波束锐化技术在多波束测深声呐中的应用

针对常规波束形成器的分辨性能和旁瓣性能间的矛盾,研究了超波束形成器的波束特征以及空间分辨性能。通过计算机仿真验证了加权超波束形成器既有较高的空间分辨力,又有良好的旁瓣特性。通过对外场实验数据的处理,验证了该算法对于多波束测深声呐测量结果中存在的\"隧道效应\"假象具有明显的抑制作用。针对算法实现结构进行了优化,进一步减小了算法复杂度。利用DSP进行了算法实现,算法具有较好的实时性和工程实用性。     

改进的超波束形成算法探讨及性能研究

为进一步提高超波束形成(Hyper Beam Forming,HBF)算法的性能,在传统的HBF基础上提出一种改进的HBF(Improved Hyper Beam Forming,Im-HBF)算法。将基于半阵指向性函数高阶运算修正到基于全阵指向性函数的高阶运算。仿真结果表明,Im-HBF算法具有更窄的主瓣,并且对端射来波信号栅瓣抑制能力更强,进一步提高了对目标的检测能力。同时,Im-HBF算法对指数n具有更为广泛的适用性,当指数n2时也能获得优于常规波束形成(Conventional Beam forming,CBF)的波束性能。     

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。     

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。     

全设计频段束宽恒定的低旁瓣时域波束形成

为了在空域无失真地接收宽带信号和有效地抑制环境干扰,提出了全设计频段束宽恒定的低旁瓣时域波束形成方法。首先,把宽带信号分为几个子带,应用半定规划的优化方法设计这些子带中心频率上的加权,使所形成的波束主瓣与设计带宽中最低频率上的波束相同,同时约束其具有低旁瓣特征。然后,设计FIR滤波器拟合这些离散频率点上恒定束宽加权所表示的幅相加权。显然,设计得到的FIR滤波器的幅相响应给出了全设计频段上的幅相加权。最后应用该方法,针对阵元具有方向性的12元均匀离散圆弧阵,设计覆盖一个倍频程的低旁瓣时域恒定束宽波束形成器,并使用线性调频信号作为测试信号,验证了所提方法的有效性。     

基于滑动平均的等间隔线阵逆波束形成

逆波束形成算法与常规波束形成相比具有较高的方位分辨力和阵增益,抑制噪声能力强,但其旁瓣却较高,因此采用峰值统计信息作为输出。这样解决了高旁瓣下信号检测的问题,但却丢失了功率谱密度信息。本文在分析逆波束形成算法高旁瓣起因的基础上,提出了用滑动平均抑制旁瓣的方法。仿真分析结果表明,滑动平均方法在保留逆波束形成算法高分辨力的基础上,有效的抑制了旁瓣(第一旁瓣下降了2dB～3dB)。因此,可以采用传统的方法进行输出,以保留功率谱密度信息。海上试验数据的处理结果进一步验证了滑动平均方法的优点。     

水下干扰抑制的稳健宽带自适应波束形成算法

针对水下平台协同探测时如何抑制直达波干扰和其他平台辐射噪声干扰的问题,提出了一种水下干扰抑制的稳健宽带自适应波束形成算法,在空间响应变化约束(spatial response variation, SRV)、期望导向向量失配误差边界约束以及阵列响应零陷扩展约束条件下,建立宽带自适应波束形成优化模型,并求解波束形成权向量。该算法首先在时域宽带自适应波束形成模型中引入空间响应变化约束来保证宽带恒定束宽波束形成;然后引入最差情况性能最优(worst-case performance optimal, WCPO)的期望导向向量误差边界约束来设计宽带稳健自适应波束形成器,克服阵列导向向量误差对波束形成性能的影响;最后针对协同探测系统中存在的干扰源角度变化问题,从宽带自适应波束形成器协方差矩阵的定义形式出发,推导出一种空时域锥化矩阵来处理协方差矩阵,可扩展阵列响应的零陷宽度。对宽带直达波干扰和其他平台辐射噪声干扰的仿真试验表明：该研究在实现恒定束宽波束形成的同时,具有较好的抗干扰性、稳健性和零陷宽度扩展性。     

超波束处理方法的快速实现及试验验证

提出了超波束处理方法在主动声纳中的快速实现方法。通过对阵元信号进行下变频降采样,并采用阵元信号先匹配滤波再波束形成的步骤,降低了信号处理的计算复杂度,使超波束处理方法易于在实时信号处理系统上实现。使用湖试数据处理结果验证了实现方法的正确性,并对超波束处理方法的性能进行了比较。     

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。     

基于恒定束宽波束输出的宽带相干源高分辨测向

本文给出了基于恒定束宽波束输出的宽带相干源分辨测向方法。计算机仿真表明本方法在降低运算量的同时,得到了优于相干信号子空间方法的方位估计性能。     

线阵换能器阵元宽度对主瓣半功率点宽度的影响

文章考虑了阵元宽度对主瓣半功率点宽度的影响,并与忽略阵元宽度的线列阵的情况进行了比较。结果表明:阵元宽度对主瓣半功率点宽度的影响非常有限,而且不同的阵元宽度造成的半功率点宽度之间的差异也很小。因此,在简化的情况下,可以用均匀的线列阵来取代实际相控阵进行计算。     

