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。     

等束宽最佳扫描线列阵

线列阵波束从法线方向向端射方向扫描时，基阵束宽bw逐渐增大，而同时使基阵加权逐渐变浅，加权对束宽增大的影响逐渐减小，适当选取加权系数可使基阵束宽在波束扫描时基本相等。文中计算并分析了楔比雪夫加权线阵旁瓣级－rs与波束展宽系数fbw相对方向性指数（DI－DI0）的关系，给出了等束宽64元楔比雪夫加权线列阵的计算结果，最后分析了线列阵相对阵元间隔d/γ变化对（DI－DI0）的影响。     

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.     

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：     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水声基阵波束图分析与优化设计软件

介绍西北工业大学开发的水声基阵波束分析与优化设计软件.该软件针对给定的基阵形式,可以设计期望的波束图,然后通过优化方法获得最优的波束形成权系数.同时软件还可以分析水声基阵的常规波束图和最优波束图,并计算波束图的主瓣宽度、旁瓣级、栅瓣位置、指向性指数等主要指标.软件中考虑的基阵形式主要有直线阵、圆阵、圆柱阵、平面阵、球阵、体积阵等.本软件的有效性通过波束优化设计与分析实例得到了验证.     

阵列测量中的卡尔曼滤波器算法

针对经典波束形成算法不具备实时性、占用存储空间大、计算速度慢等缺点,提出了基于卡尔曼滤波器的算法。这种算法将信号处理领域中现有的卡尔曼滤波器理论与阵列信号处理过程相结合,在频域内对声学阵列所采集到的数据进行迭代处理,不仅能够及时发现风洞测量中存在的各种问题,而且可以实时消除由测量环境所引起的各种误差。仿真结果表明,这种算法比经典波束形成算法收敛速度更快,不仅成像效果很好,而且能够对低速运动声源进行定位。此算法具备实时性,为风洞声源的实时定位提供了重要的算法选择。     

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。     

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。     

经验模态分解和空间滤波在两相流速度测量中的应用

在利用空间滤波和电容传感器测量两相流速度时,需要准确测量电容传感器输出信号的带宽.针对此问题提出一种利用经验模态分解算法来测量传感器带宽的方法.文章首先介绍电容传感器的空间滤波效应和经验模态分解的基本原理,并给出固体速度和电容传感器输出信号带宽之间的关系.然后将经验模态分解和平滑滤波器结合对测量信号进行平滑处理,测量处...     

Three-Dimensional Acoustic Imaging by Chirp Zeta Transform Digital Beamforming

To generate volumetric underwater acoustic images, a planar array of sensors is required to collect the signals coming from a 3-D scene. The method most frequently used to process the acquired signals is a beamforming algorithm. In general, owing to the high number of sensors and beam signals, the computational load is prohibitive for real-time image generation. An efficient frequency beamforming implementation based on the use of the chirp zeta transform (CZT) has been proposed in the literature for the case involving linear arrays. In this paper, we propose an algorithm to perform CZT beamforming on the wideband signals collected by a planar array generated by a scene placed in the far field. This extension becomes simpler and more intuitive thanks to a nonconventional method of defining the azimuth and elevation angles. In terms of computational complexity, the analysis compares the solution developed with traditional beamforming techniques carried out in both time and frequency domains, showing several advantages for the proposed method.      

Beamspace blind signal separation for speech enhancement

Signal processing methods for speech enhancement are of vital interest for communications equipments. In particular, multichannel algorithms, which perform spatial filtering to separate signals that have overlapping frequency content but different spatial origins, are important for a wide range of applications. Two of the most popular multichannel methods are blind signal separation (BSS) and beamforming. Briefly, (BSS) separates mixed sources by optimizing the statistical independence among the outputs whilst beamforming optimizes the look direction of the desired source(s). However, both methods have separation limitations, in that BSS succumbs to reverberant environments and beamforming is very sensitive to array model mismatch. In this paper, we propose a novel hybrid scheme, called beamspace BSS, which is intended to compensate the aforementioned separation weaknesses by jointly optimizing the spatial selectivity and statistical independence of the sources. We show that beamspace BSS outperforms the separation performance of the conventional sensor space BSS significantly, particularly in reverberant room environments. K.F.C. Yiu is supported by RGC Grant PolyU. 7191/06E and the research committee of the Hong Kong Polytechnic University.     

Array sensor spacing for optimal time‐delay estimation

Abstract

The effects of sensor spacing on the performance of time‐delay estimation are considered. For narrow‐band signals the array aperture and sensor spacing seriously change the estimation result. The post beamforming signal‐to‐noise ratio is also important for choosing the sensor spacing. The conventional half wavelength spacing is shown to be the only one of the many choices towards achieving a similar estimation performance.     

非一致性噪声条件下的特征空间波束形成

由于水声环境的复杂性,阵列的噪声分布可能是非一致性的。当阵元噪声功率各不相同时,阵列协方差矩阵特征分解得到的特征子空间与真实目标的特征子空间之间存在误差,导致特征子空间波束形成算法的性能衰减。文章提出了一种新的非一致性噪声条件下特征子空间的估计方法,将阵列协方差矩阵对角线置0,进行特征分解估计的特征子空间将不受阵元噪声非一致性的影响。将该方法应用到特征空间波束形成算法,提高了非一致性噪声条件下特征空间波束形成算法的方位分辨能力。仿真和实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。     

基于最小一乘的虚拟阵元波束形成仿真研究

水下多波束成像系统成像质量的关键主要在于波束形成的质量。在信号频率一定时,常规相移波束形成只有通过增加基阵的孔径来得到更窄的波束,但是在有限的应用条件下,这种方法又受到实际工程的限制。因此,提出一种基于最小一乘估计的虚拟阵元波束形成方法。在低信噪比的情况下,利用最小一乘估计的稳健性可以得到更加准确的估计信号,从而在不增加基阵尺寸的情况下获得更窄和抗干扰性更强的波束,提高阵增益和声呐图像的角度分辨率。通过Matlab仿真并与其他方法比较验证,证明了上述方法的优越性。     

Design of a MEMS acoustical beamforming sensor microarray

This paper describes the design methodology for a microelectromechanical systems (MEMS)-based acoustical beamforming sensor microarray. The proposed acoustical array offers the potential of controlled directional sensitivity with constant beamwidth when used in conjunction with the appropriate digital signal processor. The array has been designed for use in a hearing instrument with a digital beamsteering engine to provide controlled directional sensitivity and constant beamwidth over the audio frequency range to improve speech intelligibility in noisy and reverberant environments. A MEMS-based packaging solution that allows the sensor array to be mounted in the ear canal is also described. The MEMS sensor-package interface features microspring contacts that enable low impedance connectivity between the sensor array and the related microelectronics. This allows the array to be easily removed for cleaning or replacement purposes.