宽带被动合成孔径中两种MGFETAM算法

被动合成孔径算法利用重叠相关法求解运动短线阵连续两批测量序列的相位相干因子来合成虚拟阵元以扩展阵列的有效孔径。提出了改善相位相干因子求解精度的两种修正被动合成孔径算法：交叉重叠算法和数据扩展算法。对海上实录的目标宽带信号进行被动合成孔径处理,并与GFETAM算法性能进行了比较,证实能进一步提高短线阵的方位分辨力。     

基于共轭虚拟阵列的稳健波束形成方法

针对提高阵列天线波束性能问题,本文提出了基于共轭虚拟阵列的信号导向矢量扩展方法.利用共轭虚拟阵元扩展阵列,增大了阵列孔径却不改变实际阵元数,降低了副瓣电平并且不会增加天线制造成本.在虚拟阵列的基础上对信号导向矢量进行扩展,使阵列波束形成效果更加稳健.本文通过在有无干扰以及存在幅度和相位误差情况下对11个阵元阵列天线进行仿真,分析比较了原始阵列波束、虚拟阵列波束以及扩展导向矢量后的波束,验证了本文方法的有效性.     

多约束线性非均匀阵列天线的合成

为了提高线性非均匀阵列天线的优化效果,降低阵列天线设计的复杂性,本文提出了一种改进的蝙蝠算法来实现更低的峰值旁瓣电平(PSLL).改进的蝙蝠算法在阵列孔径约束和阵元上下界限的限制条件下,优化每个阵元位置来获得方向图峰值电平最低,实现全阵列最佳的阵元位置.本文分别对18个阵元和32个阵元阵列天线数值仿真,仿真结果达到了-20.081 dB和-22.656 dB.从而验证了提出方法的有效性和稳定性,并且实现了更高的优化效率.     

基于辅助阵元校正法的柔性阵列阵元位置校正

本文介绍了两种用于校正大型柔性声纳阵列的阵元位置的方法。在阵列进行海底铺设后,阵元位置的不确定,会大大降低声纳搜索方位的性能。辅助阵元校正方法考虑使用阵上较短距离间隔的阵元作为辅助阵元来对信号到达角和阵元相对相位同时进行估计。并从至少两组不同方位声源点测得的数据,获得阵元的相对坐标位置,得到阵形。为了保证校正的有效性,我们比较了这两种辅助阵元校正方法,通过大量的仿真试验比较它们对辅助阵元误差扰动的敏感度,并选择了宽容性较好的MUSIC辅助阵元方法进行了实际的海上试验。     

高频线阵阵元位置和相位一致性反演

高频线阵阵元位置和相位一致性的测量极难实现。阐述了一种通过测量不同状态下基阵阵元接收信号的相位差来反演阵元位置和相位一致性。理论和仿真结果证明该方法的有效性。     

接收声基阵相位一致性校准研究

现代声纳系统中普遍采用由多个阵元组成的基阵接收信号并进行处理.在基阵的实际应用中,阵元的相位一致性是一项重要技术参数,研究基阵的相位校准方法用于相位补偿有重要的理论意义.文中主要研究了一种基于非线性最小二乘估计的相位一致性校准方法,此校准方法无需知道确切的声源位置,可在不满足远场条件的实验环境中进行,且适用于任意需要测量阵元间相位一致性的面阵或线阵.通过MATLAB对一均匀线阵进行了仿真,验证了此算法估计相位一致性和声源位置的有效性,最后应用此校准方法在水池中对一均匀线阵进行了验证性的实验,再次验证它的有效性与可行性.     

分布式传声器阵列的低频宽带信号方位估计

现有的预防道路交通安全事故、治理道路交通噪声污染等问题的解决方案是从视觉维度监控重点区域并通过声音维度确定事件触发类型与位置。为了实现公路异常声源的实时监测,提出了一种基于双尺度旋转不变信号参数估计旋转不变子空间技术(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)的低频宽带声源波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计算法,该算法适用于三个矩形子阵呈三角形分布的分布式阵列。算法利用该分布式阵列具有的子阵内相邻阵元间距、相邻子阵间距两种尺度对应的空间平移不变性分别进行方向余弦估计,并利用基于阵型分布的解模糊策略实现高精度方位估计。仿真结果验证了算法的有效性,表明了基于该算法的分布式阵列DOA估计精度优于相同阵元数与阵元间距的单个均匀矩形阵,分析了估计精度与分布基线长度的关系,体现了算法的实际工程应用价值。     

