水下多波束成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)鍵主要在于波束形成的質(zhì)量。在信號頻率一定時,常規(guī)相移波束形成只有通過增加基陣的孔徑來得到更窄的波束,但是在有限的應(yīng)用條件下,這種方法又受到實際工程的限制。因此,提出一種基于最小一乘估計的虛擬陣元波束形成方法。在低信噪比的情況下,利用最小一乘估計的穩(wěn)健性可以得到更加準確的估計信號,從而在不增加基陣尺寸的情況下獲得更窄和抗干擾性更強的波束,提高陣增益和聲吶圖像的角度分辨率。通過Matlab仿真并與其他方法比較驗證,證明了上述方法的優(yōu)越性。 

【文章來源】：聲學(xué)技術(shù). 2020,39(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

等間隔陣元的虛擬線陣

通過比較最小一乘(LAD)虛擬陣元波束形成與常規(guī)相移波束形成的波束圖和陣列增益隨著虛擬陣元信號數(shù)目變化曲線，來驗證算法的性能和有效性。圖2是在無噪聲和有噪聲時，16個實陣元采用最小一乘法構(gòu)建8個虛擬陣元和常規(guī)相移法的波束比較圖。圖2(a)中顯示，最小一乘法在理想情況下得到的波束寬度相比相移法明顯變窄4o，兩種方法形成的旁瓣高度相差不大，第一旁瓣均在-13 dB左右，其他旁瓣高度基本保持在-18 dB附近。圖2(b)和圖2(c)是將兩種方法在回波信號信噪比為-4 dB和4 dB時的比較結(jié)果。從比較的波束圖中可以看出，在低信噪比的情況下，最小一乘法得到的波束主瓣更窄。由于最小一乘估計的穩(wěn)健性，所以在信號環(huán)境較差的時候依然能估計出較為可靠的值，構(gòu)建的虛擬陣元接收信號與實際陣元接收信號的誤差更小。從圖2(b)和圖2(c)中可以看出，最小一乘法相比常規(guī)相移法在不同信噪比時都能獲得較窄的波束，而旁瓣高度兩者相差不大。通過上述實驗可以看出最小一乘法在低信噪比的環(huán)境下仍可得到較窄的波束。為了能直觀地體現(xiàn)出陣增益的變化規(guī)律，在陣增益的實驗中將陣元間距增大至0.1 m，信號頻率更改為1.5 k Hz，實陣列增益曲線的陣元間距設(shè)為0.1 m，并與不同陣元間距的虛擬陣列增益的變化曲線進行對比。圖3是實陣列增益和虛擬陣列的陣增益隨著虛擬陣元信號數(shù)目變化的曲線圖。虛擬陣列分別設(shè)置了3種不同陣元間距：d=0.1 m,d=0.2 m,d=0.3 m。仿真中回波信噪比為0 dB，回波角度θ0為30o，實陣陣元數(shù)為8個，信號脈沖寬度為10 ms。從圖3的曲線圖中可以看出。選定恰當?shù)奶摂M陣元數(shù)時，最小一乘法能夠得到比較高的陣增益。由式(25)和仿真曲線可以驗證，實陣列增益值在上述參數(shù)確定后為一固定值。由圖3中的陣增益曲線圖可以看出，通過構(gòu)建虛擬陣元可以有效地增加陣增益，但隨著構(gòu)建的虛擬陣元信號數(shù)目增加到某一臨界值時，陣增益曲線逐漸下降。如陣元間距為0.1 m的陣增益曲線，當虛擬陣元信號數(shù)目為45時陣增益達到最高值，隨后陣增益開始減少。觀察陣元間距和虛擬陣元數(shù)目臨界值的變化可以看出，增大陣元間距后，虛擬陣元數(shù)的臨界數(shù)減小，這反映了實陣元接收信號與虛擬陣元接收信號之間的相關(guān)性與陣元的間距有關(guān)，且呈反比關(guān)系。

為了能直觀地體現(xiàn)出陣增益的變化規(guī)律，在陣增益的實驗中將陣元間距增大至0.1 m，信號頻率更改為1.5 k Hz，實陣列增益曲線的陣元間距設(shè)為0.1 m，并與不同陣元間距的虛擬陣列增益的變化曲線進行對比。圖3是實陣列增益和虛擬陣列的陣增益隨著虛擬陣元信號數(shù)目變化的曲線圖。虛擬陣列分別設(shè)置了3種不同陣元間距：d=0.1 m,d=0.2 m,d=0.3 m。仿真中回波信噪比為0 dB，回波角度θ0為30o，實陣陣元數(shù)為8個，信號脈沖寬度為10 ms。從圖3的曲線圖中可以看出。選定恰當?shù)奶摂M陣元數(shù)時，最小一乘法能夠得到比較高的陣增益。由式(25)和仿真曲線可以驗證，實陣列增益值在上述參數(shù)確定后為一固定值。由圖3中的陣增益曲線圖可以看出，通過構(gòu)建虛擬陣元可以有效地增加陣增益，但隨著構(gòu)建的虛擬陣元信號數(shù)目增加到某一臨界值時，陣增益曲線逐漸下降。如陣元間距為0.1 m的陣增益曲線，當虛擬陣元信號數(shù)目為45時陣增益達到最高值，隨后陣增益開始減少。觀察陣元間距和虛擬陣元數(shù)目臨界值的變化可以看出，增大陣元間距后，虛擬陣元數(shù)的臨界數(shù)減小，這反映了實陣元接收信號與虛擬陣元接收信號之間的相關(guān)性與陣元的間距有關(guān)，且呈反比關(guān)系。3.2 不同方法對比分析

【參考文獻】：
期刊論文
[1]共軛虛擬陣列波束形成方法[J]. 倪淑燕,程乃平,倪正中.  電子學(xué)報. 2011(09)
[2]基于遺傳算法的聲矢量陣虛擬陣元波束形成[J]. 陳歡,楊德森,張攬月,郭小霞.  信號處理. 2009(10)
[3]最小一乘回歸系數(shù)估計及其MATLAB實現(xiàn)[J]. 王福昌,胡順田,張艷芳.  防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報. 2007(04)
[4]最小一乘線性回歸(下)[J]. 陳希孺.  數(shù)理統(tǒng)計與管理. 1989(06)
[5]最小一乘線性回歸(上)[J]. 陳希孺.  數(shù)理統(tǒng)計與管理. 1989(05)

碩士論文
[1]虛擬陣元波束形成方法研究[D]. 胡鵬.西北工業(yè)大學(xué) 2006



本文編號：3034609