二维相控阵阵元参数对波束聚焦效果的影响研究

二维相控阵探头存在制备成本高昂、制作流程复杂等问题,在制备前需要优先确定探头参数尺寸以避免造成不必要的损失。基于超声仿真实验平台,文章通过紧密型阵元排列和256通道配置,从中心频率、阵元中心间距(pitch)和纵向孔径等方面分析了探头参数对波束的分辨率、穿透深度和旁瓣特性的影响。实验结果表明,高频换能器具有较高的分辨率但穿透深度较浅,低频换能器的穿透深度较深但分辨率低;较小的中心间距有助于减少旁瓣但制造难度较大;较大的纵向孔径可提升聚焦效果,但在超过一定值后效果趋于稳定。通过优化这些参数,可以在不同应用场景下实现最佳的超声成像效果,为超声换能器设计提供了重要的理论支持和实践参考。

基于幅度加权的均匀线阵近场波束聚焦方法

为了降低相控阵列相移器和控制器的复杂度与成本,基于对阵元辐射振幅加权,提出运用函数逼近方法来计算各阵元辐射振幅.针对一维线阵,将空间辐射振幅分布设为δ(r-r0),可计算出每个阵元辐射振幅的取值,实现阵列波束在近场r0处会聚.举例说明了该方法的有效性.该方法容易推广到面阵和阵元辐射具有不同偏振方向的横波或纵波近场空间波束聚焦计算中.

基于二维波束聚焦算法的低速冲击监测研究

冲击损伤监测是结构健康监测的主要研究内容之一,为提高冲击定位的精度以及传感器的利用效率,提出了一种基于十字阵列型传感器布置方法的二维波束聚焦冲击定位算法,在高精度的前提下有效减少了传统定位方法所需布置的传感器数量。通过十字阵列型的压电传感器布置方法,可以将远场的定位精度大大提高,对于内场的盲区采用四点圆弧定位算法进行冲击定位,从而将整个大型平板结构的冲击定位精度大大提高。通过实验研究验证了该方法的有效性与实用性。

基于概率成像的二维波束聚焦冲击定位方法研究

冲击损伤监测是结构健康监测的主要研究内容之一.本文提出了一种基于十字型传感器布置方法的二维波束聚焦概率成像定位算法,采用十字阵列型的传感器布置方法减小了系统盲区,通过二维波束聚焦概率成像方法提高了冲击定位的精度.在二维波束聚焦算法中,波速的准确性是影响结构冲击损伤定位的主要因素,本文通过统计分析得到波速的概率分布函数,带入二维波束聚焦概率成像定位算法中对冲击损伤进行监测,分别得到横向阵列与纵向阵列的概率分布图,对两者进行融合成像可以得到更为精确、科学且直观的冲击损伤定位结果.通过实验研究验证了该方法的有效性与实用性.

一种宽带波束聚焦系统的研究与设计

天线在介质材料微波性能测试中占有重要的作用。采用电磁仿真软件HFSS,给出一种定向透镜宽带喇叭天线模型和其他部分结构所组成的波束聚焦系统的具体设计方法,并结合微波介质材料测试领域,设计一种8GHz-18GHz波束聚焦系统,并对其电磁参数和聚焦性能进行仿真测试。本文设计指标:宽带喇叭天线带宽为8GHz-18GHz;驻波比VSWR<2,增益G>10d B,并且具有一定方向的聚焦性。

利用GPS阵列观测数据提取地震波信息的波束聚焦法

介绍一种利用GPS阵列高频观测数据提取地震面波信息的波束聚焦法。通过在GPS坐标序列的垂直分量中加入模拟的瑞利波信号,得到GPS阵列观测站模拟地震波记录,分析了波束聚焦法在不同信噪比下提取地震波信号的能力。结果表明,当信噪比为1.5时,不能获得正确的慢度估值;当信噪比为3时,提取的慢度估值接近理论值。

基于共形超表面的波束聚焦研究

设计仿真了一款由圆环相切构成的反射型超表面单元,通过改变单元尺寸,10 GHz时其反射系数相位变化可达430°,反射系数幅值大于0.9。基于广义斯涅耳定律和相位梯度原理,将45×45个单元组成超表面阵列,共形于圆心角为90°的部分柱体,可使喇叭天线垂直入射的电磁波实现反射波束在柱面法线方向上的汇聚。仿真结果表明,10 GHz时,共形超表面与金属共形目标体相比,其反射波束的增益提高10 dB以上。通过对共形超表面的研究,可将传统的超表面的应用从平面延伸到曲面上,拓展超表面的实际应用场景。

