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。     

线列阵多倍频程宽频带恒定束宽的实现

利用N+1个嵌套线列阵在工程上实现了N个倍频程恒定束宽的波束形成.各个嵌套阵用切比雪夫加权,第I个倍频程对应的长短阵的输出信号分别通过数字低高通补偿滤波器相加后再通过第I倍频程椭圆带通滤波器,最后把N个带通滤波器的输出信号相加,则获得宽带恒定束宽的波束输出信号.文章给出了N个嵌套线列阵的宽频带恒定束宽的方向性图.     

单个矢量水听器空间处理增益分析

本文把单个矢量水听器看做传统意义上的一个声压阵,进行了常规波束形成和乘积波束形成.对照声压阵的阵增益形式,对单个矢量水听器的空间处理增益进行了理论上的分析.文中给出了白噪声背景下和球形各向同性噪声背景下单个矢量水听器的阵增益计算公式.理论分析表明,在一定的组合方式下,一个矢量水听器比一个声压水听器最大可有7.8dB的空间增益.可以形成单边指向性,克服水听器成阵后的左右模糊问题.这些都说明矢量水听器有极大的工程应用价值.     

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。     

宽容自适应波束形成在矢量阵上的应用

矢量水听器由声压和振速水听器复合而成,可以共点同步测量声场中的声压与振速。相对于声压阵,使用矢量阵能在大部分观测区域实现无模糊定向,突破半波阵限制,扩展阵列孔径。当导向矢量精确已知和观测数据充分时,MVDR(Minimum Variance Distortionless Response)的分辨率和抑制干扰能力都优于常规波束形成(CBF)。在实际应用中,导向矢量存在误差或者时变,MVDR的性能严重恶化。RCB(Robust Capon Beamforming)是最近出现的一种宽容自适应波束形成算法,该算法直接对导向矢量进行估计作波束形成,从而有效避免了因导向矢量失配性能下降。推导了秩亏情况下的RCB,将其应用到矢量阵,海试结果表明了该方法的有效性。     

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。     

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。     

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.     

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。     

矢量水听器阵列虚拟阵元波束形成

在信号频率一定的情况下,常规波束形成方法需要通过增大基阵孔径来提高目标方位的估计精度,但这会受到实际工程应用的限制。在研究矢量水听器波束形成的基础上,提出了基于Taylor级数展开的虚拟阵元波束形成方法。该方法针对有限尺度双十字阵型的矢量水听器基阵,根据已知阵元接收的数据,运用Taylor级数展开方法估计虚拟阵元上的接收数据,使基阵孔径在虚拟意义上得以扩大。从而改善了阵列的波束性能,窄化主瓣和抑制旁瓣,实现了空间分辨率的提高。仿真和试验数据结果证明了该方法的有效性。     

双T型MEMS仿生矢量水听器的设计与测试

根据当前声纳系统的需求,以MEMS技术为依托,结合仿生原理、压阻原理,提出了一种双T型矢量水听器。在分析T型梁结构力学特性的基础上,详细介绍了两种不同尺寸微结构的设计、加工和测试。采用ANSYS软件仿真,得出两种微结构的谐振频率分别为1993.3Hz和10.17KHz;利用MEMS加工工艺加工出水听器微结构并对水听器进行了封装;采用振动台标定和水下驻波场测试相结合的方法完成了水听器的测试。测试结果表明两种结构的双“T”型矢量水听器灵敏度达到-180dB 和 -192dB (1kHz,0dB参考值1V/μPa),具有良好的“8”指向性,矢量特性明显,动态范围为90.48dB(315Hz)。     

中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构设计

针对同振型矢量水听器后期悬挂金属弹簧或橡胶绳给使用者带来不便的问题,提出一种中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构的设计方案。通过矢量水听器振动系统对其声学特性进行分析,通过ANSYS有限元软件,利用Mooney-Rivlin理论对圆环形橡胶弹簧在压缩情况下的水平剪切刚度进行仿真计算,分析了Rivlin参数对橡胶弹簧剪切刚度的影响,并研制出矢量水听器样机。在1000~4000 Hz频率范围内,对矢量水听器进行了测试,并给出了测试结果。在1 k Hz时,声压灵敏度为-195 d B,指向性凹点深度大于20 d B。测试结果表明,此种设计免除了反复悬挂金属弹簧或橡胶绳带来的负面效应。     

复杂边界条件下矢量传感器的指向性分析及实验研究

矢量传感器在水声技术领域广泛的应用。它通常工作在自由场中,不受边界条件的影响,但实际应用中具有复杂形状的障板对传感器性能有很大影响。利用边界元方法,在不规则障板边界条件下,对矢量传感器的散射声场进行了计算,得出了传感器的指向性图。在水池中对不同边界条件下矢量传感器的指向性进行了测试,将数值计算与实测结果进行比对,验证了计算方法,并给出了研究结论。     