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。     

基于压缩感知的旋转式基阵DOA估计

提出旋转基阵方法,达到增加虚拟阵元的效果,再利用压缩感知理论进行阵列信号方位估计(DOA)。此方法可降低阵列流形矩阵相关性,提高多信号恢复算法成功率,且具有高分辨率。信源个数大于阵元个数时,该方法仍能成功对各信源方向进行估计。     

基于重叠互相关器的合成孔径水池实验研究

在过去十几年里,为了增加拖曳线列阵系统的空间增益、提高方位分辨率,各种合成孔径技术应运而生。针对AUV舷侧阵系统水下目标远程探测的研究需要,给出了基于重叠互相关器的合成孔径处理算法(OCSAP),这种方法是在假设AUV旁侧阵匀速直线航行前提下,通过在波束域利用FFT变换合成孔径,并且在连续的时间间隔内对子孔径信号进行相关处理来实现的。在对该算法进行计算机仿真研究的基础上,在消声水池中进行了8阵元合成48阵元以及单阵元合成8阵元的逆合成孔径实验研究,两种实验结果均验证了OCSAP算法的有效性和可行性。实验结果表明合成孔径处理与常规物理孔径处理相比具有较好的鲁棒性,并且在接收信号时域相关长度大于合成孔径所需时间的水下或海洋环境里,合成阵增益与等长的物理阵增益基本相等。     

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。     

矢量拖曳阵水听器流噪声探讨

拖曳阵声纳的左右舷模糊是实际应用中需要解决的问题。采用矢量水听器可以较好地解决此问题。采用波数．频率谱方法讨论同振柱形矢量水听器的流噪声。根据圆柱套管外壁湍流边界层的特点和同振柱形矢量水听器的工作原理，导出矢量水听器的声压通道和振速通道的噪声功率谱。通过数值积分法估计了流噪声功率谱与护套尺寸、水听器尺寸和拖曳速度等参数的关系。针对同振柱形矢量水听器的特点，所得结果有实际参考价值。     

基于稳健Capon波束形成的阵形校正

由于受地形、海流和布放方法等的影响,声阵在布放后通常会偏离原定阵形。若直接利用原定阵形作方位估计,则各种高分辨方位估计算法的性能通常会退化甚至失效。因此,为了在实际中应用这些算法,必须对阵元的位置进行校正。RCB(Robust Capon Beamforming)是最近提出的一种稳健自适应波束形成算法,该算法直接对导向矢量进行估计,并用估计的导向矢量作波束形成,从而有效避免了因阵列流形失配而导致的算法性能下降。借用RCB的思想,提出一种新的阵形校正方法,该方法对导向矢量进行估计,然后用估计的导向矢量推导出阵元的位置。湖试结果表明了该校正方法的有效性。     

带障板水听器基阵阵列流形的边界元计算及验证

建立一种复杂结构水听器基阵阵列流形计算模型。该模型运用声场计算的边界元方法,通过计算任意散射体表面声场分布,求出基阵阵元位置处声场响应,进而得到基阵阵列流形;基于该阵列流形,运用波束设计方法求出阵元权值,分别利用实测和理论阵列流形得到基阵实测波束以及理论波束。针对安装在半球形硬质铝壳体上的圆弧阵进行的水池实验,实验结果表明实测阵列流形和基于边界元方法的计算结果基本吻合,实测波束和理论波束相差不大,并且性能均优于按无指向性点接收器经相位补偿后相加所得到的波束。     

