声学基阵波束性能仿真与分析

声学基阵的波束指向性函数具有统一的表达式,运用符号运算的方法,可得到任意阵型声学基阵的波束指向图.论文在仿真计算几类代表性阵型波束图的基础上,以柔性垂直阵为例进一步分析了工程实际中基阵的波束性能.在拉伸作用下和海流作用下基阵波束性能会发生变化,阵元间距与波长比可根据主旁瓣比及栅瓣控制要求进行限制,阵的配重可根据阵弯曲后波束性能的变化进行设计.     

基于二阶锥规划的稳健高增益波束形成

针对最优波束形成对基阵的轻微误差非常敏感这一缺点,提出了运用二阶锥规划方法实现白噪声阵增益约束来提高优化波束形成稳健性的方法.白噪声阵增益约束波束形成能够提高优化波束形成对误差的稳健性.本文将白噪声阵增益约束波束形成转化为二阶锥规划(second-order cone programming)形式,通过内点方法(interior point)来求出其数值解.计算机仿真结果验证了该方法的正确性.     

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。     

参量阵及其在水声工程中的应用进展

参量阵技术因其可以在小的基阵尺寸下获得低频窄波束,且波束无旁瓣,并容易获得较大的信号带宽,从上个世纪60年代起获得了广泛的关注和深入的研究,并且在水声工程和超声成像领域获得了比较广泛的应用。文章介绍了参量阵产生次级声场的基本原理、参量阵声场的特点以及相关的物理和数学模型,回顾了参量阵技术在水声工程中的主要应用历史,特别指出了其最成功的应用是高分辨率海底底层剖面仪,因为这个应用最大限度地回避了参量阵技术面临的两个主要问题：转换效率低因而差频声源级不高,以及实现多波束困难因而探测效率较低,并从物理和工程角度深入探讨了这两个问题,提出了进一步研究的重点和对未来应用的展望。     

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。     

基于辐射阻分析的水声换能器基阵优化设计

针对互辐射阻对基阵的辐射功率的影响,计算了圆面活塞水声换能器及其基阵的辐射阻抗;分析了二元阵的互辐射阻特性,当阵元半径小于λ/2时,阵元间互辐射影响较强且呈现一定的规律性,当阵元半径大于λ/2时,阵元间互辐阻影响非常小,因此试图通过改善互辐射阻来提高辐射功率,阵元的半径应小于λ/2;在分析了二元阵、均匀线列阵和N×N均匀平面阵的互辐射阻特性基础上,对阵元半径小于λ/2的基阵布阵方式进行了优化设计,使其能获得较大的辐射功率。研究结果表明：阵元半径小于0.22λ时,密排方式最佳;阵元半径0.22λ〈a〈λ/2时,阵元间距为5λ/4布阵方式最佳。     

基于基阵特性提高声发射频次的方法研究

针对传统的多波束探测效率低等问题,提出了一种利用栅瓣来提高声发射频次的方法.在设计发射波束形成的基阵时,为了防止由于阵元间距过大产生栅瓣,通常采用密排阵的方式来规避栅瓣现象,但这样又会增加发射机的复杂程度.然而,栅瓣的存在也有其本身可以利用的价值.本文利用MATLAB对发射波束形成的方向图进行了仿真分析,总结了在不同基阵条件下主瓣和栅瓣的变化规律.介绍了利用线列阵同时向两个不同方向发射波束的方法,并利用加权法对阵列特性进行了优化.     

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。     

对“基阵”一词的商榷

我国水声界对换能器阵一直称为“基阵”。这种叫法已沿续了30多年。据本人回忆,其历史来源是50年代末在引入的苏联声呐技术文件中往往把阵称作σаэа。按说σаэа一词的直译应为基础、基、基线、基面等,但我们的译员当时把它译成“基阵”,从此沿用至今。 1 早期的俄文水声文献中也不全把σаэа当作阵 据查,俄文σаэа一词最先出现在水声被动定向技术中。如1957年B.A.paciOB     

稳健的波束优化设计及FPGA实现

在分析二阶锥规划(Second-Order Cone Programming,SOCP)算法的基础上,设计了声呐阵列并采用SOCP方法对其波束图进行了优化;根据SOCP的波束优化设计方法,设计了基于FPGA的16元均匀圆阵的波束形成器。目的在于提高波束优化设计的稳健性以及信号处理系统的运算实时性、运算精度等。对FPGA波束形成器的仿真性能进行了分析,主要分析了以下两个方面:首先分析了当权值位数不同时对波束形成器输出的影响,其次分析了波束优化设计方法的抗阵列流形误差的性能。仿真设计结果和实验表明本文方法的有效性。二阶锥波束优化设计的波束图有着良好的稳健性,采用12位权值的FPGA波束形成器,抗阵元位置误差性能也比较好。     