基于修正超波束技术的精确定向算法探讨

为提高目标定向精度,在保持基阵孔径不变的前提下,对传统超波束技术进行了修正,将超波束非线性运算和后置处理算法相结合,避开了超波束非线性带来的弊端。仿真结果表明,修正后的方法有效地减小了主瓣宽度,降低了旁瓣高度,提高了系统的目标检测性能,降低了虚警概率,对于系统的精确定向具有重要意义。     

一种改进粒子群算法的立体阵列优化方法

利用传统粒子群算法对立体阵列所有臂的阵元分布形式同时进行优化时,不仅耗时,而且易于收敛到局部解。为了解决这个问题,提出了一种改进粒子群算法(Improved Particle Swarm Optimization,IPSO)。改进算法采用并行计算思想,同时初始化多个粒子群,每个粒子通过优化一个臂(优化臂)的阵元参数达到\"降维\"的目的,使用线性递减惯性权重,对多个粒子群同时进行预优化,获得中间解。利用中间解构建一个\"升维\"的新粒子,使用最小惯性权重对新粒子继续优化,满足停止条件后输出。通过对5臂星形立体阵列进行优化设计,发现改进算法不仅耗时短,而且能够得到更优的结果,最后通过6个仿真实验讨论了所设计的阵列的指向特性。     

具有最陡主瓣的最小方差时频分析

针对非平稳时间序列,基于最小方差谱估计提出自适应加窗的时频分析方法,所叠加的时间窗能够自适应地调整尺寸,使得所估计的谱具有最陡的瞬时主瓣以适应时频分析,从而获得满意的非平稳信号的时频分布。仿真结果以及与参考文献的方法比较表明,该方法能够提供更好的频率分辨率,时频分布性能更好。     

基于核滤波器实时运动目标的抗遮挡再跟踪

相关滤波算法是通过模板与检测目标的相似性来确定目标位置,自从将相关滤波概念用于目标跟踪起便一直受到广泛的关注,而核相关滤波算法的提出更是将这一理念推到了一个新的高度。核相关滤波算法以其高速度、高精度以及高鲁棒性的特点迅速成为研究热点,但核相关滤波算法在抗遮挡性能上有着严重的缺陷。本文针对核相关滤波在抗遮挡性能上的缺陷对此算法进行改进,提出了一种融合Sobel边缘二元模式算法的改进KCF算法,通过Sobel边缘二元模式算法加权融合目标特征,然后计算目标的峰值响应强度旁瓣值比检测目标是否丢失,最后将Kalman算法作为目标遮挡后搜索目标的策略。结果显示,本文方法不仅对抗遮挡有较好的鲁棒性,而且能够满足实时要求,准确地对目标进行再跟踪。     

一种低旁瓣圆形活塞高频换能器研究

文章主要研究了一种低旁瓣圆形活塞高频换能器,采用去环非均匀分布方法实现低旁瓣,推导了去环非均匀圆形活塞换能器的指向性函数表达式,建立了指向性仿真模型,并采用Matlab软件进行仿真优化,对不同去环位置和不同去环宽度的圆形活塞换能器旁瓣级变化规律进行了分析,并通过添加匹配层拓展带宽。制作了一款低旁瓣圆形活塞宽带高频换能器,并进行测量。实测结果与仿真基本一致,换能器实测最大旁瓣级为-22.4 dB,较均匀圆形活塞换能器旁瓣级降低了4.8 dB,中心频率为325 kHz,-3 dB带宽为150 kHz。     

Focal shift of a focused partially coherent Laguerre-Gaussian beam of all orders

Abstract

We explore the focusing properties of a partially coherent Laguerre–Gaussian (LG) beam of all orders, particularly the focal shift (i.e. the shift of the actual focal plane away from the geometrical focal plane). We derive the analytical expressions for the average intensity and the effective beam width of a focused partially coherent LG beam, and we adopt the minimum effective beam width instead of the conventional maximum on-axis intensity to determine the actual focal plane. It is found that the focused beam shape, minimum effective beam width and the focal shift of a focused partially coherent LG beam are determined by its initial coherence width, radial mode order and azimuthal mode order (i.e. topological charge) together. Our results may be useful for optical trapping and micro-fabrication, where precise focal position and prescribed beam shape are required.     

Analysing the behaviour of partially coherent divergent Gaussian beams propagating through oceanic turbulence

Theoretical study of propagation behaviour of partially coherent divergent Gaussian beams through oceanic turbulence has been performed. Based on the previously developed knowledge of propagation of a partially coherent beam in atmosphere, the spatial power spectrum of the refractive index of ocean water, extended Huygens–Fresnel principle and the unified theory of coherence and polarization, analytical formulas for cross-spectral density matrix elements are derived. The analytical formulas for intensity distribution, beam width and spectral degree of coherence are determined by using cross-spectral density matrix elements. Then, the effects of some source factors and turbulent ocean parameters on statistical properties of divergent Gaussian beam propagating through turbulent water are analysed. It is found that beam’s statistical propagation behaviour is affected by both environmental and source parameters variations.