基于磁流体填充微腔结构的光纤磁场矢量传感器

研制了一种基于磁流体填充的微腔式马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)结构的高灵敏的光纤磁场矢量传感器。采用大错位熔接三段单模光纤形成开腔结构,便于将磁流体注入传感器的开腔中,将MZI传感器封装在注有稀释磁流体的玻璃毛细管制成磁场传感器。由于磁流体的折射率会随着施加磁场的变化而改变,MZI的传输光谱会相应发生漂移。通过监测传输光谱的波长漂移,可以检测磁场强度。实验结果表明,具有轴向不对称结构的开腔式MZI传感器具有测量磁场的能力,在3.0~10.0 mT的磁场范围内灵敏度高达-5.51 nm/mT。该MZI磁场传感器由于其灵敏度高、结构紧凑、成本低的优点,适用于磁场测量。

深海环境下利用单矢量传感器估计目标深度

针对深海环境下目标的深度估计问题,本文研究了可靠声路径下直达波和表面反射波形成的周期性干涉调制模式。提出了一种利用单矢量传感器结合周期干涉调制结构对目标深度估计方法。依据矢量传感器接收到的声场信号构建周期干涉调制结构,利用水平复声强和垂直复声强获得目标的垂直到达角,通过周期干涉调制结构同目标深度之间的关系估计目标的深度。Bellhop数值仿真实验结果表明该方法能够有效估计目标深度,并且不需要精确的海洋环境知识。

一种基于平行因子分解的电磁矢量传感器MIMO雷达测向算法

现有的电磁矢量传感器?多输入多输出(Electromagnetic vector sensor multiple?input multiple?output, EMVS?MIMO)雷达大多限制收发阵元以半波长约束分布,极大限制了雷达测向的分辨率。针对此问题,本文提出了一种基于平行因子(Parallel factor, PARAFAC)分解方法对目标进行二维角度估计的算法,该算法适用于所有任意发射阵列几何以及任意稀疏的接收阵列几何。首先,对接收阵列的匹配滤波后的信号构造三阶平行因子张量模型。然后,利用PARAFAC分解,得到发射方向、接收方向以及复合因子矩阵的估计值。最后,联合旋转不变法、矢量叉积法和最小二乘法,得到目标的高分辨率、无模糊特性二维角度估计的闭式解。本文所提出的算法具有精度高、计算复杂度低的特点,计算机仿真验证了基于张量分解的算法在任意双基地EMVS?MIMO雷达模型上的应用,该算法能够准确地估计出多个目标的二维角度参数,证明了所提算法的有效性和优越性。

双四元数矢量传感器阵列模型和电磁源定位

从四元数形式的麦克斯韦方程组的角度出发为电磁矢量传感器阵列建立了纯双四元数模型(PB-MOD-EL).理论分析表明采用双四元数框架下的数据协方差矩阵可以去除每个电磁矢量传感器内部的电场天线或者磁场天线噪声的相关性,使得相应的纯双四元数多重信号分离算法(PB-MUSIC)可以扩展到相关噪声的场合.实验仿真结果证明了该算法和理论分析的正确性.

矢量传感器阵列的空间谱估计及定向性能分析

推导了基于水声矢量传感器阵的Bartlett和Capon空间谱的解析表达式,并与标量传感器阵的空间谱相比较,分析了基于矢量传感器阵的两种DOA估计方法对阵列定向性能的改善,并给出了数字算例。

双二维矢量传感器垂直阵定向技术的研究

针对目前国内矢量传感器制造技术的现状,研究了很有实用价值的二维矢量传感器阵的定向方法。首先分析了二维矢量传感器接收信号的形式,推导得出单个二维矢量传感器有一定的三维空间定向能力;继而设计出一个双二维矢量传感器垂直阵,并针对此垂直阵提出了方位估计的3种算法:分测法、混测法和鉴测法;接着对定向算法进行仿真实验,验证了各种算法,并采用概率密度统计的方法使定向结果更明显;同时运用概率统计的方法很好地解决了方位估计时出现的左右舷模糊问题;最后经过方差分析各种算法的精度,指出3种算法的精度不同是由数据利用率和阵元信道差异造成的。

声矢量传感器线阵的左右舷分辨

声矢量传感器由声压传感器和惯性传感器复合而成,可同时测量声场一点处的声压标量和质点振速矢量的各正交分量,为解决传统声压水听器线阵固有的左右舷模糊难题提供了新的方法和手段.利用声矢量传感器线阵指向性函数研究了3种常规波束形成器的左右舷抑制比,然后简要分析了MVDR波束形成器的左右舷抑制比.理论分析和海试结果均表明:1)左右舷抑制比除了都不可避免地与信噪比有关之外,相比于具有一定左右舷分辨能力的声压水听器多线阵和三元组声压水听器线阵,声矢量传感器线阵的左右舷分辨性能主要取决于与频率无关的矢量传感器阵元指向性;2)声矢量传感器线阵MVDR波束形成器的左右舷分辨性能大大优于常规波束形成器.