座底式长基线水声跟踪系统校阵方法研究

为了解决座底式长基线水声跟踪系统的高效校阵问题,结合工程项目实际提出一种智能化分组并行校阵方法。该方法利用水下基阵布阵施工时获得的水声及差分全球定位系统(Differential Global Positioning System,DGPS)测量数据为基准,在校阵试验中采用多个水下基阵分组并行校阵的快捷方式,根据自动反馈的测量数据进行校阵误差收敛测量,当满足事先设定的校准误差后,获得水下基阵的精确位置信息,同时完成多个水下基阵的阵型校准。最后,在某水域采用跑船试验的方式进行验证。长基线系统测量的船只航行轨迹与DGPS轨迹重合性好,证明该方法具有智能化程度高、测量精度高、测阵效率及经济性好等优点,具有较高的军事及民用价值。     

任意结构基阵波束优化的稳健性分析

分析了任意结构基阵波束优化的稳健性。首先从理论上推导了阵列误差、权向量误差和权向量范数等因素与波束旁瓣畸变之间的关系,并利用优化波束的白噪声增益和权向量范数之间的关系,提出了任意结构基阵波束优化时权向量范数约束上限的选取方法。针对圆阵进行了大量的计算机仿真,分析了不同权向量范数约束条件下获得的优化波束的稳健性,证明了理论推导的正确性。     

有向阵元圆形阵列声纳波束形成原理及实现

有向阵元阵列接收具有区域指定性好和灵敏度高的优点而被广泛应用于雷达、水声信号目标探测。探讨了基于有向阵元圆阵的波束形成原理并设计出基于FPGA的自适应数字波束形成（ADBF）模块,仿真结果表明有向阵元形成的波束图较全向阵波束图有明显改善,LMS自适应算法对干扰能有效抑制,从而提高了系统输出信号干扰噪声比（SINR）。     

非均匀钹式换能器平面阵布阵设计

钹式换能器尺寸小,可以大规模组阵以提高声辐射性能,但是它的工作频段低,其组阵不宜遵循传统压电阵元布阵间距的规律。为提高基阵的空间利用率而降低阵元互干扰的不利影响,提出一种非均匀平面基阵的实现方法。考虑强度非均匀因素,建立了9元基阵的阵元互辐射阻抗模型和基阵的总辐射阻抗模型,分别研究了阵元间距、工作频率和中心阵元强度对阵元互阻抗和基阵总阻抗的影响。在提高基阵总辐射效率,并保证单个阵元能有效辐射声能的原则下,给出了不同工作频率下,阵元的合适间距。为改善基阵的辐射阻抗提供了阵元间距和阵元强度两种调整办法,为研制超多阵元钹式水声设备奠定了理论基础。     

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。     

基于线性预测的虚拟阵元波束形成

常规波束形成方法在信号频率一定的情况下,为提高其分辨率,需要增大基阵孔径,这在实际工程运用中受到了一定的限制。文中提出了基于线性预测技术的虚拟阵元波束形成方法。该方法在有限尺度基阵的情况下,运用线性预测技术,根据已知阵元的接收数据,估计虚拟阵元上的接收数据,使基阵孔径在虚拟的意义上得到了扩大,从而实现了高指向性窄波束,提高了基阵的指向性指数。仿真实验表明了方法的有效性。     

拖曳线列阵波束形成的级数模型

利用基阵形状的级数表示形式,借助声场中的平面波,估计阵形系数,确定每个基元坐标的估计值,恢复畸变线列阵的波束形成性能,实现未知形状线列阵的波束形成。文中提出主瓣陡度法作为判别准则,所需运算量比最大陡度法减少一个数量级以上。     

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。     

基于最小均方误差的宽带波束形成技术研究

1.引言 在声呐基阵设计中信号通常采用宽带形式,这就要求宽带信号通过基阵系统后无畸变,为此人们提出各种恒定束宽的宽带波束形成器设计方法.智婉君等提出了空间重采样的宽带波束形成器[1][2],但是由于实际阵列空间孔径有限,不能很好的满足采样定理,因此这种方法精度较低;杨益新等提出的适用于任意阵列结构设计的宽带波束形成器设计较为复杂,推导实现比较困难[3];而朱维杰,孙进才等提出了基于DFT插值[4]和FIR滤波器自适应模拟的宽带波束形成器方法[5],但是DFT插值方法需要基阵灵敏度满足一定关系式,才能使得阵列波束图不依赖于频率而变化,应用上具有局限性.他们提出的FIR宽带波束形成器法为了能利用自适应法得到宽带波束形成器在其他频率处的权矢量,需要人为构造一组在空间均匀分布的远场信号去激励自适应波束形成器,这无形中增加了计算量和设计复杂度.     

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。