阵元信号相幅非一致性对波束形成的影响

在波束形成技术中,由于各输入通道相幅的不一致性和阵元位置的误差,而将影响波束形成性能.本文以小型舷侧阵为研究对象,首先介绍了含有误差分量的波束模型,并推导了含有误差分量的波束输出能量模型.然后分别从阵元的相位误差、幅度误差和位置误差三个方面着手,理论分析和计算机仿真相结合,详细介绍了它们对波束形成的影响,对工程应用具有现实的指导意义.     

1110型舷侧阵声呐简介

1110型声呐是EDO公司研制的先进的舷侧阵潜艇声呐.该系统经过仔细设计,尺寸很小,重量最轻,适合在所有潜艇上安装.水听器阵为模块化结构,对艇壳的移动或稳定性影响最小.左右舷的线列阵分别进行波束形成,能够消除左右方位模糊.除首尾的一个小方位扇面外,几乎可以水平覆盖360°.     

实现最佳左右舷分辨的三线阵最佳阵间距研究

从理论上推导了三线阵最佳阵增益（最佳时-空处理）波束形成器,并给出了高斯背景噪声下三线阵最佳空-时最佳线性处理系统和三线阵次最佳空-时最佳线性处理系统框图。然后在最佳波束形成器的基础上推导了三线阵最佳左右舷分辨的阵间距,最后给出了详实的仿真结果论证理论推导。     

宽容自适应波束形成在矢量阵上的应用

矢量水听器由声压和振速水听器复合而成,可以共点同步测量声场中的声压与振速。相对于声压阵,使用矢量阵能在大部分观测区域实现无模糊定向,突破半波阵限制,扩展阵列孔径。当导向矢量精确已知和观测数据充分时,MVDR(Minimum Variance Distortionless Response)的分辨率和抑制干扰能力都优于常规波束形成(CBF)。在实际应用中,导向矢量存在误差或者时变,MVDR的性能严重恶化。RCB(Robust Capon Beamforming)是最近出现的一种宽容自适应波束形成算法,该算法直接对导向矢量进行估计作波束形成,从而有效避免了因导向矢量失配性能下降。推导了秩亏情况下的RCB,将其应用到矢量阵,海试结果表明了该方法的有效性。     

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：     

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。     

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。     

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.     

国外舷侧阵声呐的发展

本文重点概述国外潜艇舷侧声呐的水听器及布阵形式、降噪措施及其信号处理。给出了国外潜艇舷侧阵声呐的装备概况。     

改进的多子阵双站合成孔径声纳成像算法

在常规单站SAS系统中,多子阵技术是提高测绘率的一个有效方法,针对发射站固定的双站SAS模型,多子阵技术同样可以用来解决测绘率与降空间采样率的矛盾,但是当"停-走-停"假设不再成立时,将引入相位误差项,降低双站SAS的成像质量,针对该问题在原有多子阵逐点成像算法的基础上,研究了发射站固定的双站SAS基阵运动引起的相位误差,提出了多子阵双站合成孔径声纳带相位补偿的逐点成像算法,在建立多子阵双站SAS数学模型的同时,形成了新的多子阵双站SAS系统方案设计。并给出了改进的波束形成逐点算法和仿真实验。改进的逐点算法并未改进运算量大小,新方法能够改善成像效果,仿真实验验证了该方法的有效性。多子阵双站合成孔径声纳成像的逐线算法有待进一步研究。     

MVDR自适应波束形成的一种智能算法

最小方差无失真响应（MVDR）自适应波束形成方法在声纳阵列信号处理中得到了广泛的应用。当存在强干扰时,传统的MVDR算法的稳定性较差,在有限次快拍数条件下,会带来一定的信噪比损失。将粒子群优化算法（PSO）引入MVDR的求解过程,提出了一种MVDR的数值实现方法。该方法在保持信号能量不变、干扰和噪声能量最小的约束条件下,利用粒子群优化算法通过数值搜索的方法获得MVDR的最优权向量。在小快拍数条件下,较一般的MVDR具有更好的抑制干扰能力。计算机仿真结果验证了该方法的有效性。     

On the sensitivity of the ESPRIT algorithm to non-identical subarrays

ESPRIT (estimation of signal parameters via rotational invariance techniques) is a recently introduced algorithm for narrowband direction-of-arrival (DOA) estimation. Its principal advantage is that the DOA parameter estimates are obtained directly, without knowledge (and hence storage) of the array manifold and without computation or search of some spectral measure. This advantage is achieved by constraining the sensor array to be composed of two identical, translationally invariant subarrays. In this paper, we analyse the sensitivity of ESPRIT to the assumption that the subarrays are identical. The analysis is applicable to a wide variety of array errors, including non-identical angle-dependent and angle-independent gain and phase perturbations, errors in the locations of the subarray elements, and mutual coupling effects. A representative simulation example will be presented to validate the analysis and compare the performance degradation of ESPRIT with that of the MUSIC algorithm.     

