基于二阶锥规划的稳健高增益波束形成

针对最优波束形成对基阵的轻微误差非常敏感这一缺点,提出了运用二阶锥规划方法实现白噪声阵增益约束来提高优化波束形成稳健性的方法.白噪声阵增益约束波束形成能够提高优化波束形成对误差的稳健性.本文将白噪声阵增益约束波束形成转化为二阶锥规划(second-order cone programming)形式,通过内点方法(interior point)来求出其数值解.计算机仿真结果验证了该方法的正确性.     

一种旁瓣级可控的MVDR波束形成算法

针对传统的最小方差无畸变响应（Minimum Variance Distortionless Response,MVDR）波束形成方法存在的旁瓣较高且抑制干扰性能不稳健的情况,提出一种旁瓣级可控的自适应波束形成算法。该算法在MVDR基础上进行峰值搜索,将获得的峰值点从大到小进行排序,取次大值作为最高旁瓣的值,将得到的最高旁瓣值与期望旁瓣值比较,在其方位添加虚拟干扰加以抑制,从而得到新的波束图。再对新的波束图进行峰值搜索,不断重复上述过程,经过有限次迭代以达到期望旁瓣值。计算机仿真结果表明在均匀线阵基础上该算法能够将旁瓣控制到期望旁瓣级以下且比较稳健。     

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。     

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。     

压缩感知波束形成算法性能分析

波束形成声源识别技术具有测量速度快、计算效率高等优点,被广泛应用。因为其"主瓣"过宽造成空间定位精度低,"旁瓣"既高又多导致出现许多"鬼影"声源,从而限制其得到进一步应用。为解决以上问题,利用压缩感知理论中贪婪算法对信号的重建方法,改进常规波束形成算法,提出一种压缩感知波束形成方法。对单极子声源和相干声源进行声源识别数值模拟仿真,结果表明:与函数波束形成方法相比,压缩感知波束形成方法在识别单极子声源和相干声源时,定位精度更高,更能使旁瓣得到有效衰减,分辨率提升更大,并能够大幅缩短识别时间,具有一定的研究意义。     

基于高阶矩阵函数的广义逆波束形成改进算法

广义逆波束形成是一种高效的声源识别定位方法,然而其计算稳健性易受随机噪声影响,阻碍了其声源识别动力学水平进一步提高。为改善广义逆波束形成声源识别方法的稳健性,基于高阶矩阵函数提出一种广义逆波束形成改进算法:定义了基于广义逆波束形成的正则化矩阵;对正则化矩阵与波束形成输出进行迭代运算;利用高阶矩阵函数对迭代求解所得广义逆波束形成输出的互谱进行优化。通过数值仿真详细分析了声源频率对波束形成矩阵函数阶次取值的影响,得到阶次的最优取值区间。最后通过数值模型和实验算例对单极子与相干声源进行定位识别,结果表明:改进算法在准确识别声源基础上能有效抑制旁瓣干扰,且具有更高的声源识别精度。     

基于滑动平均的等间隔线阵逆波束形成

逆波束形成算法与常规波束形成相比具有较高的方位分辨力和阵增益,抑制噪声能力强,但其旁瓣却较高,因此采用峰值统计信息作为输出。这样解决了高旁瓣下信号检测的问题,但却丢失了功率谱密度信息。本文在分析逆波束形成算法高旁瓣起因的基础上,提出了用滑动平均抑制旁瓣的方法。仿真分析结果表明,滑动平均方法在保留逆波束形成算法高分辨力的基础上,有效的抑制了旁瓣(第一旁瓣下降了2dB～3dB)。因此,可以采用传统的方法进行输出,以保留功率谱密度信息。海上试验数据的处理结果进一步验证了滑动平均方法的优点。     

一种利于工程应用的快速反卷积波束形成方法

针对传统的反卷积波束形成算法在处理宽带随机信号时计算量过大的问题,给出了一种利于工程应用的快速反卷积波束形成方法。利用不同频率阵列波束图的相似性,将宽带随机信号划分成非等间距的多个窄带,并在每个窄带取一个频率点的点扩散函数(Point Spread Function, PSF)进行反卷积的近似处理,极大地提高了反卷积波束形成的计算速度。通过在波束功率谱上进行边界扩展,解决了因 Richardson-Lucy(R-L)迭代算法带来的边界模糊问题,进一步提高了计算速度。仿真和海试结果表明,该方法相对于常规波束形成具有更高的分辨力、更高的处理增益和更好的旁瓣抑制能力;相对于传统反卷积波束形成计算速度提升了 50%以上。     

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.     

