一种新的被动水声探测盲自适应波束形成器

提出了一种适合拖曳线列阵鱼雷自导系统的新的被动水声探测盲自适应波束形成器。介绍了该方法的设计思路和推导原理,然后通过计算机仿真验证了该方法的收敛性,并在不同信噪比、快拍数条件下与单独使用自适应MVDR波束形成器在角度估计方面做了对比。与单独使用盲源分离算法在源信号估计方面作了比较。最后证明该方法是一种稳健的、对信噪比变化不敏感的适合被动水声探测的新方法。     

超波束处理在被动声纳频谱分析中的应用

超波束技术(HBF)作为一种新的高分辨力波束形成方法,在阵列尺寸一定的条件下,能够同时降低主波束宽度和旁瓣,从而提高目标检测能力和定位精度.但超波束输出丢失了信号相位信息,无法进行侦听和频谱分析等后置处理.对常规HBF进行了改进,利用HBF输出对常规的波束形成(CBF)进行加权,在保证高分辨力和低旁瓣的同时,又保留了波...     

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。     

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。     

线阵分裂波束处理技术在水声探测中的应用

声呐波束形成处理通常输出各个方位上的目标能量信息,利用指向性极大值位置给出目标的大致方位。为了得到更加精确的目标方位估计,需要寻找对目标方位微小变化作出灵敏反应的物理量。分裂波束处理所输出的各个方位二子阵的相位差信息,对方位变化十分灵敏,其测向精度接近于克拉美罗下界,不需增加太大运算量即可显著提高声呐系统测向精度,在水声中得到了广泛研究和应用。对线阵分裂波束处理在水声探测中不同的应用进行了梳理和总结,重点阐述了基于分裂阵半波束处理的被动声呐宽带相关检测、主动声呐相位单元化处理、超波束形成和水下慢速目标相位差空时方差自动检测跟踪(Automatic Detection and Tracking,ADT)技术的原理、处理流程和结果。     

基于ac-MVDR高分辨算法的被动时反近场声源定位方法研究

为了克服多途效应对水下复杂结构声源的近场定位精度的影响,研究了基于幅度相位联合补偿的MVDR(ac-MVDR)算法的被动时反近场声源定位方法,该方法一方面将幅度补偿引入到MVDR近场聚焦波束形成中,充分利用声场的幅度相位信息重建声源平面上的噪声源空间位置分布,实现高分辨定位;另一方面可综合多途信息,对信号进行空时被动聚焦的同时,在信道输出总能量强的目标处实现选择性聚焦。通过仿真和实测数据的处理分析表明,该方法可有效的克服多途干扰,提高水下声源的近场定位精度。     

结合波束形成和GAN网络的多通道语音增强研究

后端滤波处理是多通道语音增强系统中一种比较常用的技术,其目的是为了进一步提高语音增强系统的性能,提高波束形成后的输出信噪比。但是,常用的后滤波方法需要相当繁琐的参数调整过程才能实现噪声抑制和语音质量之间的合理权衡。本文提出一种基于最小方差无畸变(MVDR)波束形成和生成对抗深层神经网络相结合的多通道语音增强算法。前端使用波束形成器对信号进行初步增强;后端滤波处理采用生成对抗深层神经网络,避免了繁琐的参数调整过程。实验系统是通过MATLAB和Tensor Flow仿真实现,结果证明了该方法的有效性。     

阵列信号维纳滤波用于主动声呐图像增强处理

声呐图像的噪声背景抑制是提高水下目标检测能力的重要问题。针对声呐图像背景斑点噪声强、目标轮廓模糊、目标回波对比度低等问题,利用确定性目标回波信号与随机分布的干扰噪声之间的相关统计特性差异,采用基于最小均方差准则的阵列信号维纳滤波器,通过主动最小方差无畸变响应（Minimum Variance Distortionless Response,MVDR）波束形成和后置维纳滤波的两级处理,去除声呐随机噪声背景。试验数据的处理结果表明：在噪声干扰条件下,相比于常规波束形成（Common Beamforming,CBF）,主动MVDR处理提高了目标回波的局部信噪比,后置维纳滤波处理降低了随机分布的斑点噪声,使声呐图像的清晰度得到增强。     

