改进的相控阵多普勒计程仪波束形成技术

目前相控阵式多普勒计程仪的基阵体积比活塞式多普勒计程仪已经缩减了很多,该技术只需通过一个收发共用的平面基阵实现信号的发射和接收,可以同时形成4个方向的波束,大大减小了基阵的尺寸,同时还消除了声速变化对测速的影响。但在中深度和大深度多普勒计程仪设备中,换能器基阵的体积仍然限制了其适装的载体种类。以多普勒计程仪小型化思想为核心,分析了密排相控阵多普勒计程仪波束形成技术,对多普勒计程仪进行集成化、小型化设计。针对密排相控阵波束形成技术,比较其发射指向性、声源级、信噪比、系统复杂度与稀疏相控阵的差异。分析表明,在相同频率、相同发射功率以及相同尺寸的条件下,密排相控阵的收发联合响应较稀疏相控阵提高近6 dB。同时在相同测速作用距离的条件下,利用密排相控阵技术可以减少换能器阵元数,从而减小换能器尺寸,达到小型化的目的。     

相控阵ADCP编码信号相移波束形成

相对于活塞式声学多普勒流速剖面仪,相控阵声学多普勒流速剖面仪的换能器体积大大缩小,并且依托相控阵本身的物理特性,无需进行声速补偿。利用窄带相控阵声学多普勒流速剖面仪系统进行编码信号的发射与接收,从而提高相控阵声学多普勒流速剖面仪的设备性能。首先介绍了相控阵ADCP的波束形成方法,然后分别介绍了相控阵的相移波束形成和时延波束形成原理,对编码信号相移相控波束形成情况下,相控阵发射和接收信号波束开角进行了对比,并对作用距离、测量精度、系统复杂度等系统性能进行了分析。分析结果表明:窄带相控阵声学多普勒流速剖面仪可以进行编码信号的发射和接收,能够提高系统的空间分辨率和测量精度,从而提高相控阵声学多普勒流速剖面仪的性能。     

八波束相控阵换能器的研制

声学多普勒计程仪(Doppler velocity log, DVL)是一种能为水面或水下载体提供定位和导航信息的重要设备。传统的DVL通常采用Janus配置方式，向海底发射沿载体前后左右方向的4个波束，并利用多普勒频移来计算载体的速度。而对于传统相控阵DVL,阵元布阵间距通常为二分之一波长，同一方向两波束间夹角为60°。该研究在传统相控阵DVL的基础上，提出一种八波束的相控阵DVL,在两个互相垂直的方向上，各形成4个波束，即双Janus配置方式。根据仿真对比分析，确定阵元布阵间距为0.35倍波长，同一方向上4个波束所对应的角度分别是±43.56°和±20.16°,这样，在两个互相垂直的方向上，4个与水平面方向夹角较小的波束，可以提供更大的水平分量，更有利于进行多普勒频移的计算；4个与水平面方向夹角较大的波束，有着更大的垂直分量，使接收的回波信号有较大的信号强度，两种波束优势互补。同时，制作了一个八波束换能器，并进行了水池测试，指向性波束夹角分别为±43.49°和±20.10°,与仿真结果较好吻合，对应发送电压响应分别为170.2 dB和170.6 dB。     

多波束形成方法及其实现

声纳往往采用相控偏转的技术来形成各个方向的发射/接收波束。相控阵可以利用简单的数字电路来实现基阵发射角度的偏转。文中介绍一种利用FPGA芯片来实现旋转单波束方式的发射波束。该方法设计简单、可靠,经过实验测试,整机达到了预期的效果,验证了发射波束形成方法的正确性。     

相控阵天线的测试技术

介绍了相控阵天线的基本原理，并以线阵为例，给出了相控阵天线的方向图函数，由此导出线阵的波束指向、波束宽度、天线增益、波束零点、副瓣位置及副瓣电平等基本特性。针对相控阵天线的这些基本特性，提出了对其进行测试的原理和方法。     