基于反卷积的双线阵聚焦波束形成被动定位方法

为了提高双线阵聚焦波束形成在阵元数少或频率低时的定位精度,文章研究了一种基于反卷积的双线阵聚焦波束形成被动定位方法。首先在测量区内对双线阵接收信号进行球面波补偿,给出噪声源分布的声图信息。然后根据阵型的参数,计算双线阵的指向性函数。最后利用一种适用于移变阵列的二维扩展R-L反卷积算法,对声图波束输出和双线阵的指向性函数做反卷积,求解基于反卷积波束形成的源的分布。该方法旁瓣更低,分辨力更高,有效提高双线阵聚焦波束形成的定位精度和左右舷分辨能力,为后续的减振降噪、噪声检测等工作提供了参考。

具有二维聚焦特性的柱形超表面透镜设计

针对柱面共形情形下的透射聚焦问题,提出了一种在圆柱周向和轴向均有聚焦效果的共形透镜设计。为了使进入柱形区域内部的透射射线以相同的相位汇集于预设焦点处,在射线分析模型的基础上,得到了柱面共形超表面透镜应满足的透射相位补偿量。结合超表面单元结构实际的周期尺寸,对透射相位补偿量进行离散近似,并通过不同内部尺寸的单元结构将其映射至圆柱表面。在TE极化和TM极化平面电磁波照射下,柱面共形超表面透镜在预设焦点处均可产生明显的聚焦斑点,在11 GHz附近,预设焦点处电场幅值下降3 dB的带宽分别为24.3%和27.3%,结果表明了该透镜沿圆柱周向和轴向的二维聚焦能力。

多途条件下聚焦波束近程定位

讨论了直线阵通过聚焦波束形成技术对近程点目标的高精度定位问题并通过仿真验证,对多途的影响及海面起伏的影响也作了初步分析。通过波束引导减少了扫描的运算量,并且通过虚阵、时间反转镜和乘积声图的方法提高了聚焦点"亮度"和声图质量。仿真结果表明,虚阵和时间反转镜技术可以较好地抑制多途干涉,使用乘积声图可以使观察到的信号变得更清晰。在信噪比为0dB时可以很好地检测到目标。

基于FPGA的多波束实时动态聚焦波束形成方法

提高多波束测深系统的综合精度,不仅需要提高远场精度,近场精度也不可忽视。针对常规多波束测深系统中采用远场近似模型,使得近场精度急剧下降的不足,研究了基于FPGA的多波束实时动态聚焦波束形成(RT-DFBF:Real-time Dynamic Focused Beam-forming)方法。该方法引入相移聚焦波束形成,论证其在多波束测深系统中解决近场问题的可行性,同时深入分析各个影响因素的实时处理情况,提出了一种基于FPGA的实时处理结构,该结构在输入通道为80个、采样率为28 kHz、波束数为128个的条件下完成RT-DFBF。水池实验结果验证了该方法的实时性、有效性和实用性,具有重要工程应用价值。

水平阵聚焦波束形成声图定位算法研究

为解决一些特定情况下需要的近场高精度定位问题提出了聚焦波束形成声图定位法.该方法根据测量区内不同位置对各阵元接收信号进行球面波补偿,获得目标声源的分布.根据声图来给出目标方位,距离进行定位.为了减少计算量,先测量目标方位,然后只对该方位附近小角度进行扫描.利用分频段综合的方法抑制由阵型引起的声干涉.经研究表明,该算法能够给出水下目标声源的二维声图并对近场目标进行高精度定位.

聚焦波束形成声图近场被动定位技术仿真研究

介绍了一种近场高精度被动定位方法——聚焦波束形成声图定位。针对全方位扫描声图定位计算量大的问题,提出了先利用中阵测向再对测得方位附近小角度进行扫描的方法,可有效减少计算量;针对单一频段存在声干涉现象提出了分频段融合的方法,可有效抑制因阵形产生的声干涉,降低声图旁瓣;为了克服多途干涉对声图质量的影响,分别采用了虚拟时间反转镜和虚阵抗多途测量技术,均能很好地抑制多途。以水平线阵为模型的仿真结果表明,聚焦波束形成技术能够实现被动目标的近场高精度定位。

可识别声源深度的三维声聚焦波束形成方法

当前平面传声器阵列结合波束形成方法进行声源识别定位时,存在不能确定声源相对全息测量阵列距离的问题,提出了可识别声源深度的三维声聚焦波束形成方法。基于球面波声场模型和波束形成方法,在不同深度的平面上进行声聚焦,首先根据聚焦面上波束形成功率的最大点位置沿聚焦深度方向(即z方向)的轨迹变化判断声源在z方向的位置,再进一步确定声源在x和y方向的位置。为验证方法的有效性,在点声源构成的声场中进行了仿真验证,并且在全消声室内进行了单声源及多声源识别定位的实验验证。仿真结果和实验结果一致表明:该方法能够实现基于平面阵列的三维空间中声源的识别定位。但由于受二维平面阵列所限,仍不能识别在其前后的声源的位置。

