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。     

干扰阻塞算法衰减区间分析及改善方法研究

为了抵消主瓣干扰,干扰阻塞算法被提出。该方法首先利用均匀线阵具有的相位差特点构建阻塞矩阵;然后用构建的阻塞矩阵对线阵接收数据进行阻塞预处理;最后进行波束形成将主瓣干扰去除。但该方法在抵消主瓣干扰的同时也会对线阵输出总能量、信号、噪声、信噪比造成不同程度衰减,致使不同方位波束形成输出结果差异较大,降低了对部分方位区间内目标的检测性能。为了详细分析干扰阻塞算法衰减区间,提高抗干扰性能和检测性能,推导了干扰阻塞算法实现原理和干扰阻塞前后总能量、信号、噪声、信噪比变化函数,论述了影响衰减区间相关因子,并提出了相应改善方法。理论分析和数据处理结果表明:干扰阻塞算法在去除主瓣干扰时,由于受衰减区间影响,无法对衰减区间内弱目标实现有效检测;改善方法通过修正因子降低了背景能量差异,减小了干扰阻塞算法衰减区间,提高了干扰阻塞算法对在方位区间内的检测性能,可对相邻干扰2°的弱目标实现有效检测。     

一种基于重置协方差矩阵的波束形成优化方法

低信噪比情况下,针对波束形成方位历程图显示效果较差问题,提出一种重置协方差矩阵的波束形成前置预处理方法。该方法依据协方差矩阵中主对角线元素相比其他元素所含噪声能量差别较大、信号能量基本一样的特点,利用协方差矩阵主对角线邻近元素绝对值对主对角线元素进行重置,降低主对角元素所含噪声对方位历程图的影响,改善方位历程图显示效果。计算机数值仿真和海上实验数据处理结果表明,高信噪比情况下,该方法对方位历程图显示效果无影响;低信噪比情况下,该方法可以很好地改善方位历程图显示效果;该方法同样可以结合其他后置处理技术同时使用,进一步改善方位历程图显示效果。该方法可为改善方位历程图显示效果提供一个参考。     

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。     

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。     

可利用波束输出信息的高分辨方位估计算法

本文介绍一类可以利用波束输出信息实现高分辨方位估计的算法,这类算法由于所利用的波束输出比阵元个数少得多,计算量得以降低,计算机仿真结果表明,对常见声纳接收阵波束输出信息进行高分辨方位估计不仅是可行的,而且还可获得比常规阵元域高分辨算法更低的分辨信噪比门限。     

低快拍下基于RBF的CSB sin-FDA稳健波束形成

针对抑制与目标位置接近的平台外随队干扰的过程中,MVDR波束形成器在阵元数较大、快拍数不足时的主瓣畸变问题展开分析。以CSB sin-FDA接收阵列结构代替ULA-FDA接收阵列。快拍数不足时,将修正后的协方差矩阵导入模糊RBF神经网络计算最优权矢量,避免了矩阵求逆运算。与基于PA及FDA-BFF的MVDR波束形成器相比,在低快拍情况下,该方法在干扰位置处形成有效零陷的同时,主瓣指向能够保持在目标位置。且方向图仅在目标位置处形成单一主瓣峰值,这也为后续关于目标参数估计的一系列分析中的模糊消除奠定了重要基础。数值仿真验证了该方法的有效性。     

球谐域二次Dolph-Chebyshev波束形成的设计

提出了一种球谐域二次Dolph-Chebyshev波束形成方法,该方法在常规波束形成方法和Dolph-Chebyshev波束形成方法的基础上通过平方Chebyshev多项式来计算波束形成的权值.在保持主瓣最大增益不变的情况下,通过平方Chebyshev多项式可以降低旁瓣的最大增益.因此,这种改进的波束形成在保证与前两者具有相同主瓣宽度的同时,能有效地限制旁瓣,提高声场分辨率.且在低频时具有更高的白噪声增益,从而提高球阵处理噪声的能力.仿真实验通过将这三种波束形成方法进行比较,验证了球谐域二次Dolph-Chebyshev波束形成方法的有效性.     

空域预滤波的稳健自适应波束形成方法

假定的期望信号方向向量与真实信号方向向量存在误差时,常规自适应波束形成性能将严重降低,针对该问题,提出了一种稳健的自适应波束形成算法.首先利用凹槽空域矩阵滤波器对基阵接收数据进行空域预滤波,消除协方差矩阵中的期望信号分量,然后重构协方差矩阵同时反变换到阵元域,再用重构的协方差矩阵形成自适应波束权向量.由于方法消除了期望信号分量的影响,极大地提高了自适应波束形成算法对系统误差的稳健性.计算机仿真验证了所提方法的有效性.     

