一种适用于任意阵的幅度束控新方法

本文给出了一种幅度束控方法,它适用于任意类型的基阵.在指定旁瓣级时,它可以得到最佳的或接近最佳的指向性图案,这里最佳的含义是,声压平方这个函数在所研究平面围成的面积达到最小,或者指向性因子达到最大.本方法可以改变各旁瓣和零点的位置,改变各旁瓣的相对高度,因此可以在其它各种意义上获得希望的指向性函数. 本文使用这种方法对具有圆柱型反声障板的补偿圆弧阵进行了综合,并与其它几种方法进行了比较.该方法还被用于线阵,它可以得到与契比雪夫—道尔夫束控方法完全相同的束控系数和指向性函数.     

离散多基元声基阵指向性函数计算

本文从任意分布的离散多基元点阵的指向性函数,引出线列阵、圆弧阵、平面阵、圆柱阵以及球面阵、共形阵的指向性函数。并且进一步阐述了它们的波束形成和波束空间复盖方案设计。     

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。     

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。      

高频心形指向性圆弧换能器阵的研制

本文叙述工作频率为100kHz,水平方向为心形指向性换能器圆弧阵的研制。φ=±60°方向的声压比φ=0°方向的声压高12dB,φ=60°方向发射电压响应为163dB,声源级为215dB(0dB=1μPa/V·m)电阻抗为140Ω,Q_m=6。 换能器阵半径为15cm,由两个扇面组成,振子粘在铜板上,直接向水中辐射声能。考虑到阵元是无后辐射的,且圆弧半径远大于水中工作波长对远场的声压用射线声学方法处理,所得到的计算公式与测量结果符合。     

能量守恒定律在指向性函数计算中的应用(1)——等效孔径和等效束宽

本文从能量守恒定律出发提出了等效孔径和等效束宽的概念,通过它们可以把基阵的结构和声场分布这两个几何图象联系起来,也把主瓣方向声压,指向性因子和主瓣宽度等量联系起来。本文计算了几种大波数尺寸基阵的等效孔径和等效束宽,概括起来有如下规律:平面阵的等效束宽等于它的以波长为单位度量的面积的倒数;曲面阵的等效束宽近似等于曲面的张角,并且近似为恒定束宽;曲面补偿阵的等效束宽与曲面在补偿方向投影构成的平面阵的近似相等。     

大基阵指向性图的合成

本文借助对假想基阵的分析,求出任意形状大基阵指向性图和加权函数的对应关系,导出了加权函数的近似表达式。通过圆弧阵和线列阵两个数值例子,说明运用合成方法能实现预定的设计要求。设计波束宽度存在最佳值。以均匀间距线列阵作了实验验证,波束宽度理论值和测量值一致性较好。     

基于时间反转法的相控换能器声场的仿真研究

相控换能器具有焦距可调的优势。本文以82阵元相控换能器建立的3D数值仿真模型为例,基于时间反转法提取阵元的激励信号,利用时域有限差分(FDTD)法对Westervelt声波非线性传播方程进行声场数值仿真,研究不同阵元分布、偏离声轴的距离、设定焦距大小对形成声场的影响,可调控范围及其消除旁瓣方法。研究结果表明,随机分布相控阵可明显降低声场中的旁瓣;随着偏离声轴距离的增加,主瓣声压幅值逐渐减小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r逐渐增大,且沿声轴的可调控范围逐渐减小;随声轴方向上设定焦距的增加,主瓣声压幅值先增大后减小,r值先减小后增大;基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上扩大相控阵声场的可调控范围。     

声矢量阵指向性

单矢量传感器具有可电子旋转的偶极子指向性,声压、振速信息联合矢量信号处理在噪声背景下有良好的探测能力,矢量(传感器)阵能取得更好的能力。本文对理想条件下单矢量传感器、二元矢量阵的偶极子指向性和单边指向性进行了计算机仿真,并对单矢量传感器的指向性进行了水池实验,实验结果与仿真结果基本一致。结果表明矢量传感器具有较强的抗相干干扰和非相干干扰的能力。     

