双重优化的宽带聚焦波束形成算法研究

在相干信号子空间法中确定聚焦矩阵时,对初始方向估计的偏差和聚焦频率选择的偏差都会影响最终的聚焦效果,甚至会使算法失效。针对这个缺陷,提出了一种双重优化的宽带聚焦波束形成算法。该算法利用稳健Capon波束形成算法对聚焦矩阵进行修正,使宽带信号通过修正的聚焦矩阵全部聚焦在最佳聚焦频率上,再对窄带数据利用2阶锥方法实现波束形成。计算机仿真以及湖试实验结果表明,该算法在保证波束恒定的前提下,在各个频率点都具有更低的旁瓣级。

宽带聚焦波束形成算法优化

通过聚焦的方法实现宽带信号的波束形成,可以得到更好的波束形成效果,而且运算量较小,精度更高。在聚焦过程中,聚焦矩阵和聚焦频率选择的偏差会直接影响宽带聚焦波束形成效果,严重时聚焦算法还可能失效,达不到宽带聚焦的目的。利用稳健Capon波束形成算法(RCB)算法对聚焦矩阵进行修正,使宽带信号通过修正的聚焦矩阵全部聚焦在最佳聚焦频率上,最后再对窄带数据利用二阶锥方法实现波束形成。仿真结果表明该算法得到的宽带聚焦波束旁瓣级更低、主瓣更窄。

一种稳健的宽带聚焦波束形成算法

将聚焦变换的思想与二阶锥规划方法相结合,提出了一种稳健的宽带聚焦波束形成算法。该算法首先将宽带信号划为多个窄带信号,再通过最佳聚焦矩阵,聚焦到最佳聚焦频率上,将宽带问题转换为窄带问题,最后利用二阶锥规划的方法实现窄带波束形成。计算机仿真验证了该算法的有效性。

宽带波束形成中近场补偿的实验研究

当信号源位于基阵的近场区域内时,采用近场补偿可以降低由远场假设设计波束形成器带来的性能损失。文中对用于远程电信会议系统中的近场补偿方法进行了误差分析,并将其应用于水下声纳基阵系统中。误差分析表明,对于大阵元数的阵采用近场补偿能够得到高精度的期望响应。结合32元均匀线列阵的湖上实验研究了近场对宽带波束形成器性能的影响,以及近场补偿方法对宽带波束性能的改善效果。结果表明,对测量数据进行近场补偿能够克服由近场影响引起的宽带波束的畸变,得到期望的宽带波束性能。由于近场补偿的简单可行性,文中的研究有助于推动近场补偿方法在实际声纳系统中的应用,为水下基阵选择近场宽带波束形成方法提供一定的依据。

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。

一种优化的宽带聚焦波束形成算法

提出了一种基于最佳聚焦频率的旋转信号子空间法来实现宽带信号波束形成。通过确定最佳聚焦频率,使宽带信号的各个子带通过聚焦矩阵都聚焦在最佳聚焦频率上,然后用常规延迟求和波束形成算法完成恒定束宽波束形成。仿真结果表明,在宽带情况下,阵列输出的主波束宽度,旁瓣级和波束指向均能保持恒定。

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)。

宽带聚焦数字波束形成技术

分析了宽带信号波束形成研究的应用背景，并概述其国内外研究现状以及所提出方法的基本思路和应用范围。根据最近提出的频率域频率不变波束形成技术需要进行方位角初次估计和进行多次奇异值分解的问题，提出了在任意传感器阵列存在误差和互耦的情况下，基于摄动方法的宽带信号方位估计算法。该方法在考虑阵列位置、增益和相位测量误差和阵元之间存在互耦的情况下，提出了聚焦矩阵的摄动算法；最后，利用聚焦求和窄带方位估计的方法对宽带信号进行方位估计。

基于传声器阵列的近场宽带波束形成方法

提出了一种适合于近场宽带传声器阵列处理的空时子带波束形成新方法。该方法通过将一个空域子带阵列和时域子带多速率滤波器组合并来同时获得空域和时域两种子带系统的优点。计算机仿真比较了其与全带自适应波束形成方法的性能,结果表明该方法对干扰有较强的抑制能力,改善了宽带波束形成频域不一致问题,并且能够并行处理,为实际语音通信系统的应用提供了一种有利途径。

基于矢量阵宽带MVDR聚焦波束形成的水下噪声源定位方法

该文研究了可应用于水下噪声源近场定位的矢量阵宽带MVDR聚焦波束形成方法,其中包括基于子频带分解的矢量阵非相干宽带聚焦波束形成(ISMMVDR-VFB)以及矢量阵相干宽带CSS-MVDR聚焦波束形成(CSSMVDR-VFB)。两种方法将宽带MVDR高分辨方位估计方法及矢量阵信号处理技术与聚焦波束形成相融合,较常规聚焦波束形成具有更高的分辨力和更低的旁瓣级,能解决"左右舷模糊"问题并提高处理增益。与非相干算法ISMMVDR-VFB相比,CSSMVDR-VFB采用聚焦变换思想,可直接处理相干宽带信号,对于实际水声信号具有更高的适用性。最后通过对研究方法的空间谱仿真分析证明了其正确性和有效性。

