圆柱阵声透明性研究

为了分析具有较高空间透明性的圆柱型声基阵是否具有较好的声透明性,建立了圆柱阵阵元间一次散射的模型,对圆柱阵上的单路阵元所接收到的声场总声压的特性进行了理论推导和分析,总声压包含声场中的直达波和来自各路阵元的散射波.理论仿真结果表明:空间透明圆柱阵的声透明性具有明显的局限性,特别是阵元接收声压的幅值在水平面内起伏明显,并且这种起伏的程度在很低的频段依然比较严重.湖试数据和理论分析结果吻合较好,证明理论分析模型和方法的准确性.该分析方法对于研究其他空间基阵的声透明性具有借鉴意义,研究结果证实了在对基阵进行高增益信号处理时,测量基阵阵列流形并进行补偿修正是十分必要的.     

基于牛顿迭代法的频不变响应阵设计

为了避免空间指向性随频率变化造成发射或接收信号失真,目标检测与分类用主动声呐常采用频不变响应阵.频域加权矢量的计算是设计频不变响应阵的关键技术.首先根据基阵对空间信号的接收模型给出频不变响应阵的定义,接着从描述基阵实际空间响应和预成空间响应之间差异的数学表达式出发,提出了频不变指数的概念,进而结合所研究问题的目标函数特性给出了利用牛顿迭代法获得实现频不变响应阵所需频域加权矢量的新算法.针对均匀线阵和圆弧阵所作的计算机仿真结果表明,新算法不但收敛速度快、计算精度高,而且不受基阵类型和阵元指向性的限制.     

声全息测量基阵的设计与研制

对用于近场声全息（NAH）技术，测量大型声呐发射阵近场全息声压分布的线型水听器基阵，进行设计，研制，全息测量阵设计和研制的关键问题是它应能得到声场中复数声压（振幅和相位差）的真实数据，给出场中正确的声压全息面。本文估算了所设计结构的支撑架和水听器基座声散射对阵上水听器测量全息声压的影响；分析对基阵结构的加工工艺要求和提出如何实现这些要求的措施，实验结果表明设计的这套四分之一水型水声扫描线阵的阵元测量数据可靠，适用于大型声呐基阵NAH技术，并为大型全息测量线阵设计提供基础。     

阵元数量和排列方式对多阵元激波发生器声场的影响

提出了几种不同排列形式的多阵元激波发生器,采用坐标变换的方法对不同数量和不同排列形式的多阵元激波发生器的声场进行了模拟。结果表明随着阵元数量的增多,聚焦区域的声压逐渐增大,聚焦声压最大值发生在声轴线附近的聚焦范围内。考虑到加工等综合情况,阵列呈圆形等间距排列较优,这为以后多阵元激波发生器的设计提供了理论依据。     

基于Y型阵MIMO天线互耦效应及信道容量

针对多输入多输出(MIMO)天线阵列在阵元间距较小及平均波达角较大时信道容量会急剧下降的问题,提出了基于Y型阵列结构的MIMO接收天线模型.利用天线阵列互耦效应等效网络模型,导出Y型阵模型的信道相关性和互耦相关性的闭合表达式,阐明了其阵列互耦效应下信道相关性与无互耦相关性之间的关系.分析了入射信号的中心到达角和角度扩展分别对互耦效应下Y型阵MIMO信道容量的影响.与均匀圆型天线阵列性能比较结果表明,Y型MIMO天线阵列能充分利用其空间结构,具有稳定的信道容量,且信道容量优于均匀圆型天线阵列,能有效地改善阵列互耦效应,提高系统性能.     

码头环境下基于组合阵的高分辨噪声源聚焦定位

针对码头测试中噪声源定位受到多途效应影响的问题,本文提出了一种码头环境下基于组合阵列的高分辨噪声源近场聚焦定位方法。该方法采用在均匀声压阵中配置矢量传感器的基阵形式,充分利用多途信道信息生成与实际码头信道声传播特性相匹配的空间聚焦波束;结合被动时间反转技术得到更尖的聚焦峰和更强的背景抑制能力;同时引入最差性能优化思想减小了各种失配误差引起的高分辨聚焦定位方法性能下降。仿真和水池试验结果表明该方法在码头复杂声场环境下可以实现噪声源高分辨聚焦定位,且具有较强稳健性。     

壳体声接收基阵噪声数值计算方法在优化检测性能中的应用

壳体声接收基阵的被动宽带检测性能是基阵优化设计的一个重要准则,然而优化过程需要波束形成器输出端噪声的先验信息.针对壳体声接收基阵承受近场离散噪声源干扰的问题,提出了一种数值计算基阵噪声响应的新方法,即利用边界元理论和SYSNOISE软件对噪声场进行数值计算,并将得到的波束形成器输出端噪声信息应用到提高基阵被动宽带检测性能的优化设计中.利用这种方法,一方面使得波束形成器输出端的噪声计算不再局限于基阵结构简单规则的情况,另一方面克服实际测量噪声场耗费大、不易推广等困难,使得壳体声接收基阵的宽带检测性能在其物理建造前就可以进行优化设计,获得良好的性能预报.以11元共形阵为例,对基阵各个阵元的噪声响应进行数值计算,并在此基础上对该共形阵进行基于提高被动宽带检测性能的优化设计.仿真结果表明,优化出的加权系数有效地提高了波束形成器输出的信噪比,使壳体声接收基阵获得良好的被动宽带检测性能.     

