基于时间反转的非均匀线列阵超指向性阵元分布模型

以目标信号为前提,建立了基于时间反转(TR)的非均匀线列阵(NLA)的设计模型;采用均匀浅海多径信道的经典射线理论,以直达路径信号分量的时延为参考因子,推导了NLA的TR聚焦性能及方向图的影响因子.仿真结果表明,基于TR的NLA设计通过TR自适应修正多径信道传输时延的特性,不但克服了多径信道对目标方位估计(DOA)的影响,且提高了低信噪比下的DOA准确性,其方向图特性F(θ)与信号频带、阵列排布di、多径数目M以及快拍数K有关.基于7阵元分布的NLA方向图仿真结果相比均匀阵列具有超指向性,且在信噪比-6和-13dB下均准确估计出目标方位.

超指向性扬声器的阵列设计与研究

超指向性扬声器的阵列设计要求阵列具有高指向性,并且无旁瓣。基于对线列阵和矩形平面阵的理论分析,以及均匀线列阵和矩形交错阵的理论分析和比较,提出了一种六边形交错阵列设计,计算机模拟和实测均表明该阵列3dB波束宽度小于5°主旁瓣比为8.3,满足设计要求。初步分析了传感器相位对换能器阵列指向性的影响,为挑选换能器阵元组成阵列提供了理论指导。

超指向性扬声器的系统设计与测试

超指向性扬声器是一种利用声波在空气中传播的非线性由不可听超声产生可听声的参量阵装置,这种声源相比相同大小的传统扬声器,可以产生非常强的指向性、像聚光灯光束一样的宽带可听声束。文章介绍了超指向性扬声器的基本原理,给出了一个基于模拟电路的系统实现方案,并着重介绍了基于所完成的工程样机所做的频率响应、总谐波失真和指向性测试及相关实验分析,还讨论了进一步工作的发展方向。

超指向性小孔径圆柱阵舰艇辐射噪声源分辨与测量方法

解决了舰船辐射噪声测量过程中采用大孔径基阵易受到水声信道影响及布放实施困难的问题。在该方法的研究过程中,提出了一种利用超指向性小孔径圆柱阵对舰船辐射噪声源进行分辨与噪声级测量的方法。该方法利用超指向性小孔径圆柱阵主瓣宽度较窄、增益较高的特点,可同时实现对舰船多个辐射噪声源的分辨与噪声级测量。首先建立了具有超指向性的圆柱阵波束形成理论模型;其次,推导了基于超指向性小孔径圆柱阵舰船辐射噪声测量的理论公式;最后,通过计算机仿真实验分析了超指向性小孔径圆柱阵舰船辐射噪声源分辨能力及噪声级测量性能。仿真结果表明:当阵元间距与波长之比小于0.5时,超指向性波束形成的指向性指数远大于常规波束形成,能有效分辨舰船低频辐射噪声源;该方法能有效地测量舰船低频辐射噪声级,并且测量误差较小。

基于超指向性多极子矢量阵的水下低频声源方位估计方法研究

针对水下低频声源的方位估计问题,基于基元紧密排列的二维矢量阵,建立了一种超指向性波束形成方法.根据矢量基元差分运算构建各阶多极子模型,获得了几乎与频率无关的模态函数,并经加权计算可在低频条件下实现超指向性波束,以解决阵列孔径对波束性能的限制.同时,结合输出信噪比最大准则所得波束,分析了超指向性波束形成算法的稳定性与波导的影响程度,探索模态阶数与阵列参数的选取原则.通过阵列性能的仿真计算与实际阵列的测量数据表明,该算法可在小尺寸阵列孔径下获得良好的阵列波束,兼具了水下线型超指向性阵和环形超指向性阵的优点,可有效实现水下低频声源的水平方位估计;且波束性能可通过调节模态阶数与基元间距以达到最佳,并受水下声波导多途与频散效应影响有限.

高阶声场传感器的噪声空间相关性及其阵列超指向性方法

为改善声呐对水下低频安静型目标的探测能力,本文提出采用高阶声场传感器阵列。本文通过特征波束分解与综合超指向性模型定义了以圆环阵作为单个高阶声场传感器的物理含义,分析了高阶传感器接收噪声的空间相关性,然后通过改进的Gram-Schmidt超指向性模型分析了高阶传感器直线阵在端射和舷侧方向的波束响应、指向性因子、稳健性水平等性能指标。仿真结果表明,高阶声场传感器直线阵在消除栅瓣、降低旁瓣、抑制左右舷模糊等方面具有很大的优势,由7个4阶传感器组成的直线阵的指向性指数在较宽的频带内高于传统声压阵8 dB以上。高阶声场传感器阵列及其超指向性方法对未来声呐阵列设计和探测低频水下目标提供了参考。

