基于子带锐化互相关处理的目标方位估计方法

将双接收器信号分频段处理的思想引入被动测向估计中,提出了一种子带锐化互相关算法。该算法利用高斯函数替代各频段信号互相关函数来实现尖锐化,再进行加权处理,以解决互谱相关算法在多目标或存在干扰情况下的目标方位估计效果不理想问题。仿真和海试数据处理表明,对具有频谱分布差异性的带限信号来说,算法在多目标、强干扰情况下仍可很好地估计目标方位,并且可以同时得到目标的频率信息,根据信号频带的不同还可以分辨相同方位角入射的不同目标。     

子带锐化互相关算法

本文分析了互谱相关算法在多目标或存在干扰情况下,估计效果不理想的原因,将分频段处理的思想引入到互谱相关算法中,并将各频段的处理结果进行尖锐化和加权处理,提出子带锐化互相关算法,解决了互谱相关算法在多目标或存在干扰的情况下估计效果不理想的问题。通过理论分析,仿真和海试数据的处理证明,算法在多目标,强干扰的情况下仍可很好的估计目标的方位,并且可以同时得到目标的频率信息,根据目标频带的不同还可以分辨相同方位角入射的不同声源。     

聚焦矩阵在水中宽带目标被动跟踪中的应用

针对水中机动宽带目标,对于设计好的均匀线列阵,采用空间重采样方法计算基阵的恒定束宽阵元权系数,进而利用该阵元权系数产生聚焦矩阵,通过聚焦矩阵将不同频带的子带信号映射到同一参考频率上,然后将所有频率成分的信号功率谱密度矩阵作平均,并结合MUSIC(Multiple Signal Classification)算法,估计出目标的方位信息,从而实现水中宽带目标的被动跟踪。采用该方法进行仿真试验分析,结果表明在小孔径基阵上可实现宽带单目标的稳定测向被动跟踪,且对多目标具有一定的角被动分辨效果。     

基于金枪鱼算法的最大似然信号方位与频率联合估计

针对多维非线性搜索在传统最大似然估计(ML)上的波达方向(DOA)估计存在计算量大、传统网格搜索速度慢等不足,提出了一种基于金枪鱼算法的窄带信号频率方位联合估计的最大似然DOA估计,该算法体现了良好的估计性能。仿真结果表明,该算法对单声源有精确的角度和频率估计值;在声源个数不同的情况下,与基于松鼠搜索算法、正余弦算法、原子搜索优化算法、人工蜂群算法等的估计相比,该算法有着更快的收敛速度和更低的均方根相对误差。     

一种改进的WSF算法在单矢量水听器多目标方位估计中的应用

文章针对单个矢量水听器的多目标方位估计,提出了一种基于加权子空间拟合(WSF)的算法,该算法首先对单个矢量水听器接收数据作一任意的时间延迟,而后仿照ESPRIT算法的思路求解阵列响应矩阵,从中抽取各目标的波达方位。该算法在保留WSF算法分辨力高、估计方差小的优点的同时,通过结合ESPRIT算法的思想,克服了WSF算法计算量大,需迭代求解的缺点。由于该算法和声源频率无关,因而可直接应用于宽带声源的测向,并避免了传统ESPRIT算法中因估计延时相位而导致的频率-方位模糊问题。文中通过数值仿真和推导Cramer-Rao下界,给出了该算法的性能评价,数值仿真和湖试实验结果也充分验证了该算法的有效性。     

ESPRIT扩展孔径技术在矢量水听器线阵中的应用

ESPRIT算法是一种用信号旋转不变性来估计信号参数的方法,属于子空间分解技术。应用于矢量阵扩展孔径的方位估计时,则需要一定的算法去除其本征模糊。文中提出了一种适用于矢量水听器线阵的ESPRIT去模糊算法——MUSIC,并与另一种粗略估计去模糊的方法在性能上作出比较。仿真的结果证明:使用MUSIC方法不仅可以去除ESPRIT算法中的本征模糊,还可以克服线阵中的左右舷模糊问题,就不必进行归一化、不需要考虑声压传感器的存在。不论是单目标方位估计还是双目标分辨都具有更大的方位角估计适用范围和更强的稳定性。     

混响环境中突发声源定向方法及性能

针对突发性声源在混响条件下的定向技术进行了研究。基于传统广义互相关时延估计的定向方法,通过对互相关函数计算结果进行判别与约束、对数据帧采用滑动方式、对时延估计结果进行能量加权选举等措施,有效提高了声源定向结果的稳定性。实验结果表明,改进的算法在混响条件下能有效地对突发性声源进行可靠定向,可用于对枪声、爆炸声等突发性信号进行精确定向和定位。     

