多波束声呐基阵一体化自校准方法

为了保证多波束测深系统的探测精度,在系统组装前需要对多阵元接收换能器基阵进行指向性测量和目标方位波束响应校准。针对常规方法中图像散焦问题存在的不足,本文提出了一种多波束声呐基阵一体化自校准方法,将换能器基阵和信号调理采集电路一体化测量,利用目标方位波束响应输出测量换能器基阵波束指向性。推导了阵元间距误差对测深结果产生的影响,采用聚焦波束形成技术,在小尺寸水池条件下开展校准实验研究。通过在水池中预先获得的方位波束角误差曲线,对多波束测深声呐外场实验数据进行了归位补偿,实现了多波束声呐基阵一体化自校准。实验结果表明:该方法能够保障多波束声呐的有效覆盖范围,具有较强的实用性和重要的工程应用价值与推广价值。     

一种小基阵高精度低空目标无源方位估计算法研究

当前的低空目标无源声探测技术多是基于时延估计算法实现的。存在的突出问题是 ,当阵的尺寸较小时 ,难以满足方位估计精度的要求。提出了一种基于二维压差式矢量传感器复声强分析的低空目标方位估计算法 ,对算法的性能进行了分析。采用实测直升机辐射噪声数据进行了仿真实验 ,研究了基阵尺寸、积分时间和信噪比等参数对目标方位估计精度的影响。仿真结果表明 :在信噪比为 0 d B,阵的尺寸为 0 .2 m时 ,方位估计误差小于 2°,有效地解决了低频小尺寸基阵和高精度条件下的无源声测向 ,为低空目标无源声探测提供了一种新的技术途径。     

小基阵高精度时延估计方法研究

根据声测被动定位对声学基阵提出的要求,给出了当基阵尺寸较小的情况下,影响声测被动定位精度的关键因素。同时分析了多种广义互相关时延估计方法的性能,并用实测的直升机声场数据进行了实验仿真研究。结果表明,采用广义互相关方法,能有效地提高小基阵声测被动定位的时延估计精度,其精度比常规方法高出2倍以上。     

宽带波束形成中近场补偿的实验研究

当信号源位于基阵的近场区域内时,采用近场补偿可以降低由远场假设设计波束形成器带来的性能损失。文中对用于远程电信会议系统中的近场补偿方法进行了误差分析,并将其应用于水下声纳基阵系统中。误差分析表明,对于大阵元数的阵采用近场补偿能够得到高精度的期望响应。结合32元均匀线列阵的湖上实验研究了近场对宽带波束形成器性能的影响,以及近场补偿方法对宽带波束性能的改善效果。结果表明,对测量数据进行近场补偿能够克服由近场影响引起的宽带波束的畸变,得到期望的宽带波束性能。由于近场补偿的简单可行性,文中的研究有助于推动近场补偿方法在实际声纳系统中的应用,为水下基阵选择近场宽带波束形成方法提供一定的依据。     

基于阵列误差校正的波束域方位估计算法实验研究

针对阵列误差的存在会导致波束域高分辨方位估计算法性能下降的问题,给出了一种基于阵列误差校正的波束域处理方法。该方法利用单个校正源,根据实际测量数据,在获取基阵实测阵列流形的基础上,实现了对阵列误差的校正,进而利用波束域MUSIC算法估计出信号的方位。实验结果验证了基于实测阵列流形的阵列误差校正方法可以有效增强波束域高分辨算法对阵列误差的稳健性。     

水下多传感器基阵波束域高分辨方位估计方法及实验研究

针对水声设备的实际应用，给出了基于实测基阵阵列流形的波束域高分辨方位估计的MUSIC方法。在预形成多波束时，该方法采用适用于任意阵形的自适应波束优化技术，针对水下实际阵列设计超低旁瓣波束以抑制水面上分布的强干扰。为了减小实际阵列模型和理想阵列模型失配所带来的不利影响，在多波束设计时，利用实测阵列流形代替理想阵列流形进行设计，消声水池实验结果验证了该方法可以有效地降低系统中由于阵列模型失配所造成的波束域MUSIC方位估计方法的性能损失。     

壳体声接收基阵噪声数值计算方法在优化检测性能中的应用

壳体声接收基阵的被动宽带检测性能是基阵优化设计的一个重要准则,然而优化过程需要波束形成器输出端噪声的先验信息.针对壳体声接收基阵承受近场离散噪声源干扰的问题,提出了一种数值计算基阵噪声响应的新方法,即利用边界元理论和SYSNOISE软件对噪声场进行数值计算,并将得到的波束形成器输出端噪声信息应用到提高基阵被动宽带检测性能的优化设计中.利用这种方法,一方面使得波束形成器输出端的噪声计算不再局限于基阵结构简单规则的情况,另一方面克服实际测量噪声场耗费大、不易推广等困难,使得壳体声接收基阵的宽带检测性能在其物理建造前就可以进行优化设计,获得良好的性能预报.以11元共形阵为例,对基阵各个阵元的噪声响应进行数值计算,并在此基础上对该共形阵进行基于提高被动宽带检测性能的优化设计.仿真结果表明,优化出的加权系数有效地提高了波束形成器输出的信噪比,使壳体声接收基阵获得良好的被动宽带检测性能.     