有向阵元圆形阵列声纳波束形成原理及实现

有向阵元阵列接收具有区域指定性好和灵敏度高的优点而被广泛应用于雷达、水声信号目标探测。探讨了基于有向阵元圆阵的波束形成原理并设计出基于FPGA的自适应数字波束形成（ADBF）模块，仿真结果表明有向阵元形成的波束图较全向阵波束图有明显改善，LMS自适应算法对干扰能有效抑制，从而提高了系统输出信号干扰噪声比（SINR）。     

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。     

MVDR自适应波束形成的一种智能算法

最小方差无失真响应（MVDR）自适应波束形成方法在声纳阵列信号处理中得到了广泛的应用。当存在强干扰时,传统的MVDR算法的稳定性较差,在有限次快拍数条件下,会带来一定的信噪比损失。将粒子群优化算法（PSO）引入MVDR的求解过程,提出了一种MVDR的数值实现方法。该方法在保持信号能量不变、干扰和噪声能量最小的约束条件下,利用粒子群优化算法通过数值搜索的方法获得MVDR的最优权向量。在小快拍数条件下,较一般的MVDR具有更好的抑制干扰能力。计算机仿真结果验证了该方法的有效性。     

Adaptive beamforming for array imaging of plate structures using lamb waves

Lamb waves are considered a promising tool for the monitoring of plate structures. Large areas of plate structures can be monitored using active arrays employing beamforming techniques. Dispersion and multiple propagating modes are issues that need to be addressed when working with Lamb waves. Previous work has mainly focused on standard delay-and-sum (DAS) beamforming while reducing the effects of multiple modes through frequency selectivity and transducer design. This paper presents a minimum variance distortionless response (MVDR) approach for Lamb waves using a uniform rectangular array (URA) and a single transmitter. Theoretically calculated dispersion curves are used to compensate for dispersion. The combination of the MVDR approach and the two-dimensional array improves the suppression of interfering Lamb modes. The proposed approach is evaluated on simulated and experimental data and compared with the standard DAS beamformer. It is shown that the MVDR algorithm performs better in terms of higher resolution and better side lobe and mode suppression capabilities. Known issues of the MVDR approach, such as signal cancellation in highly correlated environments and poor robustness, are addressed using methods that have proven effective for the purpose in other fields of active imaging.     

改进的被动时间反转阵处理水下通信

时间反转技术由于不受环境制约,能自适应实现信道多途压缩和对指定点的空间聚焦,降低多用户通信过程中的码间干扰和同道干扰,广泛应用在水声通信领域。利用垂直阵加权处理的方法,在被动时间反转的基础上增加了一抵消项,抑制其中一个用户在接收阵的接收幅度以达到对另一用户指定通信的目的。模拟仿真显示该方法比单独只用被动时间反转处理,误码率能降低一半。海上试验数据处理结果与模拟仿真基本一致。     

CW脉冲回波信号的最小方差无畸变响应自适应检测

建立了适用于解析时间序列信号检测的最小方差无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)自适应处理模型(Time Series MVDR,TSMVDR),并针对CW声纳脉冲回波信号,通过构造解析信号和分段近似处理给出了相应算法(Algorithms of TSMVDR on CW pulse signal,AWMVDR),并进行了数值仿真研究。研究结果表明:对于CW脉冲信号:(1)在较高采样率的条件下,AWMVDR可以实现CW脉冲信号稳定的自适应检测;(2)AWMVDR较常规线性相关检测具有更高的脉冲参数估计精度和时间分辨力;(3)AWMVDR的实现需要付出较高采样率和更大计算量的代价。     

