出估算最佳不等距阵最高旁瓣高度的公式,与实际设计出的阵和随机阵的估计做了对比,证明该式比随机阵的公式更加接近实际;研究了能量守恒定律在指向性综合中的应用。     

任意几何形状和阵元指向性的传感器阵列优化波束形成方法

针对常规波束运用到实际传感器阵列时旁瓣较高这一缺点,提出了适用于任意几何形状和阵元指向性的传感器阵列的两种旁瓣约束优化波束形成方法。一种是主瓣宽度约束条件下的最低旁瓣波束形成,另一种是在所能允许的最高旁瓣约束条件下的高增益波束形成。通过对加权向量范数进行约束,提高波束形成的稳健性。这两种优化波束形成问题都可以写成二阶锥(Second-OrderCone)约束优化的形式,然后利用已有的内点方法(Interior-PointMethods)求出其数值解。计算机仿真和湖上实验数据处理结果表明,该低旁瓣波束形成方法相比于常规波束和其它基于自适应波束形成的旁瓣控制方法,在同等主瓣宽度的情况下可以获得更低的旁瓣级;该高增益波束形成方法在同等旁瓣级约束条件下可以获得更高的阵增益,而且旁瓣级能够满足设定要求。     

螺线空间阵性能研究

为使水下测试声阵拥有较强的抗干扰能力,常要求阵列具有较低的旁瓣。该文提出了一种螺线空间阵设计方法,可利用螺线结构的空间稀疏分布特性,大幅降低体积阵的旁瓣高度,提高对水下目标的方位估计能力。文中给出了螺线空间阵的构造方法和阵元坐标参数,并与圆柱阵、双锥阵等常规体积阵进行了指向性、方位估计能力、阵增益的对比,仿真结果表明螺线空间阵在水平方向上的指向性旁瓣最低、最平坦,对目标进行方位估计时的伪峰高度最低,目标的方位估计能力相比双锥阵、圆柱阵提升显著。     

合成近场校准基阵的方法研究

本文利用单根的束控线阵来构造一个虚拟近场校准基阵,使换能器能在它的近场直接测量辐射声场特性。通过利用改进的矩阵稳定技术,解决了求解束控线阵的束控系数时最小二乘解的稳定性和实用性问题。借助计算机仿真,研究了特定线阵条件下,合成近场测量基阵（Ｓ－ＮＦＣＡ）的近场空间的平面波均匀性与线阵间的间距、线阵的工作频率之间的关系。并以小球源为阵元合成一虚拟平面ＮＦＣＡ,用它对一平面喇叭换能器的近场测量得到远场指向性,并与远场实测结果比较,得到了相当吻合的结果。     

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%。     

应用幅度束控实现波束扫描

本文研究了应用幅度束控实现线阵波束扫描的问题,给出了傅里叶变换和逐步逼近法两种综合方法,并对逐步逼近程序进行了改进。通过数值计算讨论了幅度束控扫描阵的特点并和相位补偿阵进行了对比。     

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。     

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。     

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.     

改进自适应遗传算法的平面传声器阵列优化

针对传声器位置的离散性和遗传算法二进制的编码特点,本文提出改进的自适应遗传算法,对自适应交叉概率和变异概率作了重新设计,并将本文改进自适应遗传算法和传统标准遗传算法以及文献中提到的改进自适应遗传算法进行了比较,发现本文方法能够快速得到更优的结果。此外,本文提出了随频率变化的主瓣宽度和旁瓣水平折中的适应度函数R3,通过与适应度函数R1和R2的仿真结果对比,发现适应度函数R3能够有效地平衡阵列主瓣宽度和旁瓣水平。最后,本文设计了5臂均匀圆阵和5臂螺旋阵,并与本文随机阵进行仿真实验对比,进一步验证本文方法的有效性和可行性。     

非均匀钹式换能器平面阵指向性特性研究

针对钹式基阵工作频率低、布阵紧凑导致阵元之间互干扰严重、指向性能退化的现象,本文在均匀平面基阵的基础上提出强度可调节的非均匀平面基阵,建立了基阵指向性能的数学模型,通过数值计算的方法分析阵元间距和中心阵元声强度变化对基阵指向性能的影响。研究给出了主瓣宽度、旁瓣个数、栅瓣个数随阵元间距的变化规律,总结了在各种工作频率下,基阵可用的最大阵元间距。研究结果表明:中心阵元强度增大时,基阵的总体指向性稍有降低。所以当通过调整阵元间距和强度来优化基阵指向性能时,应综合考虑它们对基阵其它性能的影响,以获得最佳的总体性能。     

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。      

水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计

为提高用于水下成像的电容式微机械超声换能器的指向性,文中用ANSYS力电耦合分析法设计了工作频率为400 k Hz的收发一体传感器的结构参数并完成了实验验证。同时研究了阵列设计方法,分析了电容式微机械超声换能器阵列各参数对指向性的影响,完成了从微小敏感单元到阵列的设计,实现了阵列指向性的优化设计。该阵列为16阵元的线阵,阵元间距为1.925 mm,阵元宽度为1.82 mm。进行了水下指向性测试,实验表明该线阵的-3 dB主瓣宽度为5?,最大旁瓣级为-13.5 dB,对称性好。该设计是实现较远距离的探测,提高成像分辨率的前提。     

计算线源声参量阵辐射场的新方法

本文提出一种计算惠更斯积分的新方法,并利用它来研究线源声参量阵。首先将点源函数展开为一个算符对平面波函数的运算,经过计算证明,如果将这个算符对参量阵远场解进行运算,得到的结果即为线源参量阵辐射场的解。其次证明,参量阵的夫琅和费远场解及菲涅耳修正解都可由本文导出,并且证明,菲涅耳修正只是对半束宽角以外的场有贡献。本文还计算了截断参量阵的辐射场,结果表明,这种阵的近场指向性随距离的减小而变尖锐。并且可以预料,实际参量阵辐射场的性质取决于下述三个场参量:kRsin²θ,βR和R_{1 关键词：}