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基于虚拟阵元信号重构的嵌套阵稳健波束形成

系统工程与电子技术 2021年第5期43卷 1161-1168页

作者：卢建杨剑侯博余志勇刘光斌火箭军工程大学导弹工程学院陕西西安710025

由于嵌套阵中部分阵元间距远大于信号半波长,可能导致高旁瓣和栅瓣等问题。因此,通过利用均匀子阵进行信号波达方向(direction of arrival,DOA)估计,重构出虚拟阵元的接收信号,从而构建一个虚拟的稠密均匀阵列,大幅增加了波束形成算法... 详细信息

由于嵌套阵中部分阵元间距远大于信号半波长,可能导致高旁瓣和栅瓣等问题。因此,通过利用均匀子阵进行信号波达方向(direction of arrival,DOA)估计,重构出虚拟阵元的接收信号,从而构建一个虚拟的稠密均匀阵列,大幅增加了波束形成算法自由度。通过估计信号功率,重构虚拟均匀阵列的干扰加噪声协方差矩阵(interference plus noise covariance matrix,INCM),可得虚拟均匀阵列的波束形成权矢量。仿真实验表明,相比其他波束形成方法,所提算法主瓣宽度小、旁瓣电平低、收敛速度快、抗干扰能力强。

关键词：波束形成嵌套阵虚拟阵元信号重构

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三种虚拟阵元内插超分辨测向算法的性能对比

北京航空航天大学学报 2011年第5期37卷 545-550,555页

作者：陈文晟许小剑北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191

对比研究了基于虚拟阵元内插的三种超分辨测向算法.在对多个小孔径雷达阵列的观测数据进行相干处理的基础上,分别应用非线性最小二乘迭代(NLS,NonlinearLeast Squares)、基于最小熵的反卷积迭代(IDMEC,Iterative Deconvolution algorith... 详细信息

对比研究了基于虚拟阵元内插的三种超分辨测向算法.在对多个小孔径雷达阵列的观测数据进行相干处理的基础上,分别应用非线性最小二乘迭代(NLS,NonlinearLeast Squares)、基于最小熵的反卷积迭代(IDMEC,Iterative Deconvolution algorithm based onMinimum Entropy Criterion)和最小加权范数(MWN,Minimum Weighted Norm)等算法构造雷达阵列间的各个虚拟阵元,合成大的孔径阵列以提高测向分辨率.通过仿真,验证了三种虚拟阵元内插算法的有效性,分析和比较了它们的超分辨性能和运算量.结果表明MWN法不仅具有最小的虚拟阵元构造误差和运算量,且有最好的测向性能.因此,总体上MWN法优于NLS法和IDMEC法.

关键词：虚拟阵元超分辨测向内插

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虚拟阵元波束形成方法研究

虚拟阵元波束形成方法研究

作者：胡鹏西北工业大学

学位级别：硕士

波束形成是阵列信号处理中的一个热点研究问题。常规波束形成方法在信号频率一定的情况下，为提高其分辨率，需要增大基阵孔径，这在实际工程运用中受到了一定的限制。为了克服常规波束形成方法的这种局限性，本论文系统、深入地研究了... 详细信息

波束形成是阵列信号处理中的一个热点研究问题。常规波束形成方法在信号频率一定的情况下，为提高其分辨率，需要增大基阵孔径，这在实际工程运用中受到了一定的限制。为了克服常规波束形成方法的这种局限性，本论文系统、深入地研究了虚拟阵元波束形成问题。主要研究内容包括： 1．系统研究了阵列信号处理的基本理论，分析了阵列接收信号的数学模型，给出了任意几何结构阵列输出的窄带和宽带表达形式，并推导了典型阵列的阵列流形。 2．深入分析了常规波束形成问题，研究了窄带波束形成和宽带波束形成各自原理及特点。分析了束控和加权对波束形成的影响，给出了仿真实例，介绍了乘积定理和MVDR波束形成方法，并且系统研究了频域和时域宽带波束形成的结构和特点，最后导出了宽带波束形成的恒定束宽实现方法。 3．深入分析了引入虚拟阵元波束形成的必要性和作用，研究了虚拟阵元波束形成的基本思想和方法。提出了基于线性预测的虚拟阵元波束形成方法，提出了基于最小二乘估计的虚拟阵元波束形成方法，并进一步提出了基于最小二乘估计的虚拟阵元波束形成方法的改进方法，最后研究了延迟求和虚拟阵元波束形成方法。对于前两种方法还提出了对宽带信号根据不同频率改变虚拟阵元数目的分子带处理技术以实现宽带恒定束宽的方法。仿真实验表明，在有限尺度基阵的情况下，虚拟阵元波束形成方法使基阵在虚拟的意义上得到了扩大，形成了高指向性的窄波束，提高了基阵的分辨率。在工程允许的范围内，本文提出的恒定束宽设计方法能基本实现宽带波束形成的恒定束宽要求。 4．分别应用基于线形预测的虚拟阵元波束形成算法，基于改进最小二乘估计虚拟阵元波束形成算法和延迟求和虚拟阵元波束形成算法，对1998年松花湖湖试数据进行了预成多波束处理，实验数据的处理验证了本文所提方法的可行性和优越性。

