基于DFT插值的宽带波束形成器设计

本文提出一种基于DFT插值的宽带波束形成器设计方法。首先推导了具有频率不变波束图的连续线阵的灵敏度函数与离散线列阵加权系数之间的关系;接着给出了基于DFT插值的宽带波束形成器设计的两个步骤:（1）使用窄带波束形成器的设计方法计算在参考频率下基阵的加权系数;（2）根据参考频率下基阵的权系数与其它子带权系数之间的关系,利用DFT插值的方法求出其它子带的加权系数。最后,给出了一个设计实例说明本文方法的有效性。

宽带波束形成器的自适应综合

提出一种具有频率不变波束图的宽带基阵设计方法。该方法只需给出参考波束图,无须推导权矢量的表达式,便可由计算机自动完成整个设计任务。其设计过程分为3步:(1)用数值计算的方法计算参考频率下的基阵权矢量。(2)利用自适应模拟法得到其它频率处的基阵权矢量。(3)以各频点处的基阵权矢量作为FIR滤波器的频率响应指标设计FIR滤波器。该方法可应用于任意阵型的阵列,且对各阵元的指向性也没有任何限制,因此本文方法具有重要的工程应用价值。

宽带波束形成器的设计与实现

综述了宽带波束形成器的没计与实现问题,归纳出一种统一的窄带(子带)波束优化设计方法——多约束优化设计法,并推广为FIR宽带波束形成器统一优化设计法。阐述了频域DFT宽带波束形成器结构及其子带波束加权向量设计方法,以及时域FIR宽带波束形成器结构及其各通道FIR滤波器的设计方法,对几种具有代表性的方法的原理与性能进行了分析与比较。所归纳出的统一设计法将很多现有的波束设计法纳入统一框架体系,使之成为它的一个特例,可以满足多样化频域子带与时域宽带波束形成器设计的需求,提供灵活的波束设计准则,且设计精度高。子带与FIR宽带多约束统一设计法的优越性能在稳健旁瓣控制恒定主瓣响应自适应波束形成器设计问题中得到了充分的体现。

时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计

针对球面阵模态域波束形成器对传声器失配误差敏感的问题，研究了时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计。揭示了波束响应误差上界的保守性是影响现有最差性能优化方法性能的主要原因，进而提出了一种波束响应误差上界更为紧凑的优化设计方法。理论分析表明，与现有最差性能优化方法相比，所提出方法的代价函数更小、且可行解的范围也更大。针对最差性能优化设计方法存在的波束指向上阵列响应随频率变化波动偏大而引起信号失真的问题，还给出了一种减小波束图在指向方向上受信号频率影响的约束方法。仿真分析结果表明：在相同传声器失配误差条件下，所提出的设计方法要优于现有方法，得到的波束图具有更低的旁瓣级。

最大稀疏稳健恒定束宽波束形成器设计

为了降低宽带阵列恒定束宽的实现复杂性,在分析宽带阵列稀疏性的基础上,构造了以阵元和抽头延迟线(TDL,tapped delay line)稀疏性的凸组合为目标函数,满足恒定束宽约束的波束形成器优化模型,降低了所需的阵元和TDL个数。引入重加权机制,通过序列凸优化,使稀疏性递增并收敛到最大值,证明了保证波束形成器稳健性的范数约束与最大TDL稀疏目标函数之间的等价性。仿真结果表明,可用较少的阵元及TDL个数获得相同的恒定束宽性能,具有工程实用价值。

宽带波束域相干信号子空间高分辨方位估计

提出了宽带波束域相干信号子空间目标高分辨方位估计的频域处理与时域处理方法。分别设计出一组覆盖观察扇面的频域和时域低旁瓣恒定主瓣响应宽带波束形成器,然后对频域或时域波束形成器输出数据运用MUSIC方法估计目标方位。时域处理方法不需要进行频带分解,相对于频域处理需要较少的缓存和运算量。所提出的方法还可以在保证波束主瓣响应恒定的同时,通过在旁瓣区域形成期望宽度和深度的凹槽,用于抑制观察扇面外强干扰源。计算机仿真结果表明,本文的时域处理方法能够获得与本文频域处理方法相近的方位分辨与估计性能,它们都能够分辨相干信号源,且方位分辨与估计性能都高于已有方法。通过在干扰方位设计凹槽,较好地抑制了观察扇面外强干扰源,改善了对相干的弱信号源的方位分辨与估计性能。

基于嵌套阵的宽频带恒定束宽快速处理算法

针对宽频带阵列信号处理中的恒定束宽波束形成问题,本文首先分析了几种常见的实现方法,然后重点介绍了基于嵌套阵的组合滤波算法,并指出该算法在多倍频程实时处理应用中面临计算资源不足的限制。本文的重点是在分析原有算法的基础上,对基于嵌套阵的组合滤波算法提出了一系列的改进,改进后的算法在保证精度的前提下,对七倍频程嵌套阵信号的处理时间缩短为原型算法的3.25%。经过试验验证,其处理速度、处理精度以及波束恒定效果都满足设计和使用要求。

从阵元域到模态域阵列信号处理

阐述了模态域阵列信号处理技术。以球面阵为例,从阵元域信号处理基础出发,推导了对应的模态域阵列信号处理表达式,其中重点推导了模态域波束形成器与时域宽带波束形成器设计及其实现方法,设计实例验证了方法的有效性。结果表明模态域处理与经典的阵元域处理具有相似的形式,因此可以将比较成熟的阵元域算法推广到模态域。相比于阵元域处理,模态域处理对声场传播与信号处理的结合更紧密,模态域波束形成具有能将波束导向与波束图综合解耦处理,以及减少信号处理通道数等优点。但模态域阵列信号处理技术适用范围也有限,仅适用于能够将声场进行谐波分解的阵形,如球面阵和圆柱阵等。