稳健的波束优化设计及FPGA实现

在分析二阶锥规划(Second-Order Cone Programming,SOCP)算法的基础上,设计了声呐阵列并采用SOCP方法对其波束图进行了优化;根据SOCP的波束优化设计方法,设计了基于FPGA的16元均匀圆阵的波束形成器。目的在于提高波束优化设计的稳健性以及信号处理系统的运算实时性、运算精度等。对FPGA波束形成器的仿真性能进行了分析,主要分析了以下两个方面:首先分析了当权值位数不同时对波束形成器输出的影响,其次分析了波束优化设计方法的抗阵列流形误差的性能。仿真设计结果和实验表明本文方法的有效性。二阶锥波束优化设计的波束图有着良好的稳健性,采用12位权值的FPGA波束形成器,抗阵元位置误差性能也比较好。     

任意结构基阵波束优化的稳健性分析

分析了任意结构基阵波束优化的稳健性。首先从理论上推导了阵列误差、权向量误差和权向量范数等因素与波束旁瓣畸变之间的关系,并利用优化波束的白噪声增益和权向量范数之间的关系,提出了任意结构基阵波束优化时权向量范数约束上限的选取方法。针对圆阵进行了大量的计算机仿真,分析了不同权向量范数约束条件下获得的优化波束的稳健性,证明了理论推导的正确性。     

基于洛伦兹锥规划的声矢量阵宽容自适应波束形成

针对矢量阵Capon波束形成对阵列误差尤其敏感这一不足,提出了运用洛伦兹锥规划(LCP,Lorentz Cone Pro.gramming)实现导向矢量范数约束来提高波束形成鲁棒性的方法.鉴于矢量水听器声压分量和振速分量对阵列误差敏感程度不同的特点,采用了"双线约束"的策略.将范数约束波束形成转化为LCP形式,通过内点...     

基于二阶锥规划的稳健低旁瓣自适应波束形成

针对水下成像时圆弧阵常规波束旁瓣级较高,当存在强干扰时容易带来较多虚警的缺点,提出一种基于二阶锥规划的稳健低旁瓣自适应波束形成方法。该方法通过对波束旁瓣进行优化设计,可以将波束旁瓣级进行严格控制,并进一步结合协方差矩阵重构法,使波束形成器的稳健性得到提高,最后将该波束优化问题转化为二阶锥规划问题进行求解。计算机仿真结果表明,相较于其他算法来说,文中算法在波束旁瓣级得到严格控制的同时,可以在存在各类失配的情况下获得更高的输出信干噪比,稳健性更高。水池实验进一步验证了该方法的有效性,该研究成果可以在声呐成像领域应用。     

球谐域二次Dolph-Chebyshev波束形成的设计

提出了一种球谐域二次Dolph-Chebyshev波束形成方法,该方法在常规波束形成方法和Dolph-Chebyshev波束形成方法的基础上通过平方Chebyshev多项式来计算波束形成的权值.在保持主瓣最大增益不变的情况下,通过平方Chebyshev多项式可以降低旁瓣的最大增益.因此,这种改进的波束形成在保证与前两者具有相同主瓣宽度的同时,能有效地限制旁瓣,提高声场分辨率.且在低频时具有更高的白噪声增益,从而提高球阵处理噪声的能力.仿真实验通过将这三种波束形成方法进行比较,验证了球谐域二次Dolph-Chebyshev波束形成方法的有效性.     

随机相幅误差对舷侧阵MVDR波束形成器阵增益的影响

舷侧阵正常工作时,由于海洋环境比较复杂,以及每路水听器通道的传输特性不完全一致,使舷侧阵每一个水听器输出信号的相位和幅度叠加了一个随机误差。在作MVDR自适应波束形成时,该随机误差的存在将影响到基阵的阵增益,降低检测能力。仿真结果表明:幅度和相位误差的存在会降低MVDR波束形成器的阵增益,两类误差越大,阵增益就越小;输入信噪比越高,MVDR波数形成器的阵增益就越小。文中从统计学角度分析了随机相幅误差对协方差矩阵的影响,然后通过数值仿真得到阵增益的变化规律。     

单个矢量水听器空间处理增益分析

本文把单个矢量水听器看做传统意义上的一个声压阵,进行了常规波束形成和乘积波束形成.对照声压阵的阵增益形式,对单个矢量水听器的空间处理增益进行了理论上的分析.文中给出了白噪声背景下和球形各向同性噪声背景下单个矢量水听器的阵增益计算公式.理论分析表明,在一定的组合方式下,一个矢量水听器比一个声压水听器最大可有7.8dB的空间增益.可以形成单边指向性,克服水听器成阵后的左右模糊问题.这些都说明矢量水听器有极大的工程应用价值.     

基于SOC规划的稳健盲波束形成算法

通过限制估计的方向向量与真实的方向向量之间的误差范数的边界,提出了一种基于二阶锥（Second Order Cone,SOC）规划的稳健四阶累积量盲自适应波束形成算法。该算法相较于采用传统对角加载技术的高阶累积量盲波束形成算法和WCPO-RCUM算法而言,进一步提高了稳健性和输出信干噪比。计算机仿真实验表明,该算法具有很好的稳健性。     

信号调制白噪声作用下线性系统的随机共振

研究了信号调制白噪声作用下的二阶过阻尼线性系统中的随机共振现象.基于线性系统理论和相关删去法方法,得到了系统平均输出幅度增益的精确表达式.研究表明:输出幅度增益是噪声强度,系统阻尼系数和系统固有频率,以及激励信号频率的非单调函数,适当的噪声强度和系统参数可以使噪声情况下的输出幅度增益大于无噪声时的输出幅度增益.     

单个二阶组合水听器的性能分析

对二阶组合水听器在各向同性噪声场中的工作性能进行了分析。推导了各向同性噪声场中二阶组合水听器输出的自协方差矩阵,分析了两种基于单个二阶组合水听器的波束形成方法,在此基础上推导了二阶组合水听器两种波束形成方法的处理增益公式。仿真结果表明,二阶组合水听器在小孔径下具有更好的指向性和更大的处理增益,它的常规波束形成器处理增益分布在5.23 dB-6.12 dB之间;它的MVDR波束形成器在不同方向具有相同的增益,值约为9.54 dB。