基于DOA矩阵法的矢量传感器阵列二维波达方向估计

DOA矩阵法是一种二维波达方向估计方法,该方法具有分辩率较高、计算量较少的特点。该文将DOA矩阵法扩展至矢量传感器阵列的波达方向估计,推导出相应的计算公式,分析了算法计算复杂度。算法分析表明,相对于ESPRIT算法,DOA矩阵法计算复杂度大大降低。Monte Carlo仿真结果表明,与ESPRIT算法相比,DOA矩阵法估计的均方根偏差和均方根标准方差相对大一些,所需的最低快拍数也增加。

声矢量传感器研究进展

声矢量传感器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器复合而成,可以同步共点测量声场中一点处的声压和质点振速若干正交分量,由此得到的幅度和相位信息为解决一些水声问题提供了新的思路。因其实际的和潜在的工程应用价值,所以在最近十年间与此相关的声矢量传感器技术备受水声界关注。本文尝试综述声矢量传感器技术近五十年间在物理基础、传感器设计制作、相关工程应用等各方面的发展历史、现状和所取得的一些研究进展。PACS数: 43.30,43.60,43.

航姿系统矢量传感器非对准误差及其校正

航姿参考系统中三轴磁强计与三轴加速度计常采用椭球拟合法进行误差校正与补偿,其缺点是校正后不同传感器之间以及传感器坐标系与载体坐标系之间往往还存在非对准误差。由定量分析得知此类非对准误差所引起的航姿参考系统航向角误差具有常值误差与半圆罗差之和的形式。利用地磁矢量与重力矢量的点积为常数这一性质,并结合三维旋转矩阵的小角度近似表达式,对椭球拟合法校正后的传感器非对准误差进行了补偿,在不同磁干扰条件下均可使校正效果得到改善,航向剩余误差(均方根)平均减小30%以上。

声矢量传感器信号处理

声矢量传感器能够同步、共点、直接测量声场空间一点处声压和质点振速,从而有可能改善传统水声测量或探测设备的性能,为解决一些实际的水声问题拓展了新的思路。尽管声矢量传感器出现在水声领域的历史不算久,但是由于巨大的潜在军事需求牵引,它在最近十数年间的发展势头愈发地强劲,逐渐演变为不断被重视的水声技术之一。在此背景下,本文尝试综述声矢量传感器信号处理研究的当前进展,如信号检测、 DOA估计、波束形成等。

基于矢量传感器的低空目标声测向算法及实验研究

将基于二维压差式矢量传感器的声压振速联合处理技术应用于低空目标无源测向的研究中,提出了一种新的无源声测向算法,该方法在小尺寸和低频条件下实现了对低空目标的精确测向。采用实测直升机辐射的噪声信号对算法进行了分析,研究了传感器尺寸、积分时间和信噪比对算法性能的影响。结果表明,矢量传感器尺寸为0.2 m,信噪比为0 dB时,测向误差小于2°,优于基于时延估计测向的方法。该研究为小基阵高精度的低空目标无源声测向提供了一种实现方法。

干涉式矢量传感器MIMO雷达的DOD/DOA和极化联合估计

该文结合干涉测量理论与简化矢量传感器多输入多输出(MIMO)雷达,提出一种干涉式矢量传感器MIMO雷达的发射方位角(DOD)、接收方位角(DOA)和极化联合估计方法。利用干涉发射阵列的长、短基线空间平移不变性采用多分辨ESPRIT算法获取DOD高精度估计值;同理,利用矢量接收阵的多分辨特性得到高精度DOA估计值;利用与阵列结构无关的极化域旋转不变性求取极化辅角和极化相位差。最后给出随机信号源模型下的闭式克拉美罗界推导。该干涉矢量MIMO阵列,可同时获取MIMO雷达的波形分集和矢量传感器的极化分集,且在不增加阵元数和硬件复杂度情况下大大扩展有效孔径,提高了角度估计精度。另外简化矢量传感器减少了传统矢量传感器的互耦效应更有利于工程实现。仿真结果证明了该文多参量估计算法的有效性。

基于任意声矢量传感器阵列的角度和频率估计算法

提出了一种基于任意声矢量传感器阵列下联合角度和频率估计新方法。将矢量传感器阵输出的信号进行建模分析表明此信号具有平行因子四线性模型特征。利用四线性分解的唯一性条件,从分解得到的矩阵中联合估计出声源的参数。该算法首先应用平行因子四线性分解算法估计出频率矩阵和方位矩阵,然后根据频率矩阵和方位矩阵的结构特点及最小二乘方法进行声源参数的计算。该方法与传统算法相比,无需多维谱峰搜索及参数配对,并具有更高的估计精度,在工程上有一定的应用价值。计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性。