无方位模糊的非均匀稀疏阵MVDR测向方法

稀疏阵能够获得更大的阵列孔径,但常规波束形成(Conventional Beam-Forming,CBF)对非均匀稀疏阵测向时会出现方位模糊。提出了一种基于最小方差无畸变响应(Minimal Variance Distortionless Response,MVDR)同局部非稀疏的非均匀稀疏阵(Non-Uniform Sparse Array,NUSA)的设计相结合来抑制方位模糊的方法(NUSA+MVDR),对其无方位模糊现象进行了理论分析,表明MVDR这一非线性处理方法对伪峰有很好的抑制能力。针对一种典型的NUSA(Typical NUSA,TNUSA),进行了TNUSA+MVDR数值仿真实验,其结果和理论分析一致,表明:1 MVDR有很强的NUSA检测能力,在所给仿真条件下,等效阵元间距为50倍波长时,仍能很好地抑制方位模糊;2TNUSA+MVDR较阵元数相同的均匀非稀疏阵列的CBF和MVDR有更高的方位分辨力;3阵元数一定,TNUSA+MVDR方位分辨力随着等效间距增加而提高,最小可分辨角度反比于等效间距;4等效间距一定,TNUSA+MVDR方位分辨力随阵元数增加而增加。海上实验在等效阵元间距为10倍波长条件下部分验证了NUSA+MVDR的检测性能。     

声压基阵误差单辅助矢量水听器快速校准方法

针对方位依赖的声压基阵误差校正困难问题,提出了声压基阵误差单辅助矢量水听器快速校准方法。利用精确校正的单只矢量水听器,就可以对声源方位及方位依赖的声压基阵幅度相位误差,进行无模糊的联合估计。由于阵元位置误差、互耦及通道的幅度相位误差均可以等效为方位依赖的基阵幅度相位误差,所以可以对多种同时存在的基阵误差进行校正。该方法适用于任意的阵列结构,不存在参数联合估计的局部收敛问题,只需参数的一维搜索,运算量小可实时在线完成。通过计算机仿真实验验证了该方法的有效性。     

不同布阵方式下球面交汇定位系统性能分析

长基线阵球面交汇定位系统中,布阵方式将影响水下目标的定位精度。首先从理论上对定位原理进行了讨论;然后通过仿真定量分析了不同布阵方式下的定位误差。分析结果表明,水平阵无法实现三维定位,通常只能实现二维平面定位,定深则需由深度传感器完成。另外,当测量阵的孔径较大且水下目标位于水平测量阵的正下方时,定位误差最小。     

平面声场中四传声器阵列理论精度的对比分析

主要探讨了两种四传声器阵列的理论精度,针对相应的传声器布置形式进行数值计算,比较了正四面体和直角四面体传声器探头在不同工况下的幅值误差和方向误差。结果表明,在平面波作用下,1~4 k Hz范围内正四面体传声器的幅值误差小于直角四传声器,且两者均小于1 d B,外接球心位置的幅值精度在高频段优势明显;当频率小于5 k Hz时,方向误差均控制在2°以内,因此可以满足相关的建筑声学测试要求。     

测量系统存在幅值和相位误差时准确测量频率响应函数的方法

给出了一种在测量系统存在幅值和相位误差时准确测量频率响应函数的方法，导出了频率响应函数测量系统的系统函数一般表达式；确定了测量系统误差特征函数，并以此为基础消除了测量系统误差对测量结果的影响。实验结果表明，该方法行之有效，并具有一般性。     

基于时延估计的海底线阵阵形估计方法研究

阵形估计是水听器阵列应用中的关键问题,基于时延估计的阵形估计方法比基于传感器测量和基于匹配场处理的方法具有更强的适应性和较高的精度。针对浅海水听器阵列中水平长线阵存在的纵向相关振荡现象引起的不能简单以某一阵元为基准求相对时延的问题,充分利用了阵元信号的高相关性,提出了基于子阵时延的阵形估计方法,针对子阵间时延估计误差向阵端累积的问题,该方法以时延估计的克拉美罗界为依据提出了合理的子阵方式,在一定程度上减小了误差传递。对已有海试数据阵形估计处理的结果表明,相对于单源固定间距方法和未分子阵的双源时延估计方法,基于子阵时延的阵形估计方法满足阵元间距的约束,有较好的空间谱特性,减小了阵形估计误差,对长水听器阵列的应用及阵形估计具有较大应用价值。     

畸变直线阵阵增益计算及仿真研究

阵增益是直线阵最重要的技术指标之一,理想直线阵以半波长布阵,阵增益为阵元数的函数。阵形畸变导致阵元间距发生改变,使直线阵增益显著下降,一方面由于各阵元接收信号的相位差发生变化,另一方面因为各阵元接收信号的相关性改变。从理想阵形情况直线阵的增益出发,并假设阵形畸变不改变各阵元接收信号的相关性,给出了畸变直线阵信号增益、噪声增益和阵增益的计算方法。仿真了直线阵畸变为圆弧形,阵增益随畸变参数的变化情况,分析给出了信号从不同方向入射、阵形未知/已知时,阵增益与信号增益、噪声增益变化的关系。     

Relation between optical Fresnel transformation and quantum tomography in two-mode entangled case

In many applications of phase-shifting interferometry (PSI) the actually recorded object wave is the diffraction field of an object surface. In this case not only the phase error but also the amplitude error in the retrieval process have effects on the object wave reconstruction in its original plane. In this paper, for the first time that we know, the amplitude errors in wave reconstruction in PSI are discussed systematically. Some general relations between the amplitude errors and the phase errors for three commonly encountered error sources, namely the phase shift error, the light source intensity fluctuation and the detector nonlinearity, are revealed. The analytical expressions of the amplitude and phase errors for six frequently used algorithms in PSI are derived. The statistical variances of the two kinds of error are introduced to describe the overall performance of these algorithms and are quantitatively calculated. A series of computer simulations are also given as a verification of our analyses. These results can be used for evaluating the complete wave errors in PSI and developing new methods for their correction.