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。     

矢量线列阵波束形成算法的左右舷分辨性能

研究矢量均匀线列阵波束形成算法的左右舷分辨性能。水听器可同步共点地测量声场的声压和质点振速,为一具有指向性的空间共点阵,从而能够解决单线阵声呐的目标左右舷模糊问题。文章分析了采用不同波束形成方法时矢量阵广义Cardiod处理和声强处理的目标左右舷分辨性能,并利用海试数据进行了验证。研究结果表明:自适应波束形成具有比常规波束形成更佳的左/右舷分辨性能,且对矢量阵处理而言,广义Cardioid处理更为稳健和实用。     

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。     

矢量传感器线列阵波束域MUSIC方位估计

在研究矢量传感器阵列目标估计基础上,本文首次在矢量传感器阵列处理领域将矢量阵波束形成与波束域目标估计算法结合起来,实现了高精度目标方位估计,与常规阵元域和波束域方法相比,提高了多目标估计性能,增大了阵列输出增益,大大减小了计算量.仿真验证了本算法的优越性.     

MVDR自适应波束形成技术在水声中的研究进展

高分辨波束形成器比常规波束形成具有更好的方位分辨力与干扰抑制能力。该波束形成器能够提高阵列输出信干噪比,从而提高声呐的探测性能。与多重信号分类、旋转不变子空间等方法相比,最小方差无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器输出真实反映了观察方向的信号功率,同时可提供波束时间序列做后置处理,在水声阵列处理领域得到了快速发展和深入研究。对高分辨MVDR技术在水声阵列处理中的研究进展进行了回顾,重点介绍了其宽带处理、稳健性、运动补偿、解相干等国内外的研究热点和最新成果,同时给出其在各种水声阵列处理领域的应用前景。     

矢量线阵MUSIC算法抗空间混叠性能研究

利用矢量线阵可以提高对目标参数估计的性能,探讨了矢量线阵MUSIC算法的抗左右舷模糊性能和抗空间混叠性能。理论研究和外场试验结果表明,矢量线阵消除了声压线阵MUSIC方位谱的左右舷模糊,在阵元个数保持不变的条件下,空间降采样时,矢量线阵MUSIC空间谱不仅提高了方位估计的精度,而且能够抗空间混叠,在相同的条件下．矢量线阵MUSIC空间谱的抗空间混叠性能明显优于矢量阵常规波束形成方法。     

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.     

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。     

基于洛伦兹锥规划的声矢量阵宽容自适应波束形成

针对矢量阵Capon波束形成对阵列误差尤其敏感这一不足,提出了运用洛伦兹锥规划(LCP,Lorentz Cone Pro.gramming)实现导向矢量范数约束来提高波束形成鲁棒性的方法.鉴于矢量水听器声压分量和振速分量对阵列误差敏感程度不同的特点,采用了"双线约束"的策略.将范数约束波束形成转化为LCP形式,通过内点...     

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。     

扩展性噪声源定位的空间谱估计仿真研究

波束形成是列车噪声源定位的常用方法,但在低频条件下分辨率较差,对扩展性声源的识别效果不佳.我们以扩展性声源为研究对象,理论推导了去自谱算法的扩展源模型.信噪比分别为-5dB和5dB时,通过比较分辨率和信源间隔的关系,对CBF、MVDR、MUSIC三种算法的稳健性进行定性分析,发现MVDR算法的分辨率受信噪比影响最小、稳健性较好.还系统地比较了MVDR算法和去自谱算法对单点声源、扩展性声源的定位效果,仿真表明,去自谱算法能有效抑制旁瓣效果(最大旁瓣级比MVDR算法低7.4dB),更适用于扩展性声源的定位.     

一种有效抑制阵列后方声源的心形指向性传声器阵列

基于心形指向性传声器的波束形成可以有效抑制阵列后方声源的干扰,提高前方声源的识别精度。以平面轮形传声器阵列为对象,借助MATLAB仿真计算,对阵列后方声源波束形成声源识别特性及其抑制方法进行研究。基于除自谱的互谱波束形成算法提出了含有传声器指向性的波束形成算法,对圆形和心形指向性传声器进行不同声源类型的波束形成仿真计算,并针对仿真结果显示出的不足,给出了既能保证阵列平面上最大声压贡献量的识别精度,又能降低旁瓣水平的幅值校正算法。试验结果证明了基于心形指向性传声器的波束形成可以有效抑制后方声源。     

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。     

声矢量阵相干源方位估计算法

基于声矢量阵的质点速度场平滑（ParticleVelocityFieldSmoothing,PVFS）算法是一种有效的解相干算法,但是当存在大量相干源时,该算法性能急剧下降甚至失效。在PVFS算法的基础上,提出了矩阵平方平滑（MatrixSquareSmoothing,MSS）-PVFS算法,该算法是对PVFS算法的改进,通过对PVFS算法构造的数据协方差矩阵进行平方、矩阵分块以及矩阵块间交叉相乘等数学运算,增强了PVFS算法解相干的能力,并大大增加了其分辨相干源的数目。计算机仿真结果表明,MSS—PVFS算法的效果与空间平滑（SpatialSmoothing,SS）-PVFS算法大致相同,但在低信噪比条件下,该方法具有更高的DOA估计精度。     

基于CORDIC的成像声呐加权系数实时生成方法研究

针对线列阵成像声呐加权系数的预存储式生成方法,需要在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)中调用Block Memory IP核预存所有加权系数进行波束形成,造成随机存储器(Random Access Memory,RAM)资源占用过多的问题,提出了一种基于CORDIC实时生成加权系数的改进方法。通过预存少量的波束角度值并利用乘法器和CORDIC IP核实时生成加权系数,该方法可降低77%的RAM资源;此外,通过上位机下发声速,可以实现动态加载不同声速下的加权系数进行波束形成,并且能够保持较高的运算效率。经过ISE布局布线,该方法有效地均衡了RAM资源与逻辑资源的占用率,节省FPGA成本,具有很好的工程应用价值。     

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。