相控声波测井的模拟实验研究

自行设计和制作了两个小型的四阵元相控线阵并进行了指向性测量,通过调节施加于相邻阵元的激励信号的延迟时间,既可以改变相控线阵声波辐射器辐射能量的方向,又可以改变辐射声束主瓣的角宽,测量结果与理论计算结果的一致性良好。分别把自行制作的小型相控线阵声波辐射器和水听器置于充液微型铝质和混凝土模型井中进行了声波测井模型实验。实验结果表明,随着相邻阵元的激励信号的延迟时间的增加,相控线阵的辐射声束指向角不断变大,先后满足滑行纵波临界折射和滑行横渡临界折射条件,先后使充液井孔中的滑行纵波、滑行横波和斯通利波分别得到加强。通过恰当选择相控线阵的阵元间距和声波频率,可以明显增大相控线阵辐射声束的角宽,使其覆盖所有地层的第一临界角的范围,从而无须在井下不断调整辐射声束方向即可实现相控声波连续测井。     

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。     

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。     

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。     

侧瓣抑制的直列阵

本文利用倍角函数的降幂展开式提出了切比雪夫阵的新设计方程,使设计工作变成直截了当的计算工作.对切比雪夫阵的指向性提出了用能量集中因数和指向性因数表达的概念,并给出了二者的计算方法和使用范围.最后提出用切比雪夫阵作声场扩散测量的方法,这种方法比过去的方法更为灵敏.     

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。     

自适应波束成形中稳态特性的研究

本文给出按LMS准则设计的自适应系统达到稳态时,系统指向性的一般表达式.作为信号和干扰之间的广义夹角的函数,提出计算主瓣宽度、干扰方向零点深度和极限分辨力的方法.指出在一般情况下,指向性极大值对信号方向的偏离值.各种情况下都给出数值计算的例子.     

圆基阵最佳幅度分布

等幅同相点源圆基阵有-8dB的副瓣,通常声呐基阵中多采用有指向性基元,而且只有一段弧上的基元同时参加工作,这时也有-10dB左右的副瓣级。虽然圆弧阵有许多优点,但这样高的副瓣在使用中是很不希望的。用调节相位的方法可将圆基阵的副瓣抑制到-31dB,然而对宽带基阵是难于实现的。本文以改变基元幅度分布并配合使用指向性基元的方法来抑制低频圆弧阵的副瓣,找出副瓣级和波束加宽因子之间的最佳关系,并给出设计参数的最佳值。     

质点振速传感器直线阵超指向性波束形成*

声矢量传感器及其组阵方式的研究已成为水声领域的热门课题。该文研究了当单自由度矢量传感器（质点振速传感器）的观测方向沿直线阵轴线方向时的空间均匀噪声场中两阵元的噪声相关系数,然后采用Gram-Schmidt模态波束分解与综合方法推导了高阶超指向性的最优解,得到了直线阵端射方向的指向性指数和稳健性水平。仿真研究表明,当d / λ < 0.5 (d为阵元间距,λ为波长)时,质点振速传感器直线阵（简称质点振速阵）采用超指向性方法在端射方向的指向性指数略高于声压传感器直线阵（简称声压阵）;而当d / λ > 0.5时,质点振速阵的指向性指数远远高于声压阵。该文的研究内容对水下声纳系统中质点振速传感器的有效组阵和实际应用具有一定的参考价值。     

基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题, 提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法. 在浅海波导中, 声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳定的频率特征. 声压和水平振速的自相关卷绕谱具有相同的准线谱特征, 垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征, 与声压自相关卷绕谱相比, 其尖峰个数比更多, 且尖峰宽度更宽. 利用引导源, 本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法. 利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理, 结果表明, 该方法能够实现气枪声源的有效测距. 与传统单声压水听器被动测距方法相比, 该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度.     

圆阵声呐模拟器延迟线延迟间隔选择

本文从解释圆阵声呐指向性函数有关参量的物理意义入手,推导出了实际设计带有延迟间隔影响的声呐模拟器方位设置的指向性函数,并描述了模拟器方位准确度与其延迟线的延迟间隔的关系,给出某些计算实例的结果.