国外鱼雷防御问题评述(二)水面舰艇鱼雷防御系统中鱼雷报警纵览

鱼雷防御是从对来袭鱼雷的识别报警开始的,所有鱼雷防御系统的基础是其对鱼雷的检测、分类和定位能力。为了有效地对抗鱼雷攻击,各国海军正在努力提升其声纳的鱼雷目标检测、定位和识别性能。文章对国外鱼雷报警系统的现状和发展趋势进行了分析和评述。鱼雷报警功能可以利用专门的鱼雷报警声纳来实现,也可以集成在一个被动拖线阵里。但通常由一个主被动联合拖曳阵声纳和舰壳声纳构成一个完整的系统,共同完成鱼雷辐射噪声的被动检测、分类和主动回波信号的分析,每个声纳都为鱼雷这个高速小目标的检测定位进行了优化。这样的系统由于可以采用基元数众多长线阵、更好地利用声场条件等,可以实现对鱼雷目标的远距离识别、定位和全方位覆盖。系统部分组成通常也是反潜战能力的组成部分,而将鱼雷检测和水声对抗结合正成为一种新的发展趋势,一些拖曳阵可以作为软杀伤对抗措施欺骗其检测到的鱼雷目标。     

Time-delay spectrometry measurement of magnitude and phase of hydrophone response

A method based on time-delay spectrometry (TDS) was developed for measuring both magnitude and phase response of a hydrophone. The method was tested on several types of hydrophones used in medical ultrasound exposimetry over the range from 5 to 18 MHz. These included polyvinylidene fluoride (PVDF) spot-poled membrane, needle, and capsule designs. One needle hydrophone was designed for high-intensity focused ultrasound (HIFU) applications. The average reproducibility (after repositioning the hydrophone) of the phase measurement was 2.4°. The minimum-phase model, which implies that the phase response is equal to the inverse Hilbert transform of the natural logarithm of the magnitude response, was tested with TDS hydrophone data. Direct TDS-based measurements of hydrophone phase responses agreed well with calculations based on the minimum-phase model, with rms differences of 1.76° (PVDF spot-poled membrane hydrophone), 3.10° (PVDF capsule hydrophone), 3.43° (PVDF needle hydrophone), and 3.36° (ceramic needle hydrophone) over the range from 5 to 18 MHz. Therefore, phase responses for several types of hydrophones may be inferred from measurements of their magnitude responses. Calculation of phase response based on magnitude response using the minimumphase model is a relatively simple and practical alternative to direct measurement of phase.     

开阔水域下换能器指向性实船校准方法研究

随着换能器谐振频率的降低,其尺寸一般会增大,现有的测量方法对其指向性的测量越来越困难,而且换能器在实船安装前后性能会发生变化。文章提出了一种基于三维立体水听器阵列的开阔水域下换能器指向性实船校准方法。利用超短基线定位和坐标转换确定待校准换能器与水听器阵列的位置与方向,并通过水听器阵的接收声压数据绘制换能器的指向性图。在湖上试验时分别使用标准测量法和实船校准法测量换能器的指向性,并对5 kHz和2.5 kHz频率下的实验数据进行对比分析,测试结果表明：-3 dB波束宽度误差分别为4.2%和7.4%,均满足水声测量误差低于10%的要求,证明了实船校准法的可行性和有效性。     

单向水听器及其在波束形成中的应用

提出常规反向波束形成技术,构建了单向水听器,并探讨其应用于阵列波束形成的可能性。系统地构建单向水听器模型,导出常规反向波束形成技术,证明得到其空间响应单指向性的存在条件,其指向性指数在3~4.8 d B范围内。以单向水听器为基元构建标准线列阵进行常规波束形成,并与全向水听器比较,理论证明了使用单向水听器能够为线列阵提高3~4.8 d B的指向性指数。仿真实验结果验证了单向水听器自身具有心脏形空间响应、3~4.8 d B的指向性指数和空间响应的宽带一致性等三种特性,使用单向水听器能够在主瓣宽度不变的同时降低旁瓣级、提高指向性指数、保持良好的稳健性。因此,提出的常规反向波束形成技术是一种构建单向水听器的有效方法,在阵列波束形成中使用单向水听器是可行的、有利的。     

基于多普勒-随机共振技术的高精度阵形估计系统研究

潜用拖曳线列阵声呐在拖曳过程中,随着潜艇的运动状态变化,其线阵阵形会产生一定的畸变。速度越慢,其畸变幅度越大。阵形畸变,将影响声呐的探测性能。为有效提高拖曳声呐的探测能力,需对阵段不同拖曳状态进行阵形变化研究。基于以上研究需求的基础上,使用随机共振技术和阵元多普勒频移特性,在实验室或湖上构建了阵形估计系统,该系统可对不同拖曳状态的测试阵段实时地精确估计阵形,满足拖曳线列阵声呐阵形估计技术研究的需求。