质点振速传感器直线阵超指向性波束形成

声矢量传感器及其组阵方式的研究已成为水声领域的热门课题。该文研究了当单自由度矢量传感器(质点振速传感器)的观测方向沿直线阵轴线方向时的空间均匀噪声场中两阵元的噪声相关系数,然后采用Gram-Schmidt模态波束分解与综合方法推导了高阶超指向性的最优解,得到了直线阵端射方向的指向性指数和稳健性水平。仿真研究表明,当d/λ<0.5(d为阵元间距,λ为波长)时,质点振速传感器直线阵(简称质点振速阵)采用超指向性方法在端射方向的指向性指数略高于声压传感器直线阵(简称声压阵);而当d/λ>0.5时,质点振速阵的指向性指数远远高于声压阵。该文的研究内容对水下声呐系统中质点振速传感器的有效组阵和实际应用具有一定的参考价值。

圆柱阵特征波束分解与综合超指向性波束形成方法

为了将较小尺寸兼顾较高空间指向性的传感器阵列应用于空间受限的水下无人系统等平台上,文中采用超指向性波束形成方法以提高小尺寸传感器阵列的空间指向性和阵增益,从而改善阵列的目标探测性能。首先介绍了基于特征波束分解与综合(EBDS)的圆环阵超指向性波束形成方法,然后提出了圆柱阵在任意俯仰角方向分两级子阵波束形成的数学模型,并推导了各向同性空间均匀噪声场中的圆柱阵噪声互谱矩阵。圆柱阵波束图和阵增益的仿真结果表明,文中提出的方法在低频段的指向性和阵增益远高于常规波束形成方法,其拓展了EBDS方法的适用范围,增强了圆柱阵的探测性能,为小尺寸阵列进一步应用到低频水下无人系统探测中提供参考。

空中声源辐射噪声信号超指向性接收基阵设计

利用圆阵协方差矩阵的循环移位特性,基于对聚集系数的取值最优化问题,对圆阵的超指向性理论展开研究,得到了由初等函数表示的最大聚集系数、最优波束图和最优加权向量。分析了圆阵的各阶波束增益和稳健性参数随半径波长比的变化规律及其对阵列指向性的影响,给出了圆阵超指向性的一个解析且闭合的解,实现了一种特征波束的分解与合成的方法。在此基础上结合空中声源辐射噪声信号的特点,给出了针对空中声源辐射噪声设计超指向性圆阵时应遵循的4个准则,依据实测的直升机辐射噪声特性设计了一个小尺寸的超指向性接收阵列,对其性能进行了分析,通过与常规圆阵和线列阵的对比证明了其优越性。

低频三阶超心形指向性声源设计

为提高圆周阵列主极大的指向性增益,提出基于圆周等间距六元密排阵的低频三阶超心形指向性声源,利用点源方法对其波束特性进行研究与分析,得到了指向性声源的优化方案。以具有弱互辐射效应的单边辐射弯张换能器作为圆周密排阵阵元,利用有限元方法分析了三阶超心形指向性声源的声辐射特性,相比单极子声源,其主极大方向指向性增益为8.0 dB,可达到提高增益的目的。研制了实验样机,经水池实验获得该声源的工作特性:谐振频率为0.92 kHz,对应发送电压响应级为139.0 dB,−3 dB波束宽度为56.0°,各旁瓣小于−15.0 dB。有限元计算与实测结果验证了优化方案的可行性,实现了低频三阶超心形指向性发射。

圆形基阵指向性的仿真研究

对一种适用于小型水下航行器的圆形基阵进行了研究。通过建立数学模型,对其指向特性进行了仿真,分析了影响基阵指向特性的各个因素。结果表明,与一般阵元相比,采用具有单向性与超指向性的水听器作阵元,不仅可以消除基阵的栅瓣、降低旁瓣、减小波束(主瓣)宽度,并能大大提高指向性指数,从而全面地改善基阵的指向特性;而且随着频率的降低,改善效果更为显著。采用单向性水听器作阵元的基阵在低频条件下工作更能显示其优越性。

互辐射阻抗对加权指向性的影响及实验研究

针对水声基阵阵元间存在互辐射阻抗的情况,研究了互辐射阻抗对基阵加权指向性的影响。以互辐射阻抗的形成机理为出发点,将互辐射阻抗引入基阵辐射声场的计算中,修正了基阵加权指向性函数的计算公式,并以超指向性加权为例,进行了计算机仿真与消声水池实验。仿真与实验结果表明:在阵元间距较小、低频时互辐射阻抗会严重影响基阵的加权指向性,所提的修正指向性函数更能反映基阵指向性的真实情况。

单向性二元阵

本文介绍了一种单向性二元阵,探讨了其在基阵小型化中应用的可能性,分析了影响这种阵单指向性的主要因素。经过理论分析和实测数据验证,此阵结构简单,性能稳定,能形成良好的心脏形指向性图,适合于低频条件下使用。

线列传声器方向性研究

线列传声器的核心构件是由压电陶瓷圆环作换能元件的一个线列阵,阵元间距小于四分之一波长。建立了传声器方向性函数的表达式,分析了影响方向性图的各个因素,结果表明它具有明显的超指向性和恒定束宽特性。给出了线列传声器几种重要的方向性图及其相应条件。通过对传声器模型所作的试验表明,理论分析与实验数据结果基本上是一致的。本文所提出的技术可使一个传声器能具有不同的方向特性,满足不同使用条件的要求,并且传声器具有结构简单,坚固耐用,性能稳定的优点。