阵间模基处理被动定位技术研究

随着目标声源级不断减小、环境噪声级不断增大,常规的基于单节点的被动定位方式已经不能满足声纳探测的需求,因此提出一种新的将网络化探测系统和模基处理技术相结合的被动定位方法,可以从空间不同角度对目标进行观察并充分利用环境声场的复杂性对目标进行定位。模基处理方法主要有匹配场处理、匹配模处理等,以匹配场处理为例进行分析,将常规波束形成(Conventional Beamforming, CBF)、自适应波束形成(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)两种匹配场处理器和阵间相干、非相干信号处理方法相结合进行仿真,对单阵和多阵、MVDR和CBF、相干处理和非相干处理、宽带和窄带之间的定位性能进行了对比。仿真结果显示,基于多节点的阵间模基相干处理方式在定位性能上明显优于单节点的模基处理结果。     

矢量线列阵波束形成算法的左右舷分辨性能

研究矢量均匀线列阵波束形成算法的左右舷分辨性能。水听器可同步共点地测量声场的声压和质点振速,为一具有指向性的空间共点阵,从而能够解决单线阵声呐的目标左右舷模糊问题。文章分析了采用不同波束形成方法时矢量阵广义Cardiod处理和声强处理的目标左右舷分辨性能,并利用海试数据进行了验证。研究结果表明:自适应波束形成具有比常规波束形成更佳的左/右舷分辨性能,且对矢量阵处理而言,广义Cardioid处理更为稳健和实用。     

低快拍下基于RBF的CSB sin-FDA稳健波束形成

针对抑制与目标位置接近的平台外随队干扰的过程中,MVDR波束形成器在阵元数较大、快拍数不足时的主瓣畸变问题展开分析。以CSB sin-FDA接收阵列结构代替ULA-FDA接收阵列。快拍数不足时,将修正后的协方差矩阵导入模糊RBF神经网络计算最优权矢量,避免了矩阵求逆运算。与基于PA及FDA-BFF的MVDR波束形成器相比,在低快拍情况下,该方法在干扰位置处形成有效零陷的同时,主瓣指向能够保持在目标位置。且方向图仅在目标位置处形成单一主瓣峰值,这也为后续关于目标参数估计的一系列分析中的模糊消除奠定了重要基础。数值仿真验证了该方法的有效性。     

硅微声光传感特性的实验研究

硅微声光传感器是一种由硅微列阵簧片和光纤组合成的新型传感器，这种传感器在完成声光转换的同时对声频信号进行了并行滤波处理，可用作神经网络的并行输入，是一种光机电一体化的传感系统。本文中叙述通过纤反射强度调制技术检测硅簧片振动信号的方法；通过实验研究，完成了对声光调制信号的探测和预处理，并给出了实测数据及其分析。为实现音频编码和振动信号的实时分析，本文中还给出了采用人工神经网络对阵列传感器的输出信号进     

基于图像处理器的传声器阵列实时声成像方法

为了解决传声器阵列用于声场分析时的精确且快速声成像的技术难题,提出了一种利用图像处理器(Graphics Processing Unit,GPU)的通用计算技术实现快速声成像算法。可控响应功率算法是广泛应用的一种声源定位算法,但计算量巨大,阻碍了它在实际场合中的应用。通过将可控响应功率算法进行任务分解及线程映射,实现了利用计算统一设备架构实现的基于GPU的可控响应功率声源成像定位算法,在特定阵元通道数和信号长度情况下,与基于CPU的声源定位计算方法相比,综合计算效率提高了约20倍,并将其成功地应用于平面螺旋阵的声成像应用中,实现了实时声成像定位。     

声场分解的均匀圆阵实值MUSIC算法

经典方位角估计算法中未考虑阵列安装支架对阵列接收信号的影响,实际中阵列安装支架必然会对阵列接收信号产生影响。以环绕在刚性球上的均匀圆阵为阵列模型。在对声场特性的分析中将声学原理和阵列信号处理技术相结合,探讨了存在刚性球形障碍物时的声源方位角估计问题。首先从声学理论出发,分析了刚性球体散射声场及声场分解,讨论了刚性球体对圆阵响应的影响;进而结合阵列信号处理技术,在对声场分解所得到的特征波束空间,利用实值MUSIC算法实现了声源方位角估计。计算机仿真表明,该算法能较好地估计出空间多个声源的方位角,且计算量小,估计精度高,具有解相关声源的能力。