某被动声探测系统基阵设计

为探测反辐射无人机，采用被动声探测系统是一种有效的方法．根据系统探测要求，基阵选择采用结构简单的线列阵和各向波束均匀的圆弧阵组合成半圆柱型传声器阵列对飞机噪声进行接收，在阵列设计时，考虑反辐射无人机螺旋桨噪声的频率特点，针对阵列指向性受影响的因素，对阵元数、阵列长度、频率响应等参数进行了优化设计，分析结果表明半圆柱型基阵在波瓣宽度和增益上满足系统对无人机的探测要求．     

水下运动声源部位识别方法研究

为了对水下航行器噪声源部位识别方法的可行性进行验证,研制了一套模拟试验系统。设计了非均匀水听器线列阵,采用常规波束形成(CBF)算法和反卷积(DAMAS)算法对噪声源部位进行了识别。通过对水库试验中静止及运动状态模拟声源的辐射噪声解算,验证了水下运动声源部位识别试验方法的有效性。实验表明:2种噪声源识别算法平均定向偏差小于0.2°,其中反卷积算法性能更为优越,适用于水下航行器噪声源识别。     

多子阵超宽覆盖海底地形探测方法试验研究

针对多波束海底地形探测系统超宽覆盖问题,提出了具有超宽发射和接收特性的声学基阵设计方案以及多子阵空间建模回波到达方向(DOA)估计方法.超宽覆盖声学基阵的发射阵与接收阵呈"T"型排列,发射阵为直线排列的圆弧阵,接收阵为均匀线阵,发射波束宽度可达144.7.多子阵空间建模DOA估计方法,在较低信噪比情况下仍具有较高的方位估计性能,从而有效估计边缘回波信号方位,仿真数据和典型的多波束海试数据处理结果都证明了算法的可行性.同时,湖上试验验证了超宽覆盖声学基阵和多子阵空间建模方法的有效性,试验结果表明在20 m水深的情况下完全可达到7倍以上水深的覆盖宽度.     

圆环形声基阵低频超增益性能研究

对均匀噪声场中基阵超增益波束形成的权向量及阵增益进行了推导。以小尺度圆环形基阵为例，对位于空间均匀噪声场中的水听器阵作超声益处理及线谱和宽带被动检测方法进行了计算机仿真。对所述基阵超增益波束形成和常规波束形成的方向性图和空间增益进行了比较，通过仿真真验证了超增益方法和正确性，超增益波束形成可以获得比常规波束形成更窄的波束宽度和更高的空间增益，由于超增益阵具有尺度小，空间增益高的特点，对于改进低频被动声纳的检测性能具有重要的意义。     

兼顾远场和近场性能的便携式三维声纳设计

为了降低三维成像声纳系统的复杂度,并保证系统在整个水下探测范围内具有准确的波束图,提出兼顾远场和近场性能的便携式三维成像声纳设计方法. 该设计采用十字型阵列实现三维声纳成像,相比平面阵,极大降低了硬件复杂度,设备灵活轻便. 针对发射阵列,提出近场条件下的多频发射波束形成算法,根据十字型阵列的景深划分多个发射聚焦区间,并通过菲涅尔近似,配置各聚焦区间的时延参数,保证近场的波束性能. 针对接收阵列,提出优化的CZT (chirp zeta transform) 波束形成算法,可实现远场和近场条件下的快速波束形成,且计算量低于其他波束形成算法. 仿真实验表明,在近场聚焦区间内,该算法的角度分辨率和旁瓣高度变化差异较小,波束图性能稳定. 实际水下实验证实该设计可以在探测场景内获得清晰的水下三维图像.     