关键词：波束形成虚拟阵元线性预测最小二乘估计延迟求和恒定束宽

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虚拟阵元宽带波束形成技术研究

虚拟阵元宽带波束形成技术研究

作者：韦俊霞哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

波束形成是声纳信号处理中的一个重要组成部分。常规波束形成由于它的简单易行及低信噪比、小样本下的鲁棒性，至今仍在工程中广为应用。常规波束形成的束宽决定于基阵的孔径，在工程上分辨率的提高受到很大限制。为了改善基阵的性能，... 详细信息

波束形成是声纳信号处理中的一个重要组成部分。常规波束形成由于它的简单易行及低信噪比、小样本下的鲁棒性，至今仍在工程中广为应用。常规波束形成的束宽决定于基阵的孔径，在工程上分辨率的提高受到很大限制。为了改善基阵的性能，迫切需要寻找一种新的波束形成的方法。虚拟阵元波束形成能在不增加阵长的条件下提高基阵的分辨率，是解决该问题的一种可行的方法。针对均匀线阵，本文首先阐述了常规波束形成原理及波束优化方法，在此基础上讨论了窄带虚拟阵元波束形成的两种方法：一种是利用基元间的相位关系使基阵在虚拟的意义上扩大的相移法虚拟阵元波束形成;另一种是基于四阶累积量阵列扩展的虚拟阵列波束形成。仿真结果表明，这两种方法相对于常规波束形成提高了阵列的分辨力。为了更好的处理宽带信号，提出了一种基于时延和预成多波束的虚拟阵元波束形成方法，与常规波束形成相比，该方法能在信噪比较低的情况下提高基阵的分辨率。除此之外，本文还对切比雪夫恒定束宽波束形成进行了仿真。最后对松花湖试数据进行了处理，分别给出了常规波束形成和虚拟阵元波束形成的指向性图，实验分析结果证明了本文提出的方法的可行性。

关键词：波束形成虚拟阵元恒定束宽

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基于最小一乘的虚拟阵元波束形成仿真研究

声学技术 2020年第2期39卷 134-140页

作者：张伟民郭海涛金其余田原嫄焦圣喜内蒙古大学电子信息工程学院内蒙古呼和浩特010021 海南热带海洋学院海洋信息工程学院海南三亚572022 内蒙古大学数学科学学院内蒙古呼和浩特010021 东北电力大学机械工程学院吉林吉林132012 东北电力大学自动化工程学院吉林吉林132012

水下多波束成像系统成像质量的关键主要在于波束形成的质量。在信号频率一定时,常规相移波束形成只有通过增加基阵的孔径来得到更窄的波束,但是在有限的应用条件下,这种方法又受到实际工程的限制。因此,提出一种基于最小一乘估计的虚拟... 详细信息

水下多波束成像系统成像质量的关键主要在于波束形成的质量。在信号频率一定时,常规相移波束形成只有通过增加基阵的孔径来得到更窄的波束,但是在有限的应用条件下,这种方法又受到实际工程的限制。因此,提出一种基于最小一乘估计的虚拟阵元波束形成方法。在低信噪比的情况下,利用最小一乘估计的稳健性可以得到更加准确的估计信号,从而在不增加基阵尺寸的情况下获得更窄和抗干扰性更强的波束,提高阵增益和声呐图像的角度分辨率。通过Matlab仿真并与其他方法比较验证,证明了上述方法的优越性。

关键词：多波束成像系统最小一乘估计稳健性虚拟阵元波束形成

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基于线性预测的虚拟阵元波束形成

声学技术 2007年第4期26卷 714-717页

作者：胡鹏杨益新杨士莪杭州应用声学研究所杭州310012 西北工业大学声学工程研究所西安710072

常规波束形成方法在信号频率一定的情况下,为提高其分辨率,需要增大基阵孔径,这在实际工程运用中受到了一定的限制。文中提出了基于线性预测技术的虚拟阵元波束形成方法。该方法在有限尺度基阵的情况下,运用线性预测技术,根据已知阵元... 详细信息

常规波束形成方法在信号频率一定的情况下,为提高其分辨率,需要增大基阵孔径,这在实际工程运用中受到了一定的限制。文中提出了基于线性预测技术的虚拟阵元波束形成方法。该方法在有限尺度基阵的情况下,运用线性预测技术,根据已知阵元的接收数据,估计虚拟阵元上的接收数据,使基阵孔径在虚拟的意义上得到了扩大,从而实现了高指向性窄波束,提高了基阵的指向性指数。仿真实验表明了方法的有效性。

关键词：线性预测虚拟阵元波束形成

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基于虚拟阵元的混合源定位算法研究

基于虚拟阵元的混合源定位算法研究

作者：肖磊西安电子科技大学

学位级别：硕士

波达方向(DOA)和距离参数估计是阵列信号处理领域中重要研究内容,广泛应用于雷达、声纳等领域。实际估计过程中来波信号模型往往不是简单的窄带远场信号,为更加贴合实际情况,对相干信号和非相干信号混合模型与近场信号和远场信号混合模... 详细信息

