基于最小一乘的虚拟阵元波束形成仿真研究
发布时间：2021-02-15 09:44
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。
【文章来源】：声学技术. 2020,39(02)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
等间隔阵元的虚拟线阵
通过比较最小一乘(LAD)虚拟阵元波束形成与常规相移波束形成的波束图和阵列增益随着虚拟阵元信号数目变化曲线，来验证算法的性能和有效性。图2是在无噪声和有噪声时，16个实阵元采用最小一乘法构建8个虚拟阵元和常规相移法的波束比较图。图2(a)中显示，最小一乘法在理想情况下得到的波束宽度相比相移法明显变窄4o，两种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。图2(b)和图2(c)是将两种方法在回波信号信噪比为-4 dB和4 dB时的比较结果。从比较的波束图中可以看出，在低信噪比的情况下，最小一乘法得到的波束主瓣更窄。由于最小一乘估计的稳健性，所以在信号环境较差的时候依然能估计出较为可靠的值，构建的虚拟阵元接收信号与实际阵元接收信号的误差更小。从图2(b)和图2(c)中可以看出，最小一乘法相比常规相移法在不同信噪比时都能获得较窄的波束，而旁瓣高度两者相差不大。通过上述实验可以看出最小一乘法在低信噪比的环境下仍可得到较窄的波束。为了能直观地体现出阵增益的变化规律，在阵增益的实验中将阵元间距增大至0.1 m，信号频率更改为1.5 k Hz，实阵列增益曲线的阵元间距设为0.1 m，并与不同阵元间距的虚拟阵列增益的变化曲线进行对比。图3是实阵列增益和虚拟阵列的阵增益随着虚拟阵元信号数目变化的曲线图。虚拟阵列分别设置了3种不同阵元间距：d=0.1 m,d=0.2 m,d=0.3 m。仿真中回波信噪比为0 dB，回波角度θ0为30o，实阵阵元数为8个，信号脉冲宽度为10 ms。从图3的曲线图中可以看出。选定恰当的虚拟阵元数时，最小一乘法能够得到比较高的阵增益。由式(25)和仿真曲线可以验证，实阵列增益值在上述参数确定后为一固定值。由图3中的阵增益曲线图可以看出，通过构建虚拟阵元可以有效地增加阵增益，但随着构建的虚拟阵元信号数目增加到某一临界值时，阵增益曲线逐渐下降。如阵元间距为0.1 m的阵增益曲线，当虚拟阵元信号数目为45时阵增益达到最高值，随后阵增益开始减少。观察阵元间距和虚拟阵元数目临界值的变化可以看出，增大阵元间距后，虚拟阵元数的临界数减小，这反映了实阵元接收信号与虚拟阵元接收信号之间的相关性与阵元的间距有关，且呈反比关系。
为了能直观地体现出阵增益的变化规律，在阵增益的实验中将阵元间距增大至0.1 m，信号频率更改为1.5 k Hz，实阵列增益曲线的阵元间距设为0.1 m，并与不同阵元间距的虚拟阵列增益的变化曲线进行对比。图3是实阵列增益和虚拟阵列的阵增益随着虚拟阵元信号数目变化的曲线图。虚拟阵列分别设置了3种不同阵元间距：d=0.1 m,d=0.2 m,d=0.3 m。仿真中回波信噪比为0 dB，回波角度θ0为30o，实阵阵元数为8个，信号脉冲宽度为10 ms。从图3的曲线图中可以看出。选定恰当的虚拟阵元数时，最小一乘法能够得到比较高的阵增益。由式(25)和仿真曲线可以验证，实阵列增益值在上述参数确定后为一固定值。由图3中的阵增益曲线图可以看出，通过构建虚拟阵元可以有效地增加阵增益，但随着构建的虚拟阵元信号数目增加到某一临界值时，阵增益曲线逐渐下降。如阵元间距为0.1 m的阵增益曲线，当虚拟阵元信号数目为45时阵增益达到最高值，随后阵增益开始减少。观察阵元间距和虚拟阵元数目临界值的变化可以看出，增大阵元间距后，虚拟阵元数的临界数减小，这反映了实阵元接收信号与虚拟阵元接收信号之间的相关性与阵元的间距有关，且呈反比关系。3.2 不同方法对比分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]共轭虚拟阵列波束形成方法[J]. 倪淑燕,程乃平,倪正中. 电子学报. 2011(09)
[2]基于遗传算法的声矢量阵虚拟阵元波束形成[J]. 陈欢,杨德森,张揽月,郭小霞. 信号处理. 2009(10)
[3]最小一乘回归系数估计及其MATLAB实现[J]. 王福昌,胡顺田,张艳芳. 防灾科技学院学报. 2007(04)
[4]最小一乘线性回归(下)[J]. 陈希孺. 数理统计与管理. 1989(06)
[5]最小一乘线性回归(上)[J]. 陈希孺. 数理统计与管理. 1989(05)
硕士论文
[1]虚拟阵元波束形成方法研究[D]. 胡鹏.西北工业大学 2006
