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。     

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。     

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。     

扩展性噪声源定位的空间谱估计仿真研究

波束形成是列车噪声源定位的常用方法,但在低频条件下分辨率较差,对扩展性声源的识别效果不佳.我们以扩展性声源为研究对象,理论推导了去自谱算法的扩展源模型.信噪比分别为-5dB和5dB时,通过比较分辨率和信源间隔的关系,对CBF、MVDR、MUSIC三种算法的稳健性进行定性分析,发现MVDR算法的分辨率受信噪比影响最小、稳健性较好.还系统地比较了MVDR算法和去自谱算法对单点声源、扩展性声源的定位效果,仿真表明,去自谱算法能有效抑制旁瓣效果(最大旁瓣级比MVDR算法低7.4dB),更适用于扩展性声源的定位.     

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。     

基于宽带稳健STMV波束形成的相关检测方法

采用一种宽带相关结合稳健自适应波束形成的检测方法,来提高弱目标在强干扰背景下的检测能力。宽带相关检测具有多目标方位分辨力高的优点,它基于常规波束形成得到,但由于其旁瓣级有限,存在强干扰时会导致其旁瓣区域的相关检测产生凹陷,因此直接影响弱目标的检测能力。通过分析常规宽带相关检测中目标旁瓣区域产生凹陷原因,利用宽带稳健自适应波束形成的干扰抑制能力,提出了一种将宽带稳健导向最小方差波（Steered Minimum Variance,STMV）与宽带相关检测结合的宽带检测新方法。该方法能有效消除相关检测中强干扰的影响,提高被动声呐的宽带检测性能。仿真和试验数据处理结果验证了该方法的有效性。     

波束锐化技术在多波束测深声呐中的应用

针对常规波束形成器的分辨性能和旁瓣性能间的矛盾,研究了超波束形成器的波束特征以及空间分辨性能。通过计算机仿真验证了加权超波束形成器既有较高的空间分辨力,又有良好的旁瓣特性。通过对外场实验数据的处理,验证了该算法对于多波束测深声呐测量结果中存在的"隧道效应"假象具有明显的抑制作用。针对算法实现结构进行了优化,进一步减小了算法复杂度。利用DSP进行了算法实现,算法具有较好的实时性和工程实用性。     

基于高斯核的波束形成

MVDR是波束形成常用的方法,但当信号到达方向与先验信息不一致时,MVDR的性能会出现下降,而将支持向量机应用于波束形成,并增加宽容性的限制条件,就可以解决这一问题,并能实现旁瓣控制。文章在此基础上考虑非线性处理,利用高斯核函数将信号从数据空间变换到再生核希尔伯特空间下进行处理,使得在阵元数小于干扰数目的情况下也能在干扰处陷零。     

基于滑动平均的等间隔线阵逆波束形成

逆波束形成算法与常规波束形成相比具有较高的方位分辨力和阵增益,抑制噪声能力强,但其旁瓣却较高,因此采用峰值统计信息作为输出。这样解决了高旁瓣下信号检测的问题,但却丢失了功率谱密度信息。本文在分析逆波束形成算法高旁瓣起因的基础上,提出了用滑动平均抑制旁瓣的方法。仿真分析结果表明,滑动平均方法在保留逆波束形成算法高分辨力的基础上,有效的抑制了旁瓣(第一旁瓣下降了2dB～3dB)。因此,可以采用传统的方法进行输出,以保留功率谱密度信息。海上试验数据的处理结果进一步验证了滑动平均方法的优点。     

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。     

Implementation of broadband low-sidelobe beamforming in time domain

In modern active and passive sonar systems, broadband beamforming for acoustic arrays is widely used to suppress unwanted interference and to detect target signals of interest. A broadband low sidelobe beamforming scheme in time domain is proposed in this paper. The first step of this scheme is to delay the outputs of each element in the acoustic array by a tapped-delay-line (TDL) to accomplish the integer part of the time delay need to form a beam. Then, finite impulse response (FIR) digital filters are used to implement the fractional part of the time delay. The weighting coefficients for all array elements at different frequencies to realize the low sidelobe beams are also implemented with the FIR digital filters. Finally, the outputs of the digital filters are summed up to yield the time domain beam output. The design of low sidelobe beam pattern and that of the FIR digital filters are two crucial technical issues in this beamforming procedure. The low sidelobe beams of each sub-band are designed using the optimized beam synthesis approach based on the principle of MVDR beamforming. An improved adaptive approach are used for the design of FIR digital filters, and the design requirements of these filters were specified by the weights of low sidelobe beams of each sub-band over the broad frequency band. Results of computer simulation for a twelve-element arc array show that the beamforming scheme is very effective in forming low sidelobe broadband beam.     

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.     

基于多普勒特征恢复的声矢量阵鲁棒自适应波束形成方法

在短快拍、信号导向矢量失配环境下,传统的自适应波束形成方法性能受到影响,对角加载技术是提高算法在复杂环境下性能鲁棒性的重要技术之一。针对水声环境和水声信号特点,提出一种基于声矢量阵的自适应波束形成方法。该方法利用水声信号的多普勒频率信息,在不同环境下自适应地选择最优对角加载因子,确定波束形成的权矢量,从而实现提取期望目标信号、抑制干扰和噪声的目的。无需任何用户参数,鲁棒性强、估计精度高。最后基于声矢量阵进行仿真实验,仿真结果证明了所提出的方法能够有效地获取目标信号,具有较好的抗干扰能力。     

提高被动声纳宽带检测性能的一种新方法

宽带能量检测是被动声纳实现目标探测功能的常用方法,常规能量检测(Conventional Energy Detection,CED)方法在复杂环境下的检测性能迅速降低.子带峰值能量检测(Subband Peak Energy Detection,SPED)可以有效改善常规能量检测方法的性能,提高时间方位历程显示(BTR...     

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。     

MVDR自适应波束形成技术在水声中的研究进展

高分辨波束形成器比常规波束形成具有更好的方位分辨力与干扰抑制能力。该波束形成器能够提高阵列输出信干噪比,从而提高声呐的探测性能。与多重信号分类、旋转不变子空间等方法相比,最小方差无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器输出真实反映了观察方向的信号功率,同时可提供波束时间序列做后置处理,在水声阵列处理领域得到了快速发展和深入研究。对高分辨MVDR技术在水声阵列处理中的研究进展进行了回顾,重点介绍了其宽带处理、稳健性、运动补偿、解相干等国内外的研究热点和最新成果,同时给出其在各种水声阵列处理领域的应用前景。