压差矢量水听器阵波束形成的优化

以各向同性噪声作为背景噪声场,对矢量水听器阵波束形成的优化方法进行了系统的研究.在分析各向同性噪声场中声压、振速相关性的基础上,利用最大信噪比准则推导了基阵的最佳增益与噪声场特性和阵列流形之间的关系,提出利用最佳增益权对阵列接收信号进行波束形成处理.通过对矢量水听器阵进行分解,将最佳增益波束形成引入矢量阵信号处理中.以二维压差矢量水听器阵作为接收基阵进行了仿真计算和湖上试验,结果表明,矢量阵的最佳增益波束形成可以获得性能更优的波束和更大的空间处理增益.     

超增益低频接收基阵仿真研究

研究一种具有超增益性能的单向水听器作阵元的基阵的性能.为改善海水中信号的精度和分辨率,对小尺度阵列稳健的波束形成方法进行了研究.采用不同的算法,求出相应的权矢量,从而得出不同条件下的波束图及阵增益.通过比较优选出所需的权矢量,完成波束形成器的设计.通过仿真比较了四种不同的波束形成算法,分别得出不同信噪比条件下小型化线列阵的波束图.通过对基阵的波束图、增益及稳健性等特性的研究,分析比较了几种波束形成方法的优缺点.仿真结果表明,改进的白噪声增益约束法既可获得高的增益,又具有好的稳健性.     

基于最小二乘估计的虚拟阵元波束形成仿真

在混响干扰为主的浅海探测背景下,通常希望能得到主瓣宽度比较窄的波束.常规的波束形成方法中,对于一定频率的基阵,一般只有通过增加孔径长度来提高基阵分辨率.而这种方法又往往会受到实际工程的限制.因此提出了一种基于最小二乘估计理论的虚拟阵元波束形成算法.该方法针对有限尺度基阵,根据实际已知阵元的接收数据,运用最小二乘估计方法,估计虚拟阵元上的接收数据,使实际基阵的孔径在虚拟的意义上得到了扩大,从而实现了高指向性窄波束,提高了基阵的指向性指数.仿真实验结果也表明了该方法的有效性.     

基于最速下降法的恒定束宽阵设计

水听器是一种用于将水声信号转换为电信号的水下声电传感器.为了实现对水下目标的定位识别,需要用多只水听器构成传感器基阵.文中给出了一种实现恒定束宽传感器基阵的设计方法.它从求解无约束最优化问题出发,根据描述基阵实际空间响应和预成空间响应之间差异的数学表达式构造了相应的目标函数,然后依据此目标函数的特性,利用最速下降法获得实现恒定束宽阵所需频域加权矢量.针对均匀线阵和圆弧阵进行的计算机仿真结果表明,该方法不但具有很高的计算精度,而且适用于不同的阵型.     

一种小型矢量阵优化波束方法研究

在小型声纳平台中由于单个矢量水听器所含的振速传感器具有自然指向性,其组成的矢量阵较传统水听器阵有优越性,但单个矢量水听器的自然指向性波束较宽,组成的矢量阵的-3dB束宽和旁瓣级不够理想。该文利用单个矢量传感器的声压、振速信息联合处理形成较好指向性,并用于矢量阵获得良好的阵列效果,同时分析了该方法对线阵和圆阵的影响。仿真结果表明当线阵的阵元间距和圆阵半径都为0．5米时,矢量阵接收低频信号所形成的波束图中-3dB束宽在以25°内,第一旁瓣级低于-60dB,这证明了该文的方法是有效的。     

水下航行器头部共形阵与平面阵主要参数比较

为增大水下声基阵的作用距离,水下声系统的主要发展趋势之一是低频化.但在低频段上获得大的辐射功率并保持期望的发射指向性,安装在水下航行器头部的常规平面基阵不能满足要求.为解决这个问题,现在多采用共形布阵方式,这样可以增大基阵的辐射面积,同时扩大基阵发射和接收波束的覆盖范围,在多个方面较之平面阵具有优势.通过分析比较水下航行器头部共形阵和平面阵的主要性能参数,对其不同工作频率下作用距离进行对比计算,验证低频条件下共形阵作用距离比平面阵有明显的优势.     