电磁矢量传感器阵列相干信号源波达方向和极化参数的同时估计:空间平滑方法

研究如何利用电磁矢量传感器阵列中隐含的冗余空域信息解决多个相干极化信号源的二维波达方向(DOA)和极化参数的同时估计问题。基于整个阵列中所隐含的多个空域旋转不变结构,将组成阵列的单个或多个电磁矢量传感器单元看作一个无模糊子阵,利用空间平滑方法对阵列数据进行预处理,以恢复信号协方差矩阵的秩特性。在此基础上,利用多信号分类方法(MUSIC)和旋转不变参数估计方法(ESPRIT)完成多个相干极化信号源的二维 DOA 和极化参数的同时估计。文中还讨论了成功进行信号解相干的必要条件,并通过计算机仿真验证和比较了所给方法的有效性及其辨识能力。

基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计

针对声矢量传感器姿态变化难以准确测量导致目标测向精度低的现状,设计一种微型MEMS姿态传感器,并将其封装在声矢量传感器内部,实现基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计。首先根据声矢量传感器姿态测量与校正原理,采用四元数姿态解算方法及扩展卡尔曼滤波器设计MEMS姿态传感器,并对其进行姿态精度测试;然后基于MEMS姿态传感器进行声矢量传感器样机设计、制作、参数测试;最后对样机进行了海上实验,结果表明,通过姿态校正后声矢量传感器目标方位估计精度与GPS推算方位精度一致,验证了利用MEMS姿态传感器设计声矢量传感器的可行性。

弹性球壳声衍射对矢量传感器测量影响

声矢量传感器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器组成,被应用于水声测量和探测领域,但作为水声测量设备它会受到安装载体衍射声场的影响,使其接收声场失真和指向性发生畸变.以实际应用需求为背景,从理论上分析了平面声波在弹性球壳上的衍射声压场和振速场;采用薄壁球壳机械阻抗近似公式,计算了球壳声衍射对矢量传感器声场测量和指向性的影响.根据共振散射理论,弹性球壳衍射声场的共振项与壳体的机械阻抗和辐射阻抗有关,而其背景项与刚性球和绝对软球的声衍射有关.计算和分析结果表明,在球壳散射声场的共振项频率处,矢量传感器的接收声场严重失真,且其指向性图变得复杂;另外,它们也与声波的入射方向和距离有关.这些结果为利用矢量传感器进行水声测量和探测提供基本的物理基础.

四元数在均匀圆形矢量传感器阵列信号参数估计中的应用

四元数的四维超复数结构是一种正交结构,各矢量传感器分量保持其固有的正交性,从而提高了矢量传感器阵列的抗干扰能力以及分辨力。在均匀圆形矢量阵列信号的参量估计中引入四元数理论,建立基于四元素的电磁矢量传感器阵列信号接收模型。充分利用四元数的多维正交特性,结合四元数矩阵理论及已有算法对电磁矢量传感器阵列信号的波达方向和极化信息进行联合估计,仿真实验验证了方法的有效性。并与传统的基于长矢量的MUSIC算法(V-MUSIC算法)进行比较,结果表明,基于四元素的信号接收模型可显著提高信号参数的估计精度。

一种基于矢量传感器阵的盲波束形成方法研究

本文针对水声环境和信号的特点,提出了一种基于矢量传感器阵的盲波束形成算法。首先建立了矢量传感器阵列接收信号模型,然后推导了基于矢量传感器阵列的波束形成最优权矢量的表达式。在此基础上,定义了接收信号的四阶累积量,进而盲估计了矢量传感器阵列的方向向量,实现了盲波束形成。该方法利用高阶累积量可消除高斯噪声干扰这一特性,有效地实现了基于矢量传感器阵列的盲波束形成。仿真实验验证了该方法的有效性和正确性。

基于传播算子的声学矢量传感器阵列扩展孔径二维DOA估计算法

本文提出一种基于传播算子的声学矢量传感器阵列扩展孔径二维DOA估计算法.首先,利用传播算子方法得到一组高精度模糊的DOA估计值;然后,利用声学矢量传感器的特点得到另一组低精度无模糊的DOA估计值;最后,利用无模糊估计值对模糊估计值进行解模糊处理,得到高精度无模糊的DOA估计值.提出的算法无需进行特征值分解或奇异值分解进行信号子空间/噪声子空间的估计.与基于ESPRIT的算法相比,提出的算法的计算量约为信号个数与声学矢量传感器个数的四倍之比.计算机仿真结果表明在信噪比不是很低时,提出的算法与基于ESPRIT的算法具有相当的估计性能.