矢量水听器线阵波束图

本文研究了矢量水听器均匀线阵的采用不同方式进行波束形成的波束图,并和声压阵相应的量进行了比较.结果表明,相对于声压阵,在不增加阵孔径的前提下,利用矢量水听器阵获得的波束主瓣更窄,旁瓣更低.利用声压和振速的联合处理,去除了声压线阵方位估计中的左右舷模糊.     

矢量水听器阵时频MUSIC算法研究

时频MUSIC算法利用信号的时频分布构造空间时频分布矩阵,并用该矩阵代替传统的相关矩阵进行DOA估计,可以有效抑制噪声和干扰,提高算法的稳健性。时频子空间算法突破了传统子空间算法中阵元数对估计信号个数的限制,时频点包含了信号的时频空三维信息,通过时频点的选择可直接确定信号的频率从而确定阵列流型矩阵。对于宽带信号,在进行方位估计时避免了频域搜索,减少了运算量。将时频MUSIC算法应用于二维矢量水听器垂直线阵中,充分利用矢量水听器的标、矢量信息和信号的时、频信息进行宽带信号的二维波达方位估计。仿真研究验证了算法的有效性。     

ESPRIT方法在矢量水听器多目标方位估计中的应用

利用矢量水听器的特点，将ESPRIT方法应用于矢量水听器的方位估计算法中。该算法用单矢量水听器，在无需知道信号先验信息的条件下，可以实现对多个不相关单色信号的入射角估计，并且不受频率方位模糊问题的影响。与声压传感器组成的阵列相比，在相当的阵列尺寸和计算复杂度的条件下，可大大提高估计性能。     

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.     

宽容自适应波束形成在矢量阵上的应用

矢量水听器由声压和振速水听器复合而成,可以共点同步测量声场中的声压与振速。相对于声压阵,使用矢量阵能在大部分观测区域实现无模糊定向,突破半波阵限制,扩展阵列孔径。当导向矢量精确已知和观测数据充分时,MVDR(Minimum Variance Distortionless Response)的分辨率和抑制干扰能力都优于常规波束形成(CBF)。在实际应用中,导向矢量存在误差或者时变,MVDR的性能严重恶化。RCB(Robust Capon Beamforming)是最近出现的一种宽容自适应波束形成算法,该算法直接对导向矢量进行估计作波束形成,从而有效避免了因导向矢量失配性能下降。推导了秩亏情况下的RCB,将其应用到矢量阵,海试结果表明了该方法的有效性。     

声矢量阵列的求根MUSIC算法及其性能分析

在传统声压传感器阵列的求根MUSIC算法的基础上,提出了基于矢量传感器阵列的求根MUSIC算法及其修正形式,通过接收阵列信号的空间谱,选择合适的引导方位,可实现声源的波达方向(DOA)估计.理论推导和仿真实验表明,采用均匀矢量传感器线性阵列的求根MUSIC算法在低信噪比、小快拍数情况下的估计性能要优于传统声压传感器阵列的求根MUSIC算法,同时该算法的计算量远远小于矢量传感器列的MUSIC算法.     

双平行线阵的水下二维DOA估计算法

利用集群自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles,AUV）进行的水下协同作业的需求越来越多。对于水下集群作业来说,AUV的水下定位非常重要。目前,AUV通常采用声学定位的工作模式,利用长、短基线阵对水下目标的二维波达方向（Direction of Arrival,DOA）进行估计,但在小型AUV上,基阵的阵列尺寸等受载体体积和换能器尺寸的共同限制,多信源条件下DOA估计的精度不高。设计低功耗平台,采用双平行线阵及传播算子算法来对多源目标进行二维DOA估计,结合通信与声学定位一体化方法,利用高频通信信号作为定位信号源,实现多信源环境中估计角度自动配对,在阵列尺寸受限的小型AUV上布放时,有较好的DOA估计效果。仿真结果验证了该方法的有效性。     

