盲波束形成算法及其C语言实现

阵列信号处理作为信号处理的一个重要分支，在通信，雷达，声呐，地震勘探，射电天文等领域获得了广泛应用和迅速发展。波束形成技术是阵列信号处理中的一个主要问题，它使阵列方向图的主瓣指向所需的方向，盲波束形成算法，可以在不知道阵列流形，信号和干扰方位的情况下，仅根据各个阵元的观测数据，恢复出信号．本文主要讨论应用VC 语言实现和比较了几种基于累积量的盲波束形成算法的性能。     

三维前视声呐信号处理方法

三维前视声像声呐是安装在小型水下载体上的重要声学探测设备。提出了基于波达方向估计技术的三维前视声呐信号处理方法,接收阵水平方向采用波束形成技术,垂直方向采用波达方向估计技术。在波束内采用分裂孔径相位法提高水平方向分辨率,形成声呐阵前方的三维声像。仿真结果和水池实验结果表明:在接收阵面面积相同的条件下,能够获得优于常规技术的分辨率,可以实现点目标和连续目标的探测,适合于在水下载体上安装使用。     

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。     

基于阵列分解的星载相控阵天线波束成形网络设计

根据"子阵列"理论,对星载阵列相控阵多波束天线的阵元空间和波束空间进行子阵分割,分析天线阵元空间成形系数的复用情况,并结合分布式算法,在阵列分解基础上提出了一种波束成形网络的复用结构,节省了67%以上的资源。最后实现了波束成形网络的试验验证平台,并完成了算法的移植和验证。结果表明,该波束成形网络比常规方法节省了大量资源,并实现了多波束等通量覆盖的设计目标。     

有向阵元圆形阵列声纳波束形成原理及实现

有向阵元阵列接收具有区域指定性好和灵敏度高的优点而被广泛应用于雷达、水声信号目标探测。探讨了基于有向阵元圆阵的波束形成原理并设计出基于FPGA的自适应数字波束形成（ADBF）模块,仿真结果表明有向阵元形成的波束图较全向阵波束图有明显改善,LMS自适应算法对干扰能有效抑制,从而提高了系统输出信号干扰噪声比（SINR）。     

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.     

基于阵列响应向量估计的宽容体积阵波束形成

0引言波束形成作为声纳系统的重要组成部分,直接影响着整体性能。通过优化波束形成权系数,为系统提高检测概率,精确定位、跟踪、识别搭建了良好的平台。然而这些优化设计都是在理想阵列流形的假设下进行的,权系数对误差比较敏感,如果实际的阵列流形发生失配时优化波束的效果将急剧降低。在体积阵中产生阵流形失配的原因有很多,     

自适应Notch滤波器在阵列信号处理中的应用

为了不增大阵列尺度采用信号处理方法得到高分辨率的波束指向性,首先利用Notch滤波器的＂离线重构＂实现窄带波束形成,进而结合其瞬时相位估计方法,研究了基于自适应Notch滤波器的恒定束宽波束形成技术,利用信号处理方法将矢量传感器阵列接收的低频窄带信号转化为具有指向性的较高频率波束,并采用虚拟阵元技术消除波束栅瓣的影响,给出了实际应用中具体的信号处理方法。仿真和湖试验证表明这种基于自适应Notch滤波器的恒定束宽波束形成方法是合理可行的。最后,针对适应实时信号处理的要求提出将这种方法与目标自动跟踪系统相结合的改进方向。     

船载式水声测量的垂直线列阵声学性能分析

在舰艇辐射噪声、低频声散射特性测试和匹配场定位中,垂直线列阵已经得到广泛应用.但是,由于测试平台相对运动和海流流速的影响,垂直线列阵的阵形会发生形变,严重影响线列阵的波束性能和处理效果.本文对线列阵的水下受力进行了分析,分别对常规圆柱形线列阵和流线型线列阵不同流速、不同配重下的偏移角度、有效长度和波束性能进行了理论仿真,并对常规圆柱阵和改进后的流线型线列阵的水下姿态和背景噪声进行了对比测试和分析,计算和试验结果表明:经"毛发"型结构改进后的垂直线列阵可有效降低线列阵的水下流体阻力,在较低配重条件下即可保证线列阵的水下阵形和波束性能,在300Hz以下可降低低频振动和流噪声5dB~20dB.     