波达方向(DOA)和距离参数估计是阵列信号处理领域中重要研究内容,广泛应用于雷达、声纳等领域。实际估计过程中来波信号模型往往不是简单的窄带远场信号,为更加贴合实际情况,对相干信号和非相干信号混合模型与近场信号和远场信号混合模型参数估计展开研究。非均阵列虚拟阵元扩充方法是近年来信号参数估计一大热点,但复杂混合源信号模型,常规虚拟阵元构造方法不再适用,多组相干族群信号混合情况下分离非相干信号及近场与远场信号混合情况下分离远场信号分离算法往往是复杂的。针对多族群相干信号问题提出两种非均匀阵列相干信号和非相干混合DOA估计降维方法,均匀阵的虚拟阵列扩充方法,相干信号和非相干信号的分离方法。针对近场信号和远场信号混合问题提出近场信号和远场信号分离方法,不损失阵列孔径实现角度信息和距离信息分离的时延差采样算法,提出基于时延差采样方法嵌套阵的近场信号和远场信号混合离网信号的参数估计算法。(1)针对非均匀阵列估计相干信号和非相干信号算法的二维冗余字典算法过冗余估计问题和二维字典稀疏重构算法复杂度较高问题,提出两种降维方法。构造接收信号功率矩阵主对角线元素对应的完备字典,进行主对角线元素的稀疏重构。根据矢量化积思想,用协方差矩阵重构信号功率矩阵采用一维字典进行两步稀疏重构,两种字典矩阵的降维方法都添加了网格失配模型,实现离网信号多族群相干信号的参数估计。(2)基于同步采样时延差算法,将第一个阵元与末尾阵元的接收数据与其他阵元的接收数据同步采样构造一个时间差,进行共轭相关处理,得到包含负半轴虚拟阵列接收信号,该信号复振幅经过加权求和,接收信号进行去噪处理,扩充虚拟阵元同时在低信噪比下具有较好的估计精度。针对相干信号和非相干信号分离问题,用构造的虚拟阵列信号协方差矩阵得到信号子空间,根据旋转不变关系获得信号阵列流型与信号子空间的酉变换矩阵,根据波束形成思想构造谱函数,实现相干信号和非相干信号的混合源分离及非相干信号DOA估计。用虚拟阵列的扩充方法结合波束空间变换思想,不损失原始阵列孔径基础上对信号解相干,降低波束角度加权时带来的色噪声影响,在低信噪比下具有更好的估计精度。(3)根据信号子空间旋转不变关系获得(NF-FF)混合源的阵列流型,利用波束形成思想构造谱函数,实现近场信号和远场信号混合源分离及远场信号DOA估计。构造两组含有相对时延差的同步采样数据进行协方差处理,将逆对角线元素提取构成一列,该列元素是只有角度信息单次快拍数据,时间差项看作补充同步采样数据的时间因子。对时间因子取相等时间间隔,得到只含角度信息接收信号构造协方差矩阵,用两步多项式求根算法实现角度和距离的参数估计。使用嵌套阵用添加网格失配模型的稀疏贝叶斯学习算法估计角度信息,用多项式求根算法估计距离信息,实现非均匀阵列估计近场信号和远场信号混合时参数估计,两种算法在低信噪比下具有很好的估计精度。

关键词：混合源信号模型信息分离虚拟阵元稀疏重构

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基于矢量水听器的虚拟阵元波束形成研究

基于矢量水听器的虚拟阵元波束形成研究

作者：孙颖哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

在声场空间相关半径内，基阵的孔径尺寸越大，输出波束宽度越窄，但是出于实际情况的限制，基阵尺度不可能做得很大。基于信号到达每个基元的时间不同，虚拟阵元法在时域上利用基元间的相位信息，对实际阵列进行了虚拟扩展。仿真结果显... 详细信息

在声场空间相关半径内，基阵的孔径尺寸越大，输出波束宽度越窄，但是出于实际情况的限制，基阵尺度不可能做得很大。基于信号到达每个基元的时间不同，虚拟阵元法在时域上利用基元间的相位信息，对实际阵列进行了虚拟扩展。仿真结果显示：虚拟阵元法应用于面阵，在输入信噪比较低的情况下仍可以准确判断来波方向。相对于传统的声压阵，矢量阵形成的波束主瓣更窄，旁瓣级更低。矢量水听器成阵技术和阵型设计也受到人们越来越多的重视，成为水声工程领域令人瞩目的研究方向之一。本文首先研究了二维平面内任意阵型的波束优化设计问题，对两种优化方法进行仿真，分别取得了降低左右第一旁瓣和实现等旁瓣级输出的结果。然后利用虚拟阵元法，将平面基阵的孔径在虚拟的意义上进行扩展，得到了较普通波束形成更窄的束宽;最后，将以上方法应用于矢量阵得到了更低的旁瓣。本文中用到的新方法是可行的，应用于平面基阵可以有效地提高基阵的分辨率，避免空间方位模糊。

关键词：波束形成虚拟阵元矢量水听器

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虚拟阵元的恒定束宽波束形成方法研究

虚拟阵元的恒定束宽波束形成方法研究