基于卷积神经网络的水下多目标方位估计方法

针对水下多目标方位估计问题,提出了一种利用卷积神经网络模型对目标声源进行方位估计的方法。该方法使用不等强度的声源数据进行训练并使用焦点损失函数作为训练损失函数。通过对阵列接收到的信号进行特征提取,使用焦点损失函数指导卷积神经网络训练,最终利用训练好的卷积神经网络模型进行目标方位估计。对不同模型参数的训练进行对比,结果表明所训练的卷积神经网络模型在较低信噪比条件下也能正确估计弱目标的方位。试验结果表明,与采用二元交叉熵损失函数的卷积神经网络模型相比,该方法对弱目标的方位估计能力更强,提高了方位估计的准确率。     

相干分布源的方位估计

在水下声纳工作的环境中,若目标体沿中心角方向的扩展角度不能忽略,则基于点源假设的众多高分辨方位估计算法会导致错误的估计结果,而基于分布式目标模型的方位估计算法则可以适应这种目标环境。目前,随着空间分布源受到越来越多的关注,有人相继提出了一些算法例如DSPE和ESPRIT等等,但是这些算法需要很高的输入信噪比和要求不同目标源之间不相干,为了解决相干源的方位估计问题以及提高算法低信噪比下的估计性能,给出一种处理方法。仿真实验证明,该方法能够在低信噪比下提高算法的估计性能及有效的区分相干源。     

基于样本协方差矩阵谱分离特性的波达方向估计方法

小快拍条件下利用样本协方差矩阵代替统计协方差矩阵会带来较大误差,导致传统DOA估计算法不能准确估计目标方位。通过分析发现在不同阵元数与快拍数之比情况下,不管相干源还是独立源,样本协方差矩阵都具有明显的谱分离特性,在此基础上提出了采用小快拍的主特征空间目标波达方向估计方法,该方法利用导向向量与噪声子空间正交,且与信号子空间平行的特性,使用导向向量与主特征空间相乘再取反余弦构造出目标DOA估计幅度。仿真与水池实验中阵元数与样本数之比为1时依然可以准确将多个目标分辨出;海试数据验证中,阵元数与样本数之比也同样为1时,两个相邻目标可以正确分辨,而MUSIC算法则有伪目标出现。     

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。     

基于最大似然估计的辐射噪声源近场定位方法性能分析

如何利用较少的阵元个数得到比较理想的空间分辨力,准确找到噪声源位置,一直是人们比较关心的问题,因此介绍了基于最大似然估计的辐射噪声源近场定位方法,并利用遗传算法寻求最大似然估计的全局最优解,从而实现噪声源近场定位,其具有比常规聚焦波束形成更高的空间分辨力,且可以有效实现相干声源近场定位。通过计算机仿真详细分析了信噪比、测量距离及基阵孔径对本文算法定位性能的影响,说明了仅利用小孔径基阵就可实现辐射噪声源近场高分辨定位,最后通过湖试实验验证了该方法的有效性,具有一定的工程应用价值。     

Simple algorithms for sonar imaging and bathymetry with a linear swept-frequency (chirp) source

This article describes a digital implementation of time-delay sonar imaging for linear swept-frequency (chirp) sources. The technique, based on phase-shifting of match-filtered individual transducer echoes, is a direct equivalent of analog phased-array processing. Computing and sampling costs are minimized by sparse population of the receiver aperture, using a separate transmission array with controlled beamwidth to suppress grating lobes. Synthetic-aperture processing uses essentially the same computation, and is carried out for a chirp signal without frequency decomposition. When different arrays are used for transmission and reception, azimuthal resolution depends on transmission array length, but maximum movement between pings without aliasing is set by the length of the receiver array, so high resolution is compatible with fast survey. This article describes how a closely related algorithm can be used for swath bathymetric depth estimation, and presents simulation results using a random surface scatterer model. © 1997 John Wiley & Sons, Inc. Int J Imaging Syst Technol, 8, 359–376, 1997     

波叠加联合波束形成的局部声场重建技术研究

传统近场声全息是以快速傅里叶变换为基础的,在有限测量孔径条件下将产生窗效应和卷绕误差,因此一定程度上制约了其在工程上的应用。基于此,提出了一种基于波叠加联合波束形成的局部声场重建技术。首先利用波束形成对传声器阵列采集的声场信息进行分析计算,获得声源的具体位置;然后在该位置配置等效源,并利用迭代算法对局部声场的数据扩展;最后应用扩展后获得的声场数据进行重构。该技术只需要少量的传声器就可以方便快速的实现声场重建。在半消声室内采用两个音箱模拟声源进行研究,实验结果表明:在小测量孔径下该方法可以准确的重构外部声场,拓宽了近场声全息在工程中的应用范围。     

