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。     

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。     

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.     

矢量水听器线阵波束图

本文研究了矢量水听器均匀线阵的采用不同方式进行波束形成的波束图,并和声压阵相应的量进行了比较.结果表明,相对于声压阵,在不增加阵孔径的前提下,利用矢量水听器阵获得的波束主瓣更窄,旁瓣更低.利用声压和振速的联合处理,去除了声压线阵方位估计中的左右舷模糊.     

特征波束形成及其模拟实验研究

本文论述一种新的波束形成方法——特征波束形成。对于完全空间相关的平面波信号,基阵协方差矩阵的特征值集中。但在许多实际情况下,波前只有部分相关,从而造成协方差矩阵的特征值分散。本文对完全相关和部分相关的波前信号都进行了处理,研究了DOA(信号到达方向)估计和产生瞬时波束输出波形的问题,并给出了计算机模拟实验结果。     

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。     

阵元失效对克罗内克积波束形成性能的影响

对于一类规则阵型,可以引入克罗内克积提高最小方差无失真响应波束形成器的鲁棒性,同时降低其运算复杂度;然而,对于阵元数较多的规则阵列,阵元失效的可能性大幅增加,当某些阵元失效时,规则阵列不满足克罗内克分解。针对常见阵元失效问题,文章研究了阵元失效的三种情况对最小方差无失真响应波束形成器与克罗内克积自适应波束形成的性能影响。仿真与实验结果证明,信号完全缺失的通道对自适应波束形成器的影响最大,信号重复的通道对自适应波束形成器的影响最小。文章据此提出了一种低复杂度的信号恢复方法,通过使用相邻通道的信号代替信号缺失通道,提升阵元失效情况下的波束形成性能。     

基于波束域MUSIC方法的高分辨方位估计

现代声纳系统普遍采用水听器基阵和一定的信号处理来提高对目标的检测和定位能力，而基阵的波束形成则在其中起着核心作用。文中研究了窄带波束域高分辨方位估计技术，分析了波束域MUSIC方位估计的构造过程和具体实现方法。仿真计算表明，基于波束域MUSIC的方位估计算法是一种分辨空间小角域内多个目标的有效方法。     

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。     

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。     

基于二阶锥规划的稳健低旁瓣自适应波束形成

针对水下成像时圆弧阵常规波束旁瓣级较高,当存在强干扰时容易带来较多虚警的缺点,提出一种基于二阶锥规划的稳健低旁瓣自适应波束形成方法。该方法通过对波束旁瓣进行优化设计,可以将波束旁瓣级进行严格控制,并进一步结合协方差矩阵重构法,使波束形成器的稳健性得到提高,最后将该波束优化问题转化为二阶锥规划问题进行求解。计算机仿真结果表明,相较于其他算法来说,文中算法在波束旁瓣级得到严格控制的同时,可以在存在各类失配的情况下获得更高的输出信干噪比,稳健性更高。水池实验进一步验证了该方法的有效性,该研究成果可以在声呐成像领域应用。     

Ultrasonic dynamic focusing using an analog FIFO and asynchronoussampling

A dynamic focusing method which employs an analog FIFO (AFIFO) for signal sampling and storage is proposed. The delay control on the ultrasound pulse echo at each array element for focusing delay compensation is achieved by the nonuniform sampling process, as suggested previously in a full digital beamforming system called Pipelined Sampled-Delay Focusing (PSDF). In the new focusing method, an analog sampling device, AFIFO, is used to sample and store values of the pulse echo as it arrives from each imaging point at each array element. Due to the first-in first-out operation of each AFIFO, all the samples for each imaging point along the axis of the beam are arranged at the same output position required on each channel and will be output simultaneously by a uniform output clock. Except for the nonuniform sampling control, all processing in the new dynamic beamforming method is carried out exactly the same as in conventional analog imaging systems. The advantages of the new system are that the sampling rate and hardware complexity for dynamic focusing can be greatly reduced by employing nonuniform sampling and analog signal processing. The performance and validity of the new method are verified experimentally     

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。     

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。     

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。     

密集式MIMO声呐高分辨成像实验研究

为验证密集式多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)声呐高分辨成像算法的有效性,进行了水池实验并获得了期望的高分辨成像结果。首先,将成像算法分为角度维高分辨成像和距离维高分辨成像两种,分别建立了各自的成像处理流程。角度维高分辨成像基于虚拟阵列波束形成算法,距离维高分辨成像基于大带宽信号合成算法。然后,根据两种处理流程选择合适的发射信号和阵型,并据此搭建密集式MIMO声呐高分辨成像平台进行水池实验。最后,通过与传统单输入多输出(Single-Input Multi-Output,SIMO)声呐的成像结果进行对比,证明了MIMO声呐可结合发射信号、阵型和相应的处理流程获得更高的角度分辨率和距离分辨率。     

空域反转阵导向最小方差波束形成

文章研究了基于空域反转阵（Spatial Reversion Array,SRVA）的导向最小方差（Steered Minimum Variance,STMV）波束形成方法。根据空域反转阵的原理将均匀线阵列的快拍进行空间反转,再与原阵列快拍卷积,得到孔径扩大近一倍的空域反转阵,提高阵列性能。将同样的方法用于构造空域反转阵的导向向量,实现其导向最小方差（SRVA-STMV）波束形成。仿真和海试试验结果表明,相较于常规的STMV波束形成,空域反转阵STMV波束形成能够获得更窄的主瓣、更低的旁瓣、更高的输出信干噪比以及更好的多目标分辨能力。     

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。     

Real-time 3-D ultrasound imaging using sparse synthetic aperture beamforming

A method for real-time three-dimensional (3-D) ultrasound imaging using a mechanically scanned linear phased array is proposed. The high frame rate necessary for real-time volumetric imaging is achieved using a sparse synthetic aperture beamforming technique utilizing only a few transmit pulses for each image. Grating lobes in the two-way radiation pattern are avoided by adjusting the transmit element spacing and the receive aperture functions to account for the missing transmit elements. The signal loss associated with fewer transmit pulses is minimized by increasing the power delivered to each transmit element and by using multiple transmit elements for each transmit pulse. By mechanically rocking the array, in a way similar to what is done with an annular array, a 3-D set of images can be collected in the time normally required for a single image.