旁瓣约束方向不变恒定束宽波束自适应综合

将自适应加权方法应用于波束图的主瓣控制研究,提出了方向不变恒定束宽波束形成算法。在波束图旁瓣区域引入若干虚拟干扰源,自适应调整干扰强度,改变波束形状。以主瓣某一指向的波束宽度为参考,以每次迭代后波束图最低旁瓣峰值与主瓣峰值的差作为下次迭代运算的预设主旁瓣比,在保持主瓣区域宽度不变的情况下,用自适应综合的方法获得不同主瓣指向上的最低均匀旁瓣。将该算法应用于均匀线阵和半球面阵,均在±60°的范围内得到了方向不变恒定束宽波束。研究表明,该算法不仅适用于均匀线列阵,也可用于任意结构阵列。     

Implementation of broadband low-sidelobe beamforming in time domain

In modern active and passive sonar systems, broadband beamforming for acoustic arrays is widely used to suppress unwanted interference and to detect target signals of interest. A broadband low sidelobe beamforming scheme in time domain is proposed in this paper. The first step of this scheme is to delay the outputs of each element in the acoustic array by a tapped-delay-line (TDL) to accomplish the integer part of the time delay need to form a beam. Then, finite impulse response (FIR) digital filters are used to implement the fractional part of the time delay. The weighting coefficients for all array elements at different frequencies to realize the low sidelobe beams are also implemented with the FIR digital filters. Finally, the outputs of the digital filters are summed up to yield the time domain beam output. The design of low sidelobe beam pattern and that of the FIR digital filters are two crucial technical issues in this beamforming procedure. The low sidelobe beams of each sub-band are designed using the optimized beam synthesis approach based on the principle of MVDR beamforming. An improved adaptive approach are used for the design of FIR digital filters, and the design requirements of these filters were specified by the weights of low sidelobe beams of each sub-band over the broad frequency band. Results of computer simulation for a twelve-element arc array show that the beamforming scheme is very effective in forming low sidelobe broadband beam.     

基于多普勒特征恢复的声矢量阵鲁棒自适应波束形成方法

在短快拍、信号导向矢量失配环境下,传统的自适应波束形成方法性能受到影响,对角加载技术是提高算法在复杂环境下性能鲁棒性的重要技术之一。针对水声环境和水声信号特点,提出一种基于声矢量阵的自适应波束形成方法。该方法利用水声信号的多普勒频率信息,在不同环境下自适应地选择最优对角加载因子,确定波束形成的权矢量,从而实现提取期望目标信号、抑制干扰和噪声的目的。无需任何用户参数,鲁棒性强、估计精度高。最后基于声矢量阵进行仿真实验,仿真结果证明了所提出的方法能够有效地获取目标信号,具有较好的抗干扰能力。     

Benefits of Minimum-Variance Beamforming in Medical Ultrasound Imaging

Recently, significant improvement in image resolution has been demonstrated by applying adaptive beamforming to medical ultrasound imaging. In this paper, we have used the minimum-variance beamformer to show how the low sidelobe levels and narrow beamwidth of adaptive methods can be used, not only to increase resolution, but also to enhance imaging in several ways. By using a minimum-variance beamformer instead of delay-and-sum on reception, reduced aperture, higher frame rates, or increased depth of penetration can be achieved without sacrificing image quality. We demonstrate comparable resolution on images of wire targets and a cyst phantom obtained with a 96-element, 18.5-mm transducer using delay-and-sum, and a 48-element, 9.25-mm transducer using minimum variance. To increase frame rate, fewer and wider transmit beams in combination with several parallel receive beams may be used. We show comparable resolution to delay-and-sum using minimum variance, 1/4th of the number of transmit beams and 4 parallel receive beams, potentially increasing the frame rate by 4. Finally, we show that by lowering the frequency of the transmitted beam and beamforming the received data with the minimum variance beamformer, increased depth of penetration is achieved without sacrificing lateral resolution.     

一种新的稳健CAB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,提出了一种新的稳健CAB（周期自适应波束形成）盲自适应波束形成算法。该算法克服了方向向量失配引起的自适应波束形成器的性能劣化问题。计算机仿真试验表明,较采用传统对角加载技术的R-CAB盲波束形成算法和WCPO-CAB算法而言,该算法进一步提高了稳健性和输出信干噪比。     

近场波束形成的约束最小平方和法

文章研究了近场情况下的波束形成问题。对于任意结构阵列,提出了近场波束形成的一种约束最小平方和法,用近场信号模型来设计近场波束。该方法借助于优化工具箱,在对波束旁瓣施加约束的条件下,使波束主瓣的误差平方和最小。该方法在主瓣区域和旁瓣区域都能得到满足设计要求的波束性能,可以方便地控制期望响应,简单易行。基于32元均匀离散圆阵的仿真设计结果表明了文中方法的有效性。     

采用约束最小平方和法实现近场波束形成

本文研究了近场情况下的波束形成问题。对于任意结构阵列,提出了实现近场波束形成的一种约束最小平方和法,由近场信号模型来设计近场波束。该方法在对波束旁瓣施加约束的条件下,使波束主瓣的误差平方和最小,可借助于优化工具箱实现。该方法在主瓣区域和旁瓣区域都能得到满足设计要求的波束性能,不仅可以方便地控制期望响应,而且简单易行。基于32元均匀离散圆阵的仿真设计结果表明了本文方法的有效性。     

MVDR自适应波束形成技术在水声中的研究进展

高分辨波束形成器比常规波束形成具有更好的方位分辨力与干扰抑制能力。该波束形成器能够提高阵列输出信干噪比,从而提高声呐的探测性能。与多重信号分类、旋转不变子空间等方法相比,最小方差无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器输出真实反映了观察方向的信号功率,同时可提供波束时间序列做后置处理,在水声阵列处理领域得到了快速发展和深入研究。对高分辨MVDR技术在水声阵列处理中的研究进展进行了回顾,重点介绍了其宽带处理、稳健性、运动补偿、解相干等国内外的研究热点和最新成果,同时给出其在各种水声阵列处理领域的应用前景。