本文编号：3034609
【文章来源】：声学技术. 2020,39(02)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
等间隔阵元的虚拟线阵
通过比较最小一乘(LAD)虚拟阵元波束形成与常规相移波束形成的波束图和阵列增益随着虚拟阵元信号数目变化曲线，来验证算法的性能和有效性。图2是在无噪声和有噪声时，16个实阵元采用最小一乘法构建8个虚拟阵元和常规相移法的波束比较图。图2(a)中显示，最小一乘法在理想情况下得到的波束宽度相比相移法明显变窄4o，两种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。图2(b)和图2(c)是将两种方法在回波信号信噪比为-4 dB和4 dB时的比较结果。从比较的波束图中可以看出，在低信噪比的情况下，最小一乘法得到的波束主瓣更窄。由于最小一乘估计的稳健性，所以在信号环境较差的时候依然能估计出较为可靠的值，构建的虚拟阵元接收信号与实际阵元接收信号的误差更小。从图2(b)和图2(c)中可以看出，最小一乘法相比常规相移法在不同信噪比时都能获得较窄的波束，而旁瓣高度两者相差不大。通过上述实验可以看出最小一乘法在低信噪比的环境下仍可得到较窄的波束。为了能直观地体现出阵增益的变化规律，在阵增益的实验中将阵元间距增大至0.1 m，信号频率更改为1.5 k Hz，实阵列增益曲线的阵元间距设为0.1 m，并与不同阵元间距的虚拟阵列增益的变化曲线进行对比。图3是实阵列增益和虚拟阵列的阵增益随着虚拟阵元信号数目变化的曲线图。虚拟阵列分别设置了3种不同阵元间距：d=0.1 m,d=0.2 m,d=0.3 m。仿真中回波信噪比为0 dB，回波角度θ0为30o，实阵阵元数为8个，信号脉冲宽度为10 ms。从图3的曲线图中可以看出。选定恰当的虚拟阵元数时，最小一乘法能够得到比较高的阵增益。由式(25)和仿真曲线可以验证，实阵列增益值在上述参数确定后为一固定值。由图3中的阵增益曲线图可以看出，通过构建虚拟阵元可以有效地增加阵增益，但随着构建的虚拟阵元信号数目增加到某一临界值时，阵增益曲线逐渐下降。如阵元间距为0.1 m的阵增益曲线，当虚拟阵元信号数目为45时阵增益达到最高值，随后阵增益开始减少。观察阵元间距和虚拟阵元数目临界值的变化可以看出，增大阵元间距后，虚拟阵元数的临界数减小，这反映了实阵元接收信号与虚拟阵元接收信号之间的相关性与阵元的间距有关，且呈反比关系。
为了能直观地体现出阵增益的变化规律，在阵增益的实验中将阵元间距增大至0.1 m，信号频率更改为1.5 k Hz，实阵列增益曲线的阵元间距设为0.1 m，并与不同阵元间距的虚拟阵列增益的变化曲线进行对比。图3是实阵列增益和虚拟阵列的阵增益随着虚拟阵元信号数目变化的曲线图。虚拟阵列分别设置了3种不同阵元间距：d=0.1 m,d=0.2 m,d=0.3 m。仿真中回波信噪比为0 dB，回波角度θ0为30o，实阵阵元数为8个，信号脉冲宽度为10 ms。从图3的曲线图中可以看出。选定恰当的虚拟阵元数时，最小一乘法能够得到比较高的阵增益。由式(25)和仿真曲线可以验证，实阵列增益值在上述参数确定后为一固定值。由图3中的阵增益曲线图可以看出，通过构建虚拟阵元可以有效地增加阵增益，但随着构建的虚拟阵元信号数目增加到某一临界值时，阵增益曲线逐渐下降。如阵元间距为0.1 m的阵增益曲线，当虚拟阵元信号数目为45时阵增益达到最高值，随后阵增益开始减少。观察阵元间距和虚拟阵元数目临界值的变化可以看出，增大阵元间距后，虚拟阵元数的临界数减小，这反映了实阵元接收信号与虚拟阵元接收信号之间的相关性与阵元的间距有关，且呈反比关系。3.2 不同方法对比分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]共轭虚拟阵列波束形成方法[J]. 倪淑燕,程乃平,倪正中. 电子学报. 2011(09)
[2]基于遗传算法的声矢量阵虚拟阵元波束形成[J]. 陈欢,杨德森,张揽月,郭小霞. 信号处理. 2009(10)
[3]最小一乘回归系数估计及其MATLAB实现[J]. 王福昌,胡顺田,张艳芳. 防灾科技学院学报. 2007(04)
[4]最小一乘线性回归(下)[J]. 陈希孺. 数理统计与管理. 1989(06)
[5]最小一乘线性回归(上)[J]. 陈希孺. 数理统计与管理. 1989(05)
硕士论文
[1]虚拟阵元波束形成方法研究[D]. 胡鹏.西北工业大学 2006
本文编号：3034609
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