协方差矩阵的相关法Toeplitz改进算法

提出一种基于均匀线形阵列的相关Toeplitz矩阵构造方法,建立了两种Toeplitz矩阵的构造方式,结合子空间法形成一种相干信源方位估计的高分辨方法。具体将接收阵列各阵元与参考阵元输出信号做相关,获得一组相关向量,应用相关Toeplitz矩阵构造算法构造阵列输出的Toeplitz矩阵,从而得到去相干的相应接收阵列的协方差矩阵,最后再应用高分辨子空间估计方法完成相干信源方位估计。仿真结果表明：所采用的相关Toeplitz矩阵构造算法达到了很好的去相干效果,并将Toeplitz近似化方法改进成为无偏估计方法,显著提高了相干信源方位估计的精度,并使Toeplitz矩阵构造的计算量减少到原方法的1/M。     

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。     

三元组线列阵分裂波束目标方位跟踪方法

针对单线阵进行弱目标跟踪时容易受到强目标影响的问题,将三元组线列阵进行分裂波束定向,可提高对弱目标的方位跟踪能力。通过将三元组线列阵等分为两个三元组子阵,对两个三元组子阵分别进行心形波束形成,利用各自心形波束输出进行分裂波束处理得到目标方位。与常规单线阵分裂波束目标跟踪方法相比,该方法不但能给出跟踪目标的左右舷信息,同时提高了不同舷侧存在多目标时的目标跟踪能力。对海试数据的实际处理结果表明,三元组线列阵分裂波束定向时提高了对多目标的方位跟踪能力。     

采用约束最小平方和法实现近场波束形成

本文研究了近场情况下的波束形成问题。对于任意结构阵列,提出了实现近场波束形成的一种约束最小平方和法,由近场信号模型来设计近场波束。该方法在对波束旁瓣施加约束的条件下,使波束主瓣的误差平方和最小,可借助于优化工具箱实现。该方法在主瓣区域和旁瓣区域都能得到满足设计要求的波束性能,不仅可以方便地控制期望响应,而且简单易行。基于32元均匀离散圆阵的仿真设计结果表明了本文方法的有效性。     

基于FOCUSS的水中目标回波亮点高分辨提取方法

水中目标回波亮点空间分布是估计目标尺度、确定目标要害部位、目标识别分类的主要目标特性依据。分析了水中目标回波亮点提取的主要方法及其优缺点,针对提高水中目标回波亮点方位估计分辨率的问题,采用欠定系统局域解法(Focal Undetermined System Solver,FOCUSS)压缩感知信号处理方法估计目标回波亮点的方位分布,并与时域常规波束形成(Conventional Beamforming,CBF)方法、子阵最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成方法进行了比较。试验数据处理结果表明,FOCUSS压缩感知方法的回波亮点方位输出主瓣是"针形"的且无明显旁瓣,分辨率高于子阵MVDR、CBF波束形成处理结果。另一方面,FOCUSS压缩感知方法对信噪比的要求高,适用于良好信噪比条件下的回波亮点提取。     

基于协方差矩阵加权的任意阵列宽带恒定束宽波束形成方法

提出了基于协方差矩阵加权方法的恒定束宽波束形成方法,它适用于任意几何形状和阵元方向性的传感器阵列。设计方法为：首先将设计频带分成若干子带,采用优化方法,通过对各子带波束施加约束,设计出具有设定波束形状的各子带波束。然后,对各子带波束进行能量综合,完成宽带信号处理。该方法解决了协方差矩阵加权波束形成方法在宽带系统中会出现的频谱畸变问题．提高了其宽带信号处理性能,为此类的宽带系统设计提供了理论支持。通过计算机仿真和湖试实验数据验证了方法的正确性。     

FIM空间谱估计的加窗算法

1引言 Bucker[1]提出利用阵元间互功率谱中存在的角度信息,估计平面波功率谱密度.Wilson[2]将该方法进一步发展为逆波束形成(IBF)方法.IBF有较高的方位分辨力(束宽为CBF的2/3)和抑制噪声干扰能力[3],信噪比增益较CBF提高3分贝.IBF算法由傅立叶积分谱估计算法(FIM)、峰值提取器(ENNPP)和跟踪器(M ofN)三个部分组成.其核心部分为傅立叶积分谱估计算法(FIM),相当于波束形成器.利用IBF算法处理舷侧声阵海上实艇试验数据时,由于旁瓣过高,结果不理想.本文把FIM中协方差矩阵的Toeplitz平均结果看作一维阵空间上复互功率谱的分布,通过对其加窗处理,使FIM的性能得到了改善.     

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。     

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。     

近场波束形成的约束最小平方和法

文章研究了近场情况下的波束形成问题。对于任意结构阵列,提出了近场波束形成的一种约束最小平方和法,用近场信号模型来设计近场波束。该方法借助于优化工具箱,在对波束旁瓣施加约束的条件下,使波束主瓣的误差平方和最小。该方法在主瓣区域和旁瓣区域都能得到满足设计要求的波束性能,可以方便地控制期望响应,简单易行。基于32元均匀离散圆阵的仿真设计结果表明了文中方法的有效性。     

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。