平面阵波束形成算法效率比较

二维平面阵声呐系统所采用的阵元个数、形成波束的数量都较一维线阵声呐系统高一个数量级,数据处理量巨大,对信号处理机的实时处理能力要求非常高。如何提高二维波束形成算法的效率是工程实现二维平面阵声呐系统的关键,本文讨论了三种二维平面阵波束形成算法,并对这三种算法进行了计算效率和波束性能的对比。     

基于CPLD的超声相控阵高精度相控发射系统的实现

超声相控阵发射波束形成中的关键环节是对各阵元的发射相位延时进行精确控制，以得到灵活可控、指向性良好、焦点尺寸细小的聚焦声柬，从而获得被检物体的清晰成像。本文研制了基于复杂可编逻辑程器件（CPLD）和可编程数字延迟线（AD9501）的超声相控阵系统中的高精度相控发射系统。该系统可同时控制16通道，它的延时分辨率可达1ns，最大延时值达到655μs。     

相控阵声学多普勒计程仪的信号处理模块设计

主要介绍了相控阵声学多普勒计程仪信号处理模块的基本结构特点和相关软硬件实现方法。     

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.     

固态拖线阵和液态拖线阵的试验分析

拖曳线列阵声纳以低频、大孔径等特点而受到关注。作为湿端的主要组成部分,拖线阵的发展也比较迅速。由于应用较早,液态拖线阵技术已经比较成熟。相比于液态拖线阵,固态拖线阵具有自身的特点,因此近年来对固态拖线阵的研究也逐渐增多。为了比较两种成阵工艺对拖曳线列阵性能的影响,进行了湖试,通过对湖试数据进行分析,比较两种拖线阵中阵元一致性和拖线阵波束形成性能的差异。结果表明,在阵元一致性方面,液态拖线阵和固态拖线阵的性能基本相似;在波束形成性能方面,静态时两者性能无明显的差别;在拖曳状态下,固态拖线阵对拖曳时产生的噪声敏感性低,因而具有更好的波束形成性能。     

一种基于横摇稳定的多波束测深方法

针对阵列姿态变化造成深水多波束测深声纳测深误差问题,给出了一种基于横摇稳定的多波束测深方法。其基本思路是利用姿态数据实时地改变接收波束相控角,使得合成波束指向角稳定在较小的变化区间内,确保了波束形成后信号来自有效的波束宽度覆盖范围。通过发射时刻三维姿态和接收时刻横摇姿态解算得出波达时刻对应的合成波束指向角,进行声速修正和归位计算得到最终测深点的深度与位置。MATLAB仿真和实际海试数据处理结果表明,该方法能够获得期望方向附近的海底脚印覆盖并且达到较好的精度。     

宽带声学多普勒计程仪性能试验分析

宽带声学多普勒计程仪与窄带声学多普勒计程仪相比,具有更高的测速精度和更广泛的应用价值。其中宽带信号的编码形式是提升宽带多普勒计程仪性能的重要因素。文章利用宽带测速的标准差公式分析了宽带多普勒测速精度的误差来源,提出了采用差分全球定位系统（Differential Global Positioning System,DGPS）和iXSEA公司的Octans光纤罗经组合测速参考系统进行测速精度考核的试验方法,分别对63、31和15阶（即码元数）的三种m码形式的编码序列脉冲,在高航速和低航速下,进行了对地和对水的测速考核试验以及数据分析。试验结果表明,宽带声学多普勒计程仪具有比传统计程仪测速精度高、稳定性好的特点。文章为宽带多普勒计程仪在实际应用中的参数选择提供了重要的试验依据。     

Invariance of the Doppler bandwidth with range cell size above a critical beam-to-flow angle

For a sound beam impinging on a blood vessel, with a range cell much smaller than the vessel diameter, it is known that the breadth of the echo Doppler spectrum is proportional to the velocity of the flow through the range cell. As the range cell is lengthened to include a greater range of velocities, the spectrum is expected to widen proportionately. It is shown theoretically, and confirmed experimentally, that if the beam-to-flow angle is greater than a critical value, the Doppler spectrum bandwidth is independent of the length of the range cell, and depends only on the maximum velocity encompassed by it. This happens because for angles greater than the critical, the narrow spectra produced by lower velocity flows near the vessel walls are contained within the broader spectrum produced by the higher speed flow near the vessel axis. The critical angle is the angle at which the flow axis is normal to one of the beam edges.     

