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。     

全设计频段束宽恒定的低旁瓣时域波束形成

为了在空域无失真地接收宽带信号和有效地抑制环境干扰,提出了全设计频段束宽恒定的低旁瓣时域波束形成方法。首先,把宽带信号分为几个子带,应用半定规划的优化方法设计这些子带中心频率上的加权,使所形成的波束主瓣与设计带宽中最低频率上的波束相同,同时约束其具有低旁瓣特征。然后,设计FIR滤波器拟合这些离散频率点上恒定束宽加权所表示的幅相加权。显然,设计得到的FIR滤波器的幅相响应给出了全设计频段上的幅相加权。最后应用该方法,针对阵元具有方向性的12元均匀离散圆弧阵,设计覆盖一个倍频程的低旁瓣时域恒定束宽波束形成器,并使用线性调频信号作为测试信号,验证了所提方法的有效性。     

基于凸优化方法的期望主瓣幅度响应波束图设计

将发射阵的期望主瓣幅度响应波束设计转化为凸优化问题,并利用cvx工具箱求解最优加权。首先,根据期望波束的主瓣范围,将空间区域分为主瓣区域和旁瓣区域,再在主瓣区域内将设计波束和期望波束之差的2-范数最小化,并将设计波束图旁瓣级控制在期望值之下。最后,利用cvx工具箱对该凸优化问题进行求解,获得满足要求的设计波束图。通过计算机仿真对所提波束图设计方法的有效性进行了验证。     

滤波求和恒定束宽波束形成器设计

文章在深入分析连续阵的恒定束宽波束形成理论基础上，将阵元权系数等效为两级滤波器，第一级只该与基阵的孔径分布有关，第二级只与基阵的维数有关，给出了滤波器的设计方法。通过时域的滤波求和实现恒定束宽波束形成，避免了频域分解，降低了运算量。该方法可用于一维、二维和三维情况，并且适用于任意带宽。基于非均匀线阵的计算机仿真表明该方法的恒定束宽效果是令人满意的。     

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：     

超波束(HBF)用于波束锐化

介绍了一种波束锐化技术,即超波束形成技术（Hyper Beamforming,HBF）,可以在减小波束宽度的同时抑制旁瓣,提高目标检测性能及方位估计能力。该方法结合常规空间加权可以进一步降低旁瓣,从而可以利用较小规模的基阵尺寸,实现大基阵的检测性能。文中给出了恒定束宽HBF实现所需系数,并将该方法应用于CW及FM信号处理,给出了预期的仿真结果。     

一种基于Notch滤波器的恒定束宽波束形成技术

对于存在不同线谱成分的宽带信号而言,提取这些线谱成分进行恒定束宽波束形成,可以达到增强信号的目的。自适应陷波器(Notch滤波器)具有频率跟踪和相位估计的特性,基于此提出了一种自适应恒定束宽波束形成技术。对于基阵接收到的信号,以其各阵元之间的相位差为媒介,在Notch滤波器离线重构相移波束形成中提取"低频慢变化"的相位信息,对其进行补偿,使输出的重构信号具有"高频快变化"的相位信息,以此将不同频段的信号进行恒定束宽波束形成。以舰船辐射噪声为例,通过仿真和实验研究证实了该方法的有效性。     

自适应Notch滤波器在阵列信号处理中的应用

为了不增大阵列尺度采用信号处理方法得到高分辨率的波束指向性,首先利用Notch滤波器的＂离线重构＂实现窄带波束形成,进而结合其瞬时相位估计方法,研究了基于自适应Notch滤波器的恒定束宽波束形成技术,利用信号处理方法将矢量传感器阵列接收的低频窄带信号转化为具有指向性的较高频率波束,并采用虚拟阵元技术消除波束栅瓣的影响,给出了实际应用中具体的信号处理方法。仿真和湖试验证表明这种基于自适应Notch滤波器的恒定束宽波束形成方法是合理可行的。最后,针对适应实时信号处理的要求提出将这种方法与目标自动跟踪系统相结合的改进方向。     

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.     

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。     

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．     

抑制运动强干扰的稳健波束域目标方位估计方法

为了减小来自旁瓣区快速运动的强干扰对波束域高分辨方位估计方法的影响,提出一种稳健的波束域高分辨方位估计方法。该方法在形成多波束时,将稳健自适应波束形成与零陷扩宽技术相结合,有效地抑制了运动强干扰所造成的快拍失效和扫描方向误差引起的自适应波束图畸变,从而保证波束域方法能准确地估计目标方位。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于修正超波束技术的精确定向算法探讨

为提高目标定向精度,在保持基阵孔径不变的前提下,对传统超波束技术进行了修正,将超波束非线性运算和后置处理算法相结合,避开了超波束非线性带来的弊端。仿真结果表明,修正后的方法有效地减小了主瓣宽度,降低了旁瓣高度,提高了系统的目标检测性能,降低了虚警概率,对于系统的精确定向具有重要意义。     