无人水下航行器声自导技术研究

声自导技术的基础是波束形成技术,对波束形成技术的研究能够让我们更好地提高水下航行器的自动导引能力。本文首先对声自导系统的模型和基本职能进行了简单介绍,然后对波束形成技术和方位估计（参数估计）技术在无人水下航行器声自导技术上的应用进行了初步的研究,为我们将来发展新型无人水下航行器提供了一定的理论基础。     

一种利用非正弦信号的水下声成像方法

针对多波束成像声呐在基阵设计时需要考虑避免出现栅瓣的问题,提出了一种利用非正弦信号进行水下声成像的方法.该方法首先对基阵接收信号进行相关处理,然后提取相关信号的包络进行波束形成来成像.以矩形包络为例,研究结果表明,该方法形成的波束不会出现栅瓣,避免了选取阵元间距时必须小于或等于载波半波长的限制,与传统利用正弦载波的成像方法相比,可以有效地提高成像分辨率,且无旁瓣.利用所提方法分别对点目标和体目标的成像进行了计算机仿真实验,得到了很好的成像效果.     

基于二阶锥的扩展式矢量阵宽带恒定束宽稳健性设计

提出基于二阶锥的低频八臂扩展式矢量阵宽带恒定束宽波束形成设计方法。利用矢量传感器组合特点,采用二阶锥方法设计满足稳健性要求的低旁瓣期望波束,然后利用二阶锥设计满足期望波束的宽带恒定束宽波束。较好地解决了波束稳健性、低旁瓣和恒定束宽问题,仿真分析表明,对于基阵位置误差,该宽带波束形成器具备了稳健性、低旁瓣和宽带恒定束宽等特性。     

最大似然估计在辐射噪声源近场定位中的应用

为有效解决水下噪声源近场定位问题,本文针对常规聚焦波束形成及MVDR聚焦波束形成定位方法的空间分辨率不高及无法处理相干声源的缺点,介绍了基于最大似然估计的辐射噪声源近场定位方法,并利用遗传算法寻求最大似然估计的全局最优解,从而实现水下噪声源近场高分辨定位.通过计算机仿真及湖试数据处理验证了该方法可以实现辐射噪声源近场高分辨定位,且仅利用小孔径基阵就可以清晰分辨间距大约1 m的两相干声源,具有很高的工程应用价值.     

声固耦合方法在舰船水下爆炸中的应用

文章旨在探讨用声固耦合算法模拟舰船水下爆炸是可行的.该文应用国际上通用的有限元程序ABAQUS中的声固耦合算法对舰船几种典型的水下爆炸模型进行了计算和分析,总结和分析了采用声固耦合算法进行水下爆炸数值模拟分析时应注意的方法和技巧,并把部分计算数据和实测数据进行对比分析,结果表明:运用数值分析的手段可以比较真实地模拟舰船水下爆炸的实际,计算结果与实测数据基本吻合,可以满足工程要求.对与水下爆炸相关的工程计算有一定参考价值.     

一种小尺寸高精度水下运动目标测向算法的研究

针对水下目标运动轨迹的测量问题，提出了一种小尺寸十字阵的高精度测向算法，该算法同时利用运动目标载体上产生的单频信号和线性调频信号估计水下运动目标时延；并对小尺寸十字阵的测向算法进行了理论分析和计算机仿真，分析了阵形尺寸、信噪比等参数对测向精度的影响。仿真结果表明：该测向算法具有尺寸小、精度高的特点，可用于水下目标运动轨迹和运动参数的测量。     

水下声传感器阵列虚拟扩展技术研究

针对水下小孔径作战平台信号处理问题,给出了声呐阵列虚拟扩展技术的性能评估方法.建立了水下声传感器阵列虚拟扩展后的数学模型,推导了阵列实阵元总数、虚拟的新阵元数和虚拟一个阵元使用的实阵元数之间的数学关系式.给出了虚拟扩展后的阵列信噪比增益数学表达式,并分析了其与实阵元总数、虚拟的新阵元数和信号入射角度之间的关系.通过对虚拟扩展后阵列波束图的分析,论证了阵列波束宽度的变化及多目标分辨能力的改变.最终通过对扩展后阵列信噪比增益及多目标分辨能力的理论分析和计算机仿真,论证了虚拟扩展技术对阵处理增益、波束宽度等阵列主要性能指标的影响,并对该技术在实际工程应用中的适用条件进行了分析.     

水声信号盲分离的实数算法与复数算法

分析了实数算法和算数算法实现水声信号盲分离的原理，对几种没有复数形式的盲分离算法提出了修改，修改后的算法可以完成复数信号的盲分离，在三元均匀线阵列上对几种曲型的算法如FASTICA、ACY和EASI算法分主水声信号的性能进行了仿真。结果表明，在精确补偿延时形成波束的条件下实数算法性能与复数算法一致，在基阵几何尺寸存在误差和延时补偿不精确的条件下，实数算法无效，复数算法仍保持良好的性能。