中频三轴向矢量水听器的研究

根据实际工程需要,设计、制作三轴向中频矢量水听器,其声压通道和矢量通道在结构上结合为一体,外形为两端带半球帽的圆柱形结构。矢量水听器体积为Ф44×88（mm）、工作频带为5Hz—8kHz。在驻波管和消声水池中对研制的矢量水听器进行了测试,测试结果表明：矢量通道的声压灵敏度级为-184dB(测量频率1kHz,0dB参考值1V/μPa),具有余弦指向性;声压通道灵敏度级为-198dB(0dB参考值1V/μPa)。研制的矢量水听器具有体积小、通道灵敏度高、使用时悬挂方便等优点,适合构建矢量水听器线阵。     

潜标姿态变化对矢量水听器目标方位估计的影响

潜标系统作为一种矢量水听器水下工作安装平台,不可避免的姿态变化会引起矢量水听器各通道接收兴趣信号的起伏变化,致使目标方位估计结果偏离真实目标方向。理论推导分析了潜标体姿态变化对矢量水听器目标方位估计的影响,定量分析了矢量水听器目标方位估计与姿态变化周期(频率)的关系,并进一步讨论了与幅度及积分时间等的关系,如姿态幅度为40°时要方位估计误差小于5°,则积分时间至少要大于24s。研究结果对矢量水听器目标方位估计时的积分时间选取具有重要指导意义。     

压电水听器线阵与DFB光纤水听器线阵的分析

分布反馈式(Distributed Feedback,DFB)光纤激光水听器因其多方面优越的性能近些年发展迅速,国内已对由其组成的线阵进行了成功的湖试.为检验更大规模DFB光纤激光水听器线阵的实用性能及与传统压电水听器线阵的性能区别,在某湖进行了实验,获得了传统压电水听器线阵和8元DFB光纤水听器线阵的相关数据.分析了...     

单矢量水听器二维DOA估计算法

为了减小传统声压阵的布阵规模,提高传统声压阵的测量精度,利用矢量水听器的阵列流形特性,使用阵列信号处理的原理进行二维DOA估计。将单个矢量水听器理解成一个声压水听器和三个振速水听器组成的阵列,在无需知道信号先验知识的条件下,分别采用MUSIC算法和ESPRIT算法对多个不相关的单频窄带信号的二维DOA进行了估计。仿真结果表明:在高信噪比情况下,两种算法的精度都很高,优于5阵元的声压平行线阵。利用单矢量水听器能够对信号的二维到达角进行有效估计,远小于传统声压阵的布阵规模。     

弹性球壳声散射对矢量水听器测向影响研究

以平面波在弹性球壳上声散射理论为基础,建立了弹性球壳近场声散射对矢量水听器目标定向性能影响计算模型,分析了入射声波信号频率、入射角度以及矢量水听器安装位置对目标定向的影响。计算和理论分析结果表明．弹性球壳声散射对矢量水听器测向性能的影响与壳体散射特性和水听器安装位置密切相关,在低频和高频段测向误差相对比较小,而在中频段则测向误差比较大,可通过选择工作频段,或者采用声学处理,降低壳体声散射强度,减小对矢量水听器测向性能的影响。研究结果为矢量水听器工程应用奠定了理论基础。     

用于MEMS仿生矢量水听器流激噪声抑制的“三明治”式封装结构设计与性能测试(英文)

MEMS仿生矢量水听器具有体积小、成本低、安装方便、有矢量性等优点,将MEMS仿生矢量水听器应用于水下环境必须解决透声、绝缘、流激噪声抑制等问题.为此,在前期单层聚氨酯封装结构的基础上,提出聚氨酯-水-聚氨酯"三明治"式封装结构,外层聚氨酯直径36 mm,内层聚氨酯直径32 mm.完成了"三明治"式封装结构设计计算与试制测试;并通过典型使用环境实验验证该封装结构的流激噪声抑制能力.实验结果表明在20~1 000 Hz内该封装结构在几乎不损失灵敏度和矢量性的前提下,比前期的封装结构在抑制流激噪声能力方面提高20 dB以上.     

MEMS仿生矢量水听器优化设计

针对纤毛式MEMS仿生单矢量水听器灵敏度偏低、频响曲线起伏较大的缺陷,对该结构水听器进行了优化设计.通过理论分析和仿真计算,从两方面进行了优化,一是纤毛材料的选择,选用光纤替代塑料柱体;二是设计了一种"半油半酯"新型封装结构.最后在国防水声一级计量站对该封装水听器进行了相应的校准测试.测试结果表明,该水听器性能较之前有了明显提高,灵敏度达到-165 dB(包括前置放大26 dB),频响范围为20 Hz～2 kHz(±4 dB),具有良好的"8"字型指向性.