矢量水听器阵列自适应子空间跟踪算法

矢量水听器能同时共点获得声场中声压和振速,与其他水听器相比,能获得更多的信息量,具有很好的应用前景。矢量水听器阵列的MUSIC算法能实现360°无模糊方位估计,然而对于方位时变的目标源,该算法很难完成对上述目标源方位进行实时跟踪估计。鉴于此,将MALASE算法和MUSIC算法相结合,提出了一种矢量水听器阵列的自适应子空间跟踪算法。仿真结果表明,该算法既保留了MUSIC算法的性能,又实现了对目标源进行实时跟踪估计,且方位估计误差仅为0．4°左右。     

矢量线阵二维波达方位估计的方法

声矢量传感器南声压传感器和质点振速传感器组成,它可以空间共点、时间同步测量声场的声压标量和振速矢量信息。钏对声压线阵无法同时分辨目标的方位角和俯仰角,而三维矢量传感器线阵会带来成本的增加和工程应用上的困难．利用二维矢量传感器组成的直线阵对目标的二维波达方位进行联合估计,详细推导了矢量阵MUSIC算法的数学表达式,并着重对矢量线阵在三维坐标不同轴上时对方位估计的影响进行了研究。仿真结果表明二维矢量线阵布放在水平的X轴或Y轴上时存在方位模糊．而布放在垂直的Z轴上时可以实现全空间无模糊定向,且对双目标也有较高的分辨率。     

单矢量水听器方位频率联合估计新方法

旋转不变子空间法和多重信号分类法需假设背景噪声为独立的高斯白噪声或自相关矩阵已知,当条件不满足时算法的性能急剧下降。针对这一问题,根据矢量水听器多通道输出的特点,提出了一种基于平行因子模型的单矢量水听器方位频率联合估计方法。首先利用矢量水听器各个通道t时刻和t+1时刻的输出数据,计算声压和各振速不同组合时的四阶累积量,并构建三阶平行因子模型;然后分析了 PARAFAC 模型低秩分解的唯一性条件并利用三线性交替最小二乘算法得到了单矢量水听器阵列流形和相位延迟估计,进而得到目标的方位和频率估计。与旋转不变子空间法和多重信号分类法相比,该方法不需要子空间估计和谱峰搜索,在高斯噪声和拉普拉斯噪声背景下对多目标的分辨能力好于ESPRIT算法。仿真和实测数据的分析结果证明了算法的有效性。     

矢量拖曳阵水听器流噪声探讨

拖曳阵声纳的左右舷模糊是实际应用中需要解决的问题。采用矢量水听器可以较好地解决此问题。采用波数．频率谱方法讨论同振柱形矢量水听器的流噪声。根据圆柱套管外壁湍流边界层的特点和同振柱形矢量水听器的工作原理,导出矢量水听器的声压通道和振速通道的噪声功率谱。通过数值积分法估计了流噪声功率谱与护套尺寸、水听器尺寸和拖曳速度等参数的关系。针对同振柱形矢量水听器的特点,所得结果有实际参考价值。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。     

基于遗传算法的矢量水听器阵相位误差校正

研究了矢量水听器阵各通道存在相位误差时,用MUSIC算法对信号到达方向进行估计的问题,并在利用遗传算法估计相位误差来对阵列流型进行修正时引入自适应概念,得出更加准确的信号到达方向值。采用与适应度函数值相对应的交叉概率与变异概率,逐步搜索,首先计算适应度值,采用轮盘赌法进行选择操作,并保存个体的适应度值,按照适应度分配交叉概率和变异概率,进行交叉变异操作,取得误差的最优解,通过仿真,可以看出引入自适应概念后的遗传算法具有较为精确的估计阵列相位误差的功能。与传统遗传算法相比,此方法能很好地得到全局最优解,并且成熟收敛,计算机仿真结果验证了本方法的有效性和可行性。     