基于共轭虚拟阵列的稳健波束形成方法

针对提高阵列天线波束性能问题,本文提出了基于共轭虚拟阵列的信号导向矢量扩展方法.利用共轭虚拟阵元扩展阵列,增大了阵列孔径却不改变实际阵元数,降低了副瓣电平并且不会增加天线制造成本.在虚拟阵列的基础上对信号导向矢量进行扩展,使阵列波束形成效果更加稳健.本文通过在有无干扰以及存在幅度和相位误差情况下对11个阵元阵列天线进行...     

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。     

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：     

基于波束计算的水下声学探测设备声兼容传播过程分析

对于搭载多种声学探测设备的水下平台,不同设备的信号可能会产生相互干扰。因此,根据探测设备的波束特性,针对水下平台对海底的探测情形,来分析探测设备声兼容传播过程的特性。结合射线声学和海底散射模型,建立了声兼容分析中声传播的计算方法,并且分析了传播过程中各种因素对声兼容设计的影响。结果表明,在算例的波束条件下,声速剖面对声兼容性的影响较小,而特定类型的海底底质的影响较大。此外,水下平台距海底越高,或者波束偏转越大,声学设备间的相互干扰就越大。为了尽可能减小干扰信号的影响,应尽量避免干扰信号的发射波束和接收波束交叠,此外还给出了波束覆盖角阈值和干扰信号衰减的关系。     

基于平面传声器阵列的声源定位系统

对阵列的特性进行了研究,并提出了一种优化的64阵元平面螺旋阵列。这种64阵元平面螺旋阵列的阵元分布在以阵列中心为轴心的8条螺旋上,并且具有较窄的主瓣宽度和较低的旁瓣级。基于这种优化的阵型,研制了一种声源定位系统。研究分析了该阵列的探测性能,并通过实验数据对该声源定位系统的性能指标作了验证和评估。利用波束形成算法进行声源定位,通过仿真和实验分析,证明了这种阵型优化的阵列在声源定位应用中的有效性。     

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。     

稳健的波束优化设计及FPGA实现

在分析二阶锥规划(Second-Order Cone Programming,SOCP)算法的基础上,设计了声呐阵列并采用SOCP方法对其波束图进行了优化;根据SOCP的波束优化设计方法,设计了基于FPGA的16元均匀圆阵的波束形成器。目的在于提高波束优化设计的稳健性以及信号处理系统的运算实时性、运算精度等。对FPGA波束形成器的仿真性能进行了分析,主要分析了以下两个方面:首先分析了当权值位数不同时对波束形成器输出的影响,其次分析了波束优化设计方法的抗阵列流形误差的性能。仿真设计结果和实验表明本文方法的有效性。二阶锥波束优化设计的波束图有着良好的稳健性,采用12位权值的FPGA波束形成器,抗阵元位置误差性能也比较好。     

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。     

声场分解的均匀圆阵实值MUSIC算法

经典方位角估计算法中未考虑阵列安装支架对阵列接收信号的影响,实际中阵列安装支架必然会对阵列接收信号产生影响。以环绕在刚性球上的均匀圆阵为阵列模型。在对声场特性的分析中将声学原理和阵列信号处理技术相结合,探讨了存在刚性球形障碍物时的声源方位角估计问题。首先从声学理论出发,分析了刚性球体散射声场及声场分解,讨论了刚性球体对圆阵响应的影响;进而结合阵列信号处理技术,在对声场分解所得到的特征波束空间,利用实值MUSIC算法实现了声源方位角估计。计算机仿真表明,该算法能较好地估计出空间多个声源的方位角,且计算量小,估计精度高,具有解相关声源的能力。     

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。