纤毛式MEMS矢量水听器的优化设计与测试

针对目前MEMS仿生矢量水听器灵敏度偏低和现有封装结构的固有机械特性对芯片拾振特性影响很大的问题,对该结构水听器从两个方面进行优化设计,一是提出一种新型纤毛材料碳棒代替光纤,二是提出嵌入式透声帽封装结构.首先理论分析纤毛和封装对水听器灵敏度和频带的影响,并用ANSYS软件对其进行仿真,最后对加工的水听器样机进行频响和指向性测试.测试结果表明:在25 ～300 Hz,优化后的水听器灵敏度提高了5 dB;在300～ 1000 Hz,优化后水听器灵敏度提高10 dB,优化后水听器的共振峰明显后移,拓宽了水听器的工作频带,且具有良好的指向性,为水听器进一步的发展和工程应用奠定了基础.     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果.通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性.实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500 Hz时达到-189.6 dB(0 dB=1 V/μPa),并具有良好的"8"字形的指向性.     

矢量水听器阵波束域MUSIC算法研究

矢量水听器可同时拾取声压和振速信息,成阵后水听器间的相移信息量增大。基于矢量水听器阵的波束形成性能明显由于同条件下的声压水听器阵,但其空间分辨力依然受阵列物理空间的限制。已经有人研究了矢量水听器阵的高分辨谱估计方法（MUSIC算法）,但属于对阵元域信号进行的直接处理,运算量较大。提出一种基于矢量水听器阵的波束域MUSIC算法（BMUSIC）。该算法首先将矢量水听器阵元的空间数据转换到波束空间,然后对转换后的数据再运用MUSIC算法。不但实现了降维处理,减小了运算量,而且可进一步抑制扫描扇面外的噪声。对BMUSIC算法进行了仿真并与常规MUSIC算法进行了比较。结果表明,该方法可得到与阵元域MUSIC算法相当的方位分辨力。     

迈克尔逊干涉型光纤水听器研究与实现

设计了对偏振衰落不敏感的迈克尔逊干涉型光纤水听器,系统通过使用直接调制光源的相位载波零差检测方式实现了光纤水听器相位载波(PGC)解调,并给出了实验测试结果。由2个水听器组成水听器阵进行了水池实验,结果显示:该干涉型光纤水听器有明显的指向性,具有一定的潜在实际应用前景。     

声波测井圆环阵指向性设计

常规的单极子发射声波没有指向性,能量损失过多,用模态分解的方法设计出合适的阵列加权系数,就可以控制圆环阵的辐射主瓣角宽和旁瓣级,以利于在任意地层中有效激励滑行纵横波和减少能量损失.通过comsol有限元软件对圆环阵声波辐射数值模拟的例子,分析了圆环阵的辐射指向性对声波测井中各种模式波的接收幅度和到达时间的影响.结果表明,只要在圆环阵的各阵元上施加合适延迟时间合适幅度的激励信号,就能根据不同的实际情况设计出各种主声束的宽度和方向.圆环阵的使用可明显地改善声波测井的测量质量,为声波辐射器在石油勘探中的应用提供一定理论依据.     

线列传声器方向性研究

线列传声器的核心构件是由压电陶瓷圆环作换能元件的一个线列阵,阵元间距小于四分之一波长。建立了传声器方向性函数的表达式,分析了影响方向性图的各个因素,结果表明它具有明显的超指向性和恒定束宽特性。给出了线列传声器几种重要的方向性图及其相应条件。通过对传声器模型所作的试验表明,理论分析与实验数据结果基本上是一致的。本文所提出的技术可使一个传声器能具有不同的方向特性,满足不同使用条件的要求,并且传声器具有结构简单,坚固耐用,性能稳定的优点。     

星载SAR卫星天线扰动对波束中心指向的影响

天线波束中心指向稳定度是星载合成孔径雷达（SAR）天线的一个重要指标,影响天线波束中心指向稳定度的因素很多。该文以星载合成孔径雷达等间距均匀分布平面相控阵天线为分析对象,通过建立天线振动模型,分成多个阵元位移、天线阵面偏移、天线阵面振动等三种典型情况,对卫星天线在外力扰动情况下的天线方向图和回波相位变化情况进行分析,推导卫星天线稳定性对天线波束中心指向稳定度的影响,并进行了仿真,简要讨论了天线波束中心指向变化对SAR成像的影响。     

Differential evolution to synthesize low sidelobe thinned isophoric time‐modulated planar array with increased directivity

In this article, a novel method for synthesizing rectangular planar array through thinning and time‐modulation is proposed. A new differential evolution based approach that generates a rank based population is adopted to find out the optimum element off position for thinning and ontime duration to modulate the antenna elements in time domain. The proposed synthesis method defines a preservative boundary at the array center where the antenna elements are not thinned and time‐modulated rather uniformly excited. It is shown that this proposed thinning and time‐modulation strategy with an optimum preservative boundary helps to realize low side lobe radiation pattern with increased directivity by controlling less number of optimization variables as compared to traditional approach. It also reduces the feed network complexity specifically for large antenna arrays.     