声压基阵误差单辅助矢量水听器快速校准方法

针对方位依赖的声压基阵误差校正困难问题,提出了声压基阵误差单辅助矢量水听器快速校准方法。利用精确校正的单只矢量水听器,就可以对声源方位及方位依赖的声压基阵幅度相位误差,进行无模糊的联合估计。由于阵元位置误差、互耦及通道的幅度相位误差均可以等效为方位依赖的基阵幅度相位误差,所以可以对多种同时存在的基阵误差进行校正。该方法适用于任意的阵列结构,不存在参数联合估计的局部收敛问题,只需参数的一维搜索,运算量小可实时在线完成。通过计算机仿真实验验证了该方法的有效性。     

解析声能流Capon空间谱估计

文章中把解析函数理论用于声矢量信号分析，提出了一个新概念“解析声能流”，给出了单矢量传感器输出的解析声能流表达式。并将这个新概念用于描述声矢量阵输出，得到了一种新的矢量阵输出模型“伪解析声能流”。利用该模型，推导了声矢量阵的Capon空间谱估计的表达式。理论分析和计算机仿真表明：1、解析声能流的实部和虚部具有正交的偶极子指向性，并且可以用移相的方法来旋转其主极大方向；2、在平面波和二维质点振速条件下，解析声能流将矢量叠加统一描述在它的相位中，从而可以综合描述声场的相位干涉和矢量结构；3、基于“伪解析声能流”模型，传统的Capon空间谱估计算法无需改动就可以直接用于声矢量信号处理，与传统的Capon空间谱估计算法相比，具有全空间无模糊定向能力、更低的旁瓣和对短时信号有更强的处理能力。     

基于矢量水听器阵的恒定束宽波束形成器的原理与设计

摘要：在对水下目标进行探测识别的应用中，一般要求声纳系统具备在较宽频带内形成恒定束宽波束的能力：过去对声纳恒定束宽波束形成器的研究一直针对声压水听器阵，近来随着对矢量水听器认识的深入，开展基于矢量水听器阵的恒定束宽波束形成器研究越发变得必要。本文正是体现了作者在这一方面的阶段性研究成果。文中首先介绍了单个矢量水听器的指向特性，接着提出了矢量水听器阵宽带恒定束宽波束形成器的实现原理和设汁方法，并以均匀等间距线阵为例，给出了获得实现恒定束宽算法所需频域加权矩阵的步骤，之后又进一步给出了恒定束宽算法的频域实现流程，并通过计算机仿真验证了其有效性：     

矢量线阵MUSIC算法抗空间混叠性能研究

利用矢量线阵可以提高对目标参数估计的性能,探讨了矢量线阵MUSIC算法的抗左右舷模糊性能和抗空间混叠性能。理论研究和外场试验结果表明,矢量线阵消除了声压线阵MUSIC方位谱的左右舷模糊,在阵元个数保持不变的条件下,空间降采样时,矢量线阵MUSIC空间谱不仅提高了方位估计的精度,而且能够抗空间混叠,在相同的条件下．矢量线阵MUSIC空间谱的抗空间混叠性能明显优于矢量阵常规波束形成方法。     

Examples of design curves for multirow arrays used with time-shift compensation

The effect of 1.75-D array element height on time-shift compensation is analyzed using a two-dimensional array system and a distributed aberration phantom. The analysis uses hydrophone measurements of transmit beams. The results indicate that, for imaging at 3 MHz through aberration representative of the abdominal wall, similar focus compensation performance can be expected from arrays with element pitches less than or equal to 3.0 mm.     

中频三轴向矢量水听器的研究

根据实际工程需要,设计、制作三轴向中频矢量水听器,其声压通道和矢量通道在结构上结合为一体,外形为两端带半球帽的圆柱形结构。矢量水听器体积为Ф44×88（mm）、工作频带为5Hz—8kHz。在驻波管和消声水池中对研制的矢量水听器进行了测试,测试结果表明：矢量通道的声压灵敏度级为-184dB(测量频率1kHz,0dB参考值1V/μPa),具有余弦指向性;声压通道灵敏度级为-198dB(0dB参考值1V/μPa)。研制的矢量水听器具有体积小、通道灵敏度高、使用时悬挂方便等优点,适合构建矢量水听器线阵。