声矢量阵波束域宽带聚焦MUSIC算法

和阵元域处理相比，波束域处理具有计算量小，分辨信噪比门限低的优点．同时，声矢量传感器拾取了更多的声场信息，联合处理这些信息可以提高声呐的性能．把声压阵的波束域高分辨算法的思想和相干子空间方法(CSM)的思想引入到声矢量阵列信号处理，在Michael Zoltowsk提出的矢量阵的数学模型的基础上推导出了声矢量阵波束域宽带聚焦MUSIC算法，并作了计算机仿真研究，仿真的结果表明：基于矢量阵的波束域宽带聚焦MUSIC、算法无论是在分辨信噪比门限还是在角度分辨能力上都要优于声压阵波束域宽带聚焦MUSIC算法，而二者的计算量相当，和矢量阵阵元域宽带聚焦MUSIC算法相比，矢量阵波束域处理的计算量要远远小于阵元域处理。     

复合连通型压电水声换能器基阵的研究

针对压电水声换能器自由场电压接收灵敏度问题,以Cymbal换能器为压电相,聚氨酯为聚合物相,构成了具有1-3复合连通型特征的压电复合水声换能器平面均匀并联基阵.建立了基阵数学模型;制作并测试了该基阵的自由场电压接收灵敏度.结果表明,该种结构的压电复合水声换能器的自由场电压接收灵敏度与阵元的体积分数有关;与阵元的间距有关,阵元间距在对应于辐射因子为零处时,可得到该基阵的自由场电压接收灵敏度的最大值;其自由场电压接收灵敏度的实测值与理论值有很好的吻合程度,基阵的基波谐振频率比单个换能器阵元的基波谐振频率明显降低.     

计入阵元间互耦影响的阵列方向图综合

现有的通过控制旁瓣电平综合天线阵方向图的诸多方法中均无法计入阵元间互耦的影响，本文首先将天线阵等效成多端口网络，计入了阵元间互耦的影响，然后把所要综合方向图的阵列假设成自适应阵列，最后基于自谠应阵列理论提出了一种可计入阵元间互耦影响的阵列方向图综合方法。     

多子阵超宽覆盖海底地形探测方法试验研究

针对多波束海底地形探测系统超宽覆盖问题,提出了具有超宽发射和接收特性的声学基阵设计方案以及多子阵空间建模回波到达方向(DOA)估计方法.超宽覆盖声学基阵的发射阵与接收阵呈"T"型排列,发射阵为直线排列的圆弧阵,接收阵为均匀线阵,发射波束宽度可达144.7.多子阵空间建模DOA估计方法,在较低信噪比情况下仍具有较高的方位估计性能,从而有效估计边缘回波信号方位,仿真数据和典型的多波束海试数据处理结果都证明了算法的可行性.同时,湖上试验验证了超宽覆盖声学基阵和多子阵空间建模方法的有效性,试验结果表明在20 m水深的情况下完全可达到7倍以上水深的覆盖宽度.     

基于MUSIC算法的矢量水听器阵源方位估计

矢量水听器阵的每个阵元同时测量声场中的声压量和质点振速的3个正交分量,相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息.利用矢量阵所获得的速度场的信息可去除目标方位估计中的180°模糊.多重信号分类(MUSIC)算法是通过对数据协方差矩阵进行本征分解获得信号空间谱估计的方法.本文采用矢量水听器均匀线阵研究了利用MUSIC算法对声源进行方位估计,以提高对源方位的估计精度.仿真结果表明,在SNR=10dB的条件下,相对于常规波束形成器输出,MUSIC空间谱的主波束宽度锐化了30°左右,旁瓣降低了16dB左右,利用MUSIC算法可提高对源的定向精度及对多目标的分辨能力.     