小型化线列阵研究

介绍了一种小型化线列阵,阵结构与常规线列阵最大的不同在于阵元间距小于四分之一波长。通过理论分析和仿真计算优化了各阵元的最佳权系数,获得了良好的指向性,得到了实验的证明。小型化线列阵的指向性图具有四大特点：①单向性：仅在半空间出现一个轴对称的主波束,无栅瓣和次瓣。②端射特性：主波束出现在线阵的轴射方向。③超指向性：在阵的尺寸远小于二分之一波长条件下不仅可以获得良好的指向性图,并且波束宽度随阵元间距的减小而减小。④恒定束宽特性：在阵元间距小于八分之一波长条件下,波束宽度随频率变化非常平缓。这种小型化基阵也可用于大型基阵如拖曳阵和展开式体积阵的子基阵,进行低频宽带信号的检测。     

SAVSTMV波束形成算法研究

矢量阵常规波束形成(Vector array Conventional Beam Forming,VCBF)能够消除普通单线阵左右舷模糊现象,但VCBF波束宽度受到"瑞利限"的限制,不能分辨同一波束内的多个目标。矢量阵导向最小方差(Vector array STeered Minimum Variance,VSTMV)波束形成算法是一种宽带自适应波束形成算法,具有高分辨力和抗干扰性能。VSTMV波束形成直接在阵元域进行,计算量较大且稳健性差,不利于实时实现和应用。提出一种分子阵VSTMV波束形成算法(Sub-Array Vector array Steered Minimum Variance,SAVSTMV),可有效降低计算量,算法稳健性更强。通过理论研究和仿真计算,证明该算法比矢量阵常规波束形成算法具有更好的性能,有利于实际应用。     

Certain investigations on the reduction of side lobe level of an uniform linear antenna array using biogeography based optimization technique with sinusoidal migration model and simplified-BBO

In this paper, we propose biogeography based optimization technique, with linear and sinusoidal migration models and simplified biogeography based optimization (S-BBO), for uniformly spaced linear antenna array synthesis to maximize the reduction of side lobe level (SLL). This paper explores biogeography theory. It generalizes two migration models in BBO namely, linear migration model and sinusoidal migration model. The performance of SLL reduction in ULA is investigated. Our performance study shows that among the two, sinusoidal migration model is a promising candidate for optimization. In our work, simplified – BBO algorithm is also deployed. This determines an optimum set value for amplitude excitations of antenna array elements that generate a radiation pattern with maximum side lobe level reduction. Our detailed investigation also shows that sinusoidal migration model of BBO performs better compared to the other evolutionary algorithms discussed in this paper.     

Generation of sinc wave by a one-dimensional array for applicationsin ultrasonic imaging

A new solution to the 2-D scalar wave equation is presented which describes an ultrasonic beam maintaining the lateral field response expressed by the sinc function over a finite depth of field. This new beam is realizable with a linear array transducer, and less subject to diffraction spreading than conventional focused beams, physically, it is a superposition of plane waves having the same wavelength, but traveling at different angles. It is shown by numerical simulation that the beam can provide more uniform lateral beamwidth and smoother on-axis field magnitude over a greater depth of field than the rectangular transducers and Gaussian apodized transmitters which have been used to increase the limited depth of field of conventional focused beams. Compared with currently developed limited diffraction beams which must be generated by 2-D array transducers, the beam has a wider lateral beamwidth but with lower sidelobe levels. In ultrasonic medical imaging, the beam enables one to obtain a line focus using a 1-D array transducer and to eliminate the diffraction correction required in some applications such as tissue characterization     

Design aspects of focal beams from high-intensity arrays

As the applications of ultrasonic thermal therapies expand, the design of the high-intensity array must address both the energy delivery of the main beam and the character and relevance of off-target beam energy. We simulate the acoustic field performance of a selected set of circular arrays organized by array format, including flat versus curved arrays, periodic versus random arrays, and center void diameter variations. Performance metrics are based on the -3-dB focal main lobe (FML) positioning range, axial grating lobe (AGL) temperatures, and side lobe levels. Using finite-element analysis, we evaluate the relative heating of the FML and the AGLs. All arrays have a maximum diameter of 100λ, with element count ranging from 64 to 1024 and continuous wave frequency of 1.5 MHz. First, we show that a 50% spherical annulus produces focus beam side lobes which decay as a function of lateral distance at nearly 87% of the exponential rate of a full aperture. Second, for the arrays studied, the efficiency of power delivery over the -3-dB focus positioning range for spherical arrays is at least 2-fold greater than for flat arrays; the 256-element case shows a 5-fold advantage for the spherical array. Third, AGL heating can be significant as the focal target is moved to its distal half-intensity depth from the natural focus. Increasing the element count of a randomized array to 256 elements decreases the AGL-to-FML heating ratio to 0.12 at the distal half-intensity depth. Further increases in element count yield modest improvements. A 49% improvement in the AGL-to-peak heating ratio is predicted by using the Sumanaweera spiral element pattern with randomization.     

自适应阵列天线波束方向增益特性的研究

介绍了一种适用于时分双工蜂窝移动系统，基于非线性判决反馈均衡器和递归最小平方算法的环形自适应阵列天线，研究了阵列波束对期望信号的增强和对干扰信号的抵消的形成过程，并分析了方向增益的收敛属性与训练序列的关系，计算机仿真结果表明了波束形成与接收信号到达角度之间的联系，发现了波束收敛所需训练序列的最佳长度。