近场MVDR聚焦波束扫描声图定位方法研究

声图测量技术是一种适用于近场的高精度被动定位技术,可以用来测量舰船辐射噪声源位置的空间分布。声图测量的核心算法是聚焦波束形成。算法的分辨力与阵长、信号处理频段以及目标距离有关。当阵长一定、测量区范围给定时,算法对低频声源的分辨力较差。MVDR波束形成法可较常规波束形成获得更高的分辨力,降低旁瓣。采用MVDR与聚焦波束形成相结合的方法可提高对舰船各部位辐射噪声源的分辨力。

有限采样下低频声源聚焦波束形成的定位研究

依赖于基阵协方差矩阵的算法,要求有足够样本容量来实现稳健的性能。针对常规聚焦波束形成在低频段分辨能力不足以及有限的数据长度,本文研究了一种基于最小方差无失真响应(MVDR)的重叠分子阵算法。仿真实验表明,重叠分子阵MVDR算法在低快拍数、低信噪比情况下,稳健性优于全阵列MVDR算法。在海试数据中,利用一条孔径为109m的光纤水听器阵列,验证了该算法可以在低快拍数下对50m内低频段100～200Hz的目标实现分辨率为0.5m的近场定位。

近场MVDR聚焦波束形成被动定位方法

该文系统地研究了最小方差信号无畸变响应(MVDR)聚焦波束形成方法的定位性能,特别是对该方法定位性能受某个参数的影响情况进行了较详细的研究。首先分析了近场情况下线列阵接收信号的模型,然后分别推导了常规聚焦波束形成和MVDR聚焦波束形成的定位原理。仿真比较了这两种定位方法的定位性能,以及MVDR聚焦波束形成被动定位方法在不同的阵元间距和不同的目标距离情况下的定位性能。仿真结果表明,与常规聚焦波束形成相比,MVDR近场聚焦波束形成在提高分辨率的同时,减小了"混叠"影响,具有更为平滑的背景和更低的旁瓣级,同时认为,为了得到比较好的定位效果,目标应处于相对于"近场"的位置,从而为目标精确定位提供依据。

一种改进的宽带聚焦波束形成算法

研究了宽带聚焦波束形成的优化问题。由于在宽带聚焦波束形成算法中,聚焦矩阵直接决定着波束形成的效果,在确定聚焦矩阵时对初始方向估计的偏差以及选择的聚焦频率都会直接影响到最终的聚焦效果,严重时还会致使算法失效。针对这个缺陷,提出了一种改进的宽带聚焦波束形成算法。通过稳健Capon波束形成算法校正聚焦矩阵,并且利用校正的聚焦矩阵使宽带信号的各个子带信号全部聚焦在确定的最佳聚焦频率上。仿真结果表明,通过改进算法得到的宽带聚焦波束,主瓣更加恒定,旁瓣级更低,验证了算法的有效性。

近场聚焦波束形成低频段精确定位方法

近场聚焦波束形成声图测量方法可以实现舰船高频信号的主要噪声源的精确定位,实验证明在正横位置时的定位精度可小于2 m。但对于低频、线谱等信号,近场聚焦波束形成声图测量方法由于受阵元间距、基阵孔径等多方面影响,无法实现精确定位。本文提出采用高精度频域MVDR聚焦波束形成声图测量方法,实现频率大于200 Hz舰船目标定位。经理论仿真与实际信号分析,该方法可以实现低频信号的高精度定位,定位精度明显优于常规波束形成(CBF)。

近场反卷积聚焦波束形成声图测量

为了提高声图测量中对多个声源的分辨能力和定位精度,给出了一种近场二维反卷积聚焦波束形成声图测量方法。推导了水下声图测量的广义卷积模型,根据声图测量中点传播函数移变但可预测的特点,通过预存点传播函数字典的方式,将波束形成过程中的卷积问题转化成叠加积分问题,并应用二维Richardson-Lucy迭代算法实现了二维移变模型情况下的近场二维反卷积求解,从而实现高分辨声图测量。通过仿真和海试对比了反卷积、常规声图测量和MVDR声图测量的性能,结果表明反卷积算法在500次迭代情况下聚焦峰尺度小于另外两种算法的1/2,旁瓣级下降超过6 dB.