Ultrasound synthetic aperture imaging: monostatic approach

An ultrasound synthetic aperture imaging method based on a monostatic approach was studied experimentally. The proposed synthetic aperture method offers good dynamical resolution along with fast numerical reconstruction. In this study complex object data were recorded coherently in a two-dimensional hologram using a 3.5 MHz single transducer with a fairly wide-angle beam. Image reconstruction which applies the wavefront backward propagation method and the near-field curvature compensation was performed numerically in a microcomputer using the spatial frequency domain. This approach allows an efficient use of the FFT-algorithms. Because of the simple and fast scanning scheme and the efficient reconstruction algorithms the method can be made real-time. The image quality of the proposed method was studied by evaluating the spatial and dynamical resolution in a waterbath and in a typical tissue-mimicking phantom. The lateral as well as the range resolution (-6 dB) were approximately 1 mm in the depth range of 30-100 mm. The dynamical resolution could be improved considerably when the beam width was made narrower. Although it resulted in a slightly reduced spatial resolution this compromise has to be done for better resolution of low-contrast targets such as cysts. The study showed that cysts as small as 2 mm by diameter could be resolved     

EEG‐based brain source localization using visual stimuli

Electroencephalography (EEG) is widely used in variety of research and clinical applications which includes the localization of active brain sources. Brain source localization provides useful information to understand the brain's behavior and cognitive analysis. Various source localization algorithms have been developed to determine the exact locations of the active brain sources due to which electromagnetic activity is generated in brain. These algorithms are based on digital filtering, 3D imaging, array signal processing and Bayesian approaches. According to the spatial resolution provided, the algorithms are categorized as either low resolution methods or high resolution methods. In this research study, EEG data is collected by providing visual stimulus to healthy subjects. FDM is used for head modelling to solve forward problem. The low‐resolution brain electromagnetic tomography (LORETA) and standardized LORETA (sLORETA) have been used as inverse modelling methods to localize the active regions in the brain during the stimulus provided. The results are produced in the form of MRI images. The tables are also provided to describe the intensity levels for estimated current level for the inverse methods used. The higher current value or intensity level shows the higher electromagnetic activity for a particular source at certain time instant. Thus, the results obtained demonstrate that standardized method which is based on second order Laplacian (sLORETA) in conjunction with finite difference method (FDM) as head modelling technique outperforms other methods in terms of source estimation as it has higher current level and thus, current density (J) for an area as compared to others.     

基于反卷积的双线阵聚焦波束形成被动定位方法

为了提高双线阵聚焦波束形成在阵元数少或频率低时的定位精度,文章研究了一种基于反卷积的双线阵聚焦波束形成被动定位方法。首先在测量区内对双线阵接收信号进行球面波补偿,给出噪声源分布的声图信息。然后根据阵型的参数,计算双线阵的指向性函数。最后利用一种适用于移变阵列的二维扩展R-L反卷积算法,对声图波束输出和双线阵的指向性函数做反卷积,求解基于反卷积波束形成的源的分布。该方法旁瓣更低,分辨力更高,有效提高双线阵聚焦波束形成的定位精度和左右舷分辨能力,为后续的减振降噪、噪声检测等工作提供了参考。     

聚焦波束形成声图法误差分析

聚集波束形成声图测量方法可以实现近场目标的被动定位．利用该方法接收数据或进行数据处理的过程中必定会有各种误差产生,本文从聚焦峰尺度、阵元偏差、波长等方面对聚焦波束形成声图测量方法的影响进行了分析,经仿真研究与实验数据分析可以得出聚焦波束形成声图法受距离与波长的影响较大,但对于阵元的位置要求不高,利用该方法可以实现近程目标的高精度定位。     

线列阵声纳近场常规波束形成的理论性能

研究了线列阵声纳应用常规波束形成方法进行目标被动定位的理论性能。在反潜战中,重型热动力鱼雷是潜艇面临的重要威胁。为对鱼雷实施被动定位,推导了常规波束形成方法目标被动定位的渐进方差,并与克拉美-劳下界进行了比对分析。此外,通过数值方法研究了信号强度、目标位置、基阵孔径和积分时间等参数对被动定位性能的影响。结果表明：应用现有的声纳设备（如潜艇舷侧阵）来解决中等距离的鱼雷被动定位问题是完全可能的。