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。     

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。     

水声基阵波束图分析与优化设计软件

介绍西北工业大学开发的水声基阵波束分析与优化设计软件.该软件针对给定的基阵形式,可以设计期望的波束图,然后通过优化方法获得最优的波束形成权系数.同时软件还可以分析水声基阵的常规波束图和最优波束图,并计算波束图的主瓣宽度、旁瓣级、栅瓣位置、指向性指数等主要指标.软件中考虑的基阵形式主要有直线阵、圆阵、圆柱阵、平面阵、球阵、体积阵等.本软件的有效性通过波束优化设计与分析实例得到了验证.     

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。     

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.     

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.     

不等间距线列阵波束形成

介绍了不等间距波束形成的基本原理和分析方法,分别计算了10元、16元和32元线列阵阵元不等间距分布时的波束图。采用z变换的方法,将等间距幅度加权的波束形成的幅值分布转化为不等间距波束形成的距离分布。仿真结果表明该方法对于第一、第二旁瓣的抑制较好,并且主瓣并未明显展宽。     

基于基阵特性提高声发射频次的方法研究

针对传统的多波束探测效率低等问题,提出了一种利用栅瓣来提高声发射频次的方法.在设计发射波束形成的基阵时,为了防止由于阵元间距过大产生栅瓣,通常采用密排阵的方式来规避栅瓣现象,但这样又会增加发射机的复杂程度.然而,栅瓣的存在也有其本身可以利用的价值.本文利用MATLAB对发射波束形成的方向图进行了仿真分析,总结了在不同基阵条件下主瓣和栅瓣的变化规律.介绍了利用线列阵同时向两个不同方向发射波束的方法,并利用加权法对阵列特性进行了优化.     

超指向性扬声器的阵列设计与研究

超指向性扬声器的阵列设计要求阵列具有高指向性,并且无旁瓣.基于对线列阵和矩形平面阵的理论分析,以及均匀线列阵和矩形交错阵的理论分析和比较,提出了一种六边形交错阵列设计,计算机模拟和实测均表明该阵列3dB波束宽度小于5°主旁瓣比为8.3,满足设计要求.初步分析了传感器相位对换能器阵列指向性的影响,为挑选换能器阵元组成阵列提供了理论指导.     

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。     

混凝土结构健康检测的声发射圆阵波束形成仿真分析

采用了声发射(Acoustic Emission,AE)均匀圆阵并分析其波束形成特性,通过仿真分析了阵元数目及声发射模拟信号频率的变化对波束模式的影响.结果表明,当频率不变,阵元数目为4~32时,随着阵元数目的增加,角分辨率保持不变,最高旁瓣降低,可达-8 dB左右.混凝土结构内部缺陷声发射信号的超声频段一般在25~200 kHz,当阵元数目不变时,随着频率的升高,角分辨率随之升高,最高旁瓣也随之增大.另外,文中提出如何设计一个性能相对稳定的阵列,并通过从噪声信号中提取有用信号的实例说明声发射均匀圆阵空间匹配滤波性能.     

Sidelobe suppression in ultrasound imaging using dual apodization with cross-correlation

This paper introduces a novel sidelobe and clutter suppression method in ultrasound imaging called dual apodization with cross-correlation or DAX. DAX dramatically improves the contrast-to-noise ratio (CNR) allowing for easier visualization of anechoic cysts and blood vessels. This technique uses dual apodization or weighting strategies that are effective in removing or minimizing clutter and efficient in terms of computational load and hardware/software needs. This dual apodization allows us to determine the amount of mainlobe versus clutter contribution in a signal by cross-correlating RF data acquired from 2 apodization functions. Simulation results using a 128 element 5 MHz linear array show an improvement in CNR of 139% compared with standard beamformed data with uniform apodization in a 3 mm diameter anechoic cylindrical cyst. Experimental CNR using a tissue-mimicking phantom with the same sized cyst shows an improvement of 123% in a DAX processed image.     

一种新型的OFDM智能天线

根据自适应天线阵列理论，结合给定的参考波束的误差，引入虚拟干扰的概念，对目标波束图形状进行调整，提出一种新的可以应用于任意类型天线阵列的波束综舍算法．应用提出的新算法，在主辩和旁瓣位置都可以对波束进行有效的调节．最终获得阵列的最优权矢量，能够最小化目标波束图与参考波束图间的差异．理论分析与仿真结果表明，与现有的同类算法相比，该算法能更有效地获得与参考波束基本相符的波束．应用于OFDM智能天线系统时，对不同子载波频率上信号进行单独处理，利用该算法进行波束综合，能够在整个有效频段，使所有子载波上获得基本一致的阵列输出．     

Sparse-periodic hybrid array beamformer

A novel approach to the design of spatial arrays is presented. The hybrid array beamformer consists of a sparse array in which some of the elements are arranged periodically, thus creating a periodic sub-array. The outputs of the sparse and periodic arrays are then fused to create a beampattern with good resolution and low peak sidelobe levels. This approach is seen as matching the performance of standard periodic arrays but with a significant saving in terms of the required number of elements. Applications include sonar, radar and ultrasonic systems     

A Fourier transform-based sidelobe reduction method in ultrasound imaging

Focusing is widely used to increase the resolution in medical ultrasound imaging systems. Focusing increases signal levels returning from the mainlobe direction and decreases those from sidelobe directions. The sidelobes, when not completely cancelled, deteriorate the resulting image resolution. This paper proposes a method of improving the resolution by scaling the received signal according to the ratio between the mainlobe and the sidelobe levels computed in the frequency domain by the use of Fourier transform. The proposed method is verified by computer simulation and experiment and is shown to be highly effective in narrowing the mainlobe width and decreasing the sidelobe levels at the same time.     

单向水听器及其在波束形成中的应用

提出常规反向波束形成技术,构建了单向水听器,并探讨其应用于阵列波束形成的可能性。系统地构建单向水听器模型,导出常规反向波束形成技术,证明得到其空间响应单指向性的存在条件,其指向性指数在3~4.8 d B范围内。以单向水听器为基元构建标准线列阵进行常规波束形成,并与全向水听器比较,理论证明了使用单向水听器能够为线列阵提高3~4.8 d B的指向性指数。仿真实验结果验证了单向水听器自身具有心脏形空间响应、3~4.8 d B的指向性指数和空间响应的宽带一致性等三种特性,使用单向水听器能够在主瓣宽度不变的同时降低旁瓣级、提高指向性指数、保持良好的稳健性。因此,提出的常规反向波束形成技术是一种构建单向水听器的有效方法,在阵列波束形成中使用单向水听器是可行的、有利的。