小基阵高精度时延估计方法研究

根据声测被动定位对声学基阵提出的要求,给出了当基阵尺寸较小的情况下,影响声测被动定位精度的关键因素。同时分析了多种广义互相关时延估计方法的性能,并用实测的直升机声场数据进行了实验仿真研究。结果表明,采用广义互相关方法,能有效地提高小基阵声测被动定位的时延估计精度,其精度比常规方法高出2倍以上。     

凹球面环形换能器的声场特性

通过计算仿真,分析了凹球面单阵元换能器的轴向声场特性,并在连续工作方式下对其进行了测试,发现仿真与测试结果相近,说明计算仿真是一种有效的模拟声场方法。在此基础上,仿真分析了在不同参数条件下,如外形尺寸和频率改变时,凹球面环形换能器的轴向声场特性,发现参数影响声场的规律,表明环形换能器的外形尺寸是声场特性的决定因素。为了提高聚焦效果,提出了环形换能器的双频率设计。最后为了研究声场的稳定性,分析了误差引入和阵元损坏对换能器声场特性的影响,结果表明换能器的聚焦效果良好。     

矢量圆阵测向方法

为了实现矢量传感器在圆阵阵型条件下的应用,研究了均匀矢量圆阵的测向方法.利用声场分解理论将接收声场分解为一系列相互正交的相位模态,给出了声压、径向振速和切向振速的预处理矩阵的生成方法,利用预处理矩阵将矢量圆阵阵元域信号变换到相位模态域,在相位模态域提出了一种矢量圆阵测向方法,实现了声压振速的相干信号处理.仿真和试验结果表明,本方法可以将矢量传感器的抗噪能力与阵列系统的分辨能力有机结合起来,获得比相同阵型的声压阵更好的检测和估计性能.     

多元阵列的信号相位匹配法

首先分析了三元阵的信号相位匹配原理抵消相干干扰的性能，指出三个阵元接收干扰谱幅度的不一致性将严重影响该方法的性能；接着将基阵接收的随机噪声等效为干扰频谱的起伏，因此，抑制随机噪声可以提高抵消相干干扰的性能；最后根据通常基阵的阵元都大于三的这一实际情况，提出两种充分利用基阵冗余阵元来减小随机噪声影响、提高抵消干扰性能的方法：三子阵法和最小二乘法。仿真结果证明了该方法的有效性。     

基于螺旋线三棱锥阵的三维匹配定位算法

在滑坡泥石流等地质灾害发生前夕,灾害体内的岩石土块发生爆裂、摩擦和断裂等破坏会产生次声波信号,利用次声信号进行三维超前定位是地质灾害防治技术研究前沿.本文在柱坐标下将波动方程通过傅里叶变换和汉克尔变换,建立了三维轴对称的简正波地质声场模型;由于螺旋线三棱锥阵列的阵元具有垂直和水平采样能力,设计了4元螺旋线三棱锥阵置于声...     

基于虚拟成阵技术的线列阵恒定束宽的波束形成

为了使基阵对不同的入射频率信号具有相同的空间响应,提出一种均匀线列阵宽带恒定束宽的波束形成新方法.该方法将宽带信号划分为多个子频带,每个频带可以近似为窄带信号.对于不同子频带信号,根据虚拟成阵技术,虚拟出一个新的线列阵,使虚拟阵的阵元间距为此频带信号的半波长,此时,输出的波束宽度为一个只与阵元个数有关、而与频率无关的恒定常数,从而达到恒定束宽的目的.计算机仿真和水池试验验证了此方法的正确性与有效性.     

高鲁棒性的三元冗余稀疏线阵设计

针对稀疏线阵在实际应用中受环境等因素影响发生阵元故障,进而导致自由度下降和波达方向估计(direction of arrival, DOA)性能衰减甚至失效的问题,设计一种由三段不同间距的均匀线阵以特定距离组成的三元冗余稀疏阵,并推导出该阵列自由度的解析表达式。三元冗余阵配置规则简明,差分共阵连续无孔,数学证明可以不小于3的权重覆盖除最远端4个外所有虚拟阵元,具有较低的阵元重要性和较小的广义k脆弱性。三元冗余阵设计兼顾最大自由度、冗余度和稀疏性,阵元故障时,与其他稀疏线阵相比,有更稳定的差分共阵和更高的连续自由度;与多重冗余阵相比,有更低的阵列互耦。仿真实验显示出三元冗余阵在阵元故障下的优越鲁棒性和更高的DOA估计精度。     

声矢量阵快速子空间方位估计算法

针对声矢量阵高分辨方位估计算法运算量大的问题,基于声压振速联合信息处理,提出了一种快速的声矢量阵高分辨方位估计算法．该算法选择参考阵元的电子旋转矢量作为期望信号,运用多级维纳滤波器(MSWF)对信号子空间进行快速估计,不需要计算声矢量阵的互协方差矩阵,不用进行特征值分解,从而大大缩减了计算量．另外,该算法基于矢量传感器声压与振速的相干性原理,充分利用了声压振速组合抗干扰能力,有效抑制了各向同性噪声．理论分析和计算机仿真表明,该算法在拥有良好DOA估计性能的同时,大大减小计算量．