基于SBF-ISVD的带式输送机声信号增强方法

在带式输送机的声学诊断过程中,其声信号受混响及背景噪声的干扰十分严重,为此,通过分析混响产生的原因和声信号的组成等,提出了一种基于超指向性波束形成(SBF)去混响和改进奇异值分解(ISVD)降噪的声信号增强方法。首先,利用基于能量变化最大值进行了最优频带选择,确定了包含故障信息较多的频带;然后,利用SBF去除了混响对声信号的干扰,采用ISVD方法对去混响后的信号进行了降噪处理,并对信号进行了包络谱分析,对比了实际测得的故障特征频率和理论的故障特征频率,对带式输送机的故障特征进行了提取;最后,设计了实验,采集了实验数据,利用该方法对煤矿现场采集到的数据进行了分析验证,并将其与加权预测误差算法(WPE)和线性约束最小方差(LCMV)相结合的方法以及递归最小二乘法(RLS)进行了对比。研究结果表明:与原信号相比,经SBF-ISVD方法处理后,实验数据包络谱中内圈故障特征频率153.1 Hz及其倍频312.5 Hz处的幅值明显提高,信噪比从-31.39 dB显著提高至-25.4 dB。基于SBF-ISVD的声信号增强方法去混响和降噪效果显著,轴承故障特征提取效果较好,可实现复杂环境噪声下带式输送机声信号增强的目的。

水下线谱噪声源识别的波束域时频分析方法研究

从联合空时频三维信息从发,提出了波束域时频分析识别水下运动航行器低频线谱噪声源位置的方法.首先,利用小孔径圆环阵的超指向性波束形成,将各线谱噪声源匀速通过正横位置附近时产生的多普勒信号在时域上分离.其次,分别使用伪Wigner-Ville分布和调频小波变换两种时频分析方法对波束输出的信号进行处理,得到各噪声源信号的时频图像.最后,转换时间坐标到空间并参考配置信标,即可识别低频线谱噪声源在水下航行器上的位置.该方法解决了阵列识别水下低频噪声源的孔径受限问题,同时对处理同频相干噪声源也适用.仿真试验结果表明:两种波束域时频分析方法都能较精确地识别低频线谱噪声源的位置;在测量系统信息的配合下,波束域调频小波变换的识别效果更优.

小尺度阵列稳健的波束形成方法仿真研究

研究一种阵元间距小于四分之一波长的小尺度五元线列阵波束形成的优化问题。在阵列孔径很小的条件下,为得到好的指向特性与高的增益,提出通过四种算法,改进白噪声增益约束法,在保持空间白噪声阵增益大于某给定值的条件下,使基阵对相关噪声场的阵增益最大化,同时在波束后方布置虚拟干扰源,以获得无后射的稳健优化阵处理权向量,并与其它三种方法进行了比较。通过计算机仿真对不同条件下阵列的波束图、阵增益等特性进行研究。结果表明,对于小型化阵列,经改进的白噪声增益约束法既可获得良好的波束特性、高的阵增益,又具有好的稳健性,为波束形成优化设计提供了依据。

小型化线列阵研究

介绍了一种小型化线列阵,阵结构与常规线列阵最大的不同在于阵元间距小于四分之一波长。通过理论分析和仿真计算优化了各阵元的最佳权系数,获得了良好的指向性,得到了实验的证明。小型化线列阵的指向性图具有四大特点:①单向性:仅在半空间出现一个轴对称的主波束,无栅瓣和次瓣。②端射特性:主波束出现在线阵的轴射方向。③超指向性:在阵的尺寸远小于二分之一波长条件下不仅可以获得良好的指向性图,并且波束宽度随阵元间距的减小而减小。④恒定束宽特性:在阵元间距小于八分之一波长条件下,波束宽度随频率变化非常平缓。这种小型化基阵也可用于大型基阵如拖曳阵和展开式体积阵的子基阵,进行低频宽带信号的检测。

障板表面圆环阵频率不变响应波束形成方法研究

针对现有频率不变响应波束形成方法较少考虑平台散射影响的问题,本文研究了分层圆柱障板表面圆环阵频率不变响应波束形成方法,建立了多层介质圆柱散射声场模型,仿真获得了频率不变响应波束形成方法在不同频率、障板材料和界面厚度下的性能变化规律,给出了理论分析。仿真结果表明:圆柱障板的存在、圆柱障板材质和厚度的合理选取均有利于频率不变响应波束形成方法在适用频率范围内的整体稳健性。

录音话筒的选用和配置

录音话筒的选用和配置赵玲，赵志超（安徽广播电视大学，合肥车辆厂）１话筒的分类根据原理不同．话筒可分为：炭精式；］Ｆ电效应式；铝带式；动圈式；电容九压力区武。根据指向性．话筒可分为：尤指向性；双指向性；８字指向性；心形指向性：超指向性。”根据使用方式，...