基于MVDR近场聚焦波束形成的管道缺陷声源定位

针对管道缺陷声源特点,采用传感器阵列直接获取声发射信号,以最小方差无畸变响应(MVDR)近场聚焦波束形成方法为理论依据,对管道缺陷声源信号进行识别和分析.对单声源进行仿真分析,研究阵元间距、阵元数、声源半径以及声源信号频率参数对声场分布强度的影响,并对轴向、周向以及整体定位误差进行分析.仿真结果表明:频率处于100 kHz以上时,误差逐渐趋于平缓,误差值在0.5附近;阵元数处于10以上时,误差值较小,为0.157;阵元间距超过0.85 m时,误差上升趋势较大;声源半径在1.5~4 m范围内,误差呈下降趋势.因此,当声源信号频率越高、阵元间距越小、阵元数越多以及声源半径越大时,声场分布强度就越高,定位误差就越小,声源识别效果也越好.

矢量阵相干宽带MVDR聚焦波束形成

研究了两种矢量阵相干宽带MVDR聚焦波束形成方法:CSS-MVDR聚焦算法和STMV聚焦算法。两种方法将相干宽带MVDR高分辨方位估计方法及矢量阵信号处理技术与聚焦波束形成相融合,较常规聚焦波束形成具有更高的分辨力和更低的旁瓣级,能解决"左右舷模糊"问题并提高处理增益,可有效提高辐射噪声源近场定位识别效果。两种方法均可直接处理相干宽带信号,对于实际水声信号具有更高的适用性,具有较高的工程应用价值。通过仿真研究验证了相干宽带聚焦算法具有优越的空间分辨能力。

矢量声压组合基阵MVDR近场聚焦波束形成

介绍了矢量声压组合基阵MVDR近场聚焦波束形成的水下噪声源近场高分辨定位方法。该方法将MVDR高分辨方位估计方法应用于单矢量水听器与声压基阵构成的组合基阵中,利用矢量水听器的单边指向性,抑制噪声源定位中的左右模糊,并结合声压基阵MVDR算法高分辨定位优势,从而实现了水下噪声源近场高分辨定位,且可以有效抑制近场定位中的左右弦模糊,通过计算机仿真验证了算法的有效性,具有一定的工程应用价值。

舰船噪声源近场聚焦波束形成定位方法

阐述了船噪声源近场聚焦波束形成定位方法,给出舰船辐射噪声的近场范围,并使用MVDR方法针对单频信号进行了仿真计算。计算结果表明,对于线谱声源情况,在声源频率较高的情况下,该方法定位效果较好;在声源频率较低的情况下,该方法定位效果很差。

浅海多波束动态聚焦近场波束形成实现方法

讨论了一种动态聚焦波束形成实现方法,将聚焦波束形成的焦点时间结构与基阵空间结构相关联,得到时变焦点的高精度聚焦波束形成输出。通过实验数据的分析和处理,验证了方法的有效性。

采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法

为了减小常规波束形成所需的庞大计算量以实现快速成像,本文提出了一种新的波束形成算法——分级聚焦波束形成。将基阵划分成各级子阵分级进行处理,对较短的子阵进行远场近似处理,逐级合并子阵进行子阵间的近场聚焦波束形成,并逐级进行波束插值。MAT- LAB仿真计算结果表明,分级聚焦法与常规波束形成相比,计算量和数据存储量大幅下降。该方法尤其适用于多焦点近场聚焦的场合。

声矢量传感器阵宽带相干信号子空间最优波束形成

提出了基于矢量传感器阵的宽带相干信号子空间最优波束形成。建立了矢量传感器阵的宽带阵列信号模型,将宽带聚焦思想引入到了矢量传感器阵宽带处理,证明了矢量传感器阵与声压传感器阵宽带聚焦矩阵之间的关系,为矢量传感器阵宽带聚焦矩阵的构造提供了一种方法。推导了基于矢量传感器阵宽带最优波束形成的空间谱,通过空间重采样方法实现矢量传感器阵宽带聚焦,避免了对目标源方位的预估。通过仿真验证了矢量传感器阵具有更优越的性能:可以解宽带相干源;能够实现全空间无模糊定向;可以空间欠采样,因而在不增加计算量的基础上,能够提高阵列处理的性能;克服了传统声压传感器线阵端射方向上,目标方位估计性能下降的缺点。

稳健的宽带多径干扰抑制波束形成算法

针对传统宽带多径干扰抑制波束形成算法计算量大、稳健性差的问题,提出一种基于均匀直线阵的稳健宽带多径干扰抑制波束形成算法。当期望信号垂直入射时,该算法首先在波束旁瓣区域引入虚拟干扰源构造能量聚焦矩阵,通过主瓣宽度的迭代处理,整体控制输出波束旁瓣级,将旁瓣区域能量聚焦到主瓣区域,实现多径干扰条件下的宽带波束形成;然后对期望信号和辅助方位角施加相位响应约束,将其扩展至期望信号非垂直入射和存在指向误差的情况,与传统宽带多径干扰抑制波束形成算法相比,在提高算法稳健性的同时大大降低了计算复杂度;最后仿真分析与实际数据验证表明,该算法能够有效的抑制多径干扰,稳健性较好且具有较高的输出信干噪比。

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。