利用阵元异振幅优化超声传感器阵列的指向性能

超声传感器阵列是提高超声指向性性能的重要手段,本文提出利用阵列中阵元发射不同振幅超声波的方法进一步改善发射阵列的指向性性能。通过与常规阵元同振幅发射模式的指向性进行模拟和实验比较,结果表明该方法在超声阵列阵元分布形式完全相同的情况下,获得的超声波波束不但能保证主瓣尖锐的指向性,而且能有效的抑制旁瓣数量和旁瓣级,避免能量分散,提高超声发射效率。     

微压电复合材料超声波探测器的制备及应用

基于微细加工工艺,设计并制备了一种指向性良好的压电复合材料的超声波探测器。该探测器由压电振子、阻尼器、中继板和特高频（UHF）连接器构成。压电振子由4×4个（80μm×80μm×130μm）（长×宽×高）的锆钛酸铅（PZT）压电柱状阵列及阵列缝隙填充环氧树脂而构成。当压电振子施加高频交流电压时,柱状PZT阵列产生纵向伸缩运动,从而产生超声波并向介质辐射。作为填充材料的环氧树脂,能够吸收掉因柱状PZT阵列其他方向振动而引起的噪声,使探测器在纵向上能产生指向性良好的超声波,从而提高了该探测器的灵敏度。测试结果表明,该微压电探测器指向性好,灵敏度高,精度高和抗干扰性好,可应用在泥沙的含水量测量中。     

Directivity enhancement of wire monopole antenna using magnetic metamaterials

This article proposes the use of a magnetic metamaterial (MTM) slab over the ground plane of a wire monopole antenna to improve its directivity. In this regard, mu very large (MVL) behavior of the metamaterial is utilized for enhancing the directivity of the monopole. Despite the directivity enhancement of about 5 dB, an improved bandwidth of 35% is obtained for the proposed configuration. Initially, a 2 × 3 array of a single MTM slab has been placed over the ground plane of the monopole. It is shown that, over the whole working band, a significant directivity improvement is maintained compared to the unloaded monopole. Further, the directivity performance has been investigated with different combination of MTM slab.     

空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试

电容式微超声换能器(CMUT)作为一种新型的MEMS器件,在空气耦合无损检测领域具有较大的研究价值;设计了一种在空气介质中使用的电容式微超声换能器阵列,阵列由8个阵元组成,每个阵元包含16个CMUT敏感单元;介绍了CMUT换能器的原理和设计方法,利用FieldⅡ仿真了不同参数下的阵列指向性;对加工出的CMUT阵列进行了表面形貌测试和声学实验测试.实验结果表明:所加工的CMUT阵列满足设计要求,实验结果同仿真结果一致.     

基于Matlab的基阵方向性仿真研究

根据水声传播和换能器基阵理论，建立了任意几何分布的基阵方向性的数学模型。借助于Matlab软件，研究了基阵三维方向性图的精细表示方法，对不同坐标网格表现的基阵方向性图进行了对比分析。通过分解三维方向性图得到了任意定向平面上及轴向等开角的方向性仿真曲线图。应用表明，结论对于基阵方向性的仿真与设计具有一定实用价值和指导意义。     

A nonuniform array of slots in the broad‐walls of rectangular waveguides partially filled with dielectric slabs

This article describes a new nonuniform slot antenna array in the broad wall of rectangular waveguides partially filled with a dielectric slab. The slot elements are nonuniformly spaced to achieve a higher side lobe level while the amplitude and phase of their excitations are identical. Each slot element is fed by one dielectric‐loaded rectangular waveguide with one end shorted for structural simplicity. Experimental results for an 8‐element linear slot array operating at X‐band show that the side lobe level is 15 dB over a frequency range from 9.5 GHz to 10.5 GHz. The simulated side lobe level can reach 20 dB for a 16‐element linear array. Experimental results show that the side lobe level of a slot array can be improved using nonuniform element spacing without degrading the broadside radiation and gain. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Int J RF and Microwave CAE, 2008.