基于波束计算的水下声学探测设备声兼容传播过程分析

对于搭载多种声学探测设备的水下平台,不同设备的信号可能会产生相互干扰。因此,根据探测设备的波束特性,针对水下平台对海底的探测情形,来分析探测设备声兼容传播过程的特性。结合射线声学和海底散射模型,建立了声兼容分析中声传播的计算方法,并且分析了传播过程中各种因素对声兼容设计的影响。结果表明,在算例的波束条件下,声速剖面对声兼容性的影响较小,而特定类型的海底底质的影响较大。此外,水下平台距海底越高,或者波束偏转越大,声学设备间的相互干扰就越大。为了尽可能减小干扰信号的影响,应尽量避免干扰信号的发射波束和接收波束交叠,此外还给出了波束覆盖角阈值和干扰信号衰减的关系。     

Target velocity estimation with FM and PW echo ranging Doppler systems I. Signal analysis

The theoretical foundation is presented for velocity estimation with a pulsed wave (PW) Doppler system transmitting linear FM signals. The Doppler system possesses echo ranging capabilities and is evaluated in the context of Doppler ultrasound for blood velocity measurement. The FM excitation signal is formulated and the received signal is derived for a single moving particle. This signal is similar to the transmitted signal, but with modified parameters due to Doppler effect and range. The demodulated received signal is subsequently derived and analyzed. It is shown that, due to the Doppler effect, this is a linear sweep signal as well. The velocity and range information obtainable from one and two consecutively received signals are described. The latter case establishes the basis for an FM Doppler system for blood velocity measurements.     

一种低失真度多普勒测速仪回波模型的构建和分析研究

为了支撑研究并评估多普勒测速仪（Doppler Velocity Log,DVL）信号处理算法的性能,需模拟海底回波信号,故需构建失真度低的海底回波模型。文章提出了扇环形海底回波模型,在此基础上,构建了一种基于散射理论的海底回波优化模型。将此优化模型和传统模型进行了对比分析,结果表明,优化模型较传统模型,与真实海底回波之间的包络特性误差更小,宽带回波的包络特性误差降低了20%以上,验证了所构建的回波模型的有效性和优越性。     

In-line type micropulse lidar with an annular beam: theoretical approach

An in-line type micropulse lidar (MPL) with an annular beam was designed and the transmitting and receiving characteristics were analyzed. Because the in-line MPL utilizes a common telescope for a transmitter and a receiver and the annular beam always overlaps with the receiver's field of view (FOV), it can measure near-range lidar echoes with a narrow FOV. The transmitting annular beam changes its shape to a nearly nondiffractive beam through propagation. It improves the spatial resolution of the lidar observation. The receiving characteristics showed the ideal lidar echo variation, which was inversely proportional to the square of the distance the beam propagated, even if it was in the near range.     

Three-dimensional vector flow estimation using two transducers andspectral width

Current ultrasonic blood flow measurement systems estimate only that component of flow which is parallel to the incident ultrasound beam. This is done by relating the mean backscattered frequency shift to the axial velocity component through the classical Doppler equation. A number of ultrasonic techniques for estimating the two-dimensional (2D) blood velocity vector have been published, both Doppler and non-Doppler. Several three-dimensional (3D) blood velocity vector techniques have also been proposed, all of which require a multiplicity of transducers or lines of sight. Here a technique is described for estimating the total velocity vector, using only two transducers. This is achieved by measuring not only the frequency shifts but also the bandwidths of the backscattered spectra, making use of the fact that the bandwidth of a Doppler spectrum has been shown to be proportional to the velocity component normal to the sound beam. Partial experimental verification of the proposed vector flow estimation scheme is demonstrated by using a constant velocity thread phantom