传感器阵列超指向性原理及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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杨益新 等 著

图书标签:

• 传感器阵列
• 超指向性
• 波束赋形
• 信号处理
• 天线技术
• 雷达
• 声学
• 无线通信
• 智能感知
• 阵列信号处理

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030553072

版次：01

商品编码：12256767

包装：精装

丛书名： 现代声学科学与技术丛书

开本：16开

出版时间：2017-11-01

页数：256

字数：318000

正文语种：中文

内容简介

　　《传感器阵列超指向性原理及应用》系统地介绍传感器阵列尤其是声学传感器阵列的超指向性原理、方法及其应用。《传感器阵列超指向性原理及应用》共7章，主要讲述相位模态域、特征波束分解与综合、Gram-Schmidt模态波束分解与综合和波束图综合等超指向性原理和方法，推导出一些解析闭式解，并对大部分理论给出对应的实验结果。《传感器阵列超指向性原理及应用》主要以作者所在课题组多年来针对超指向性问题的研究成果为基础，纳入了作者近年来在国内外重要期刊和会议上发表的论文，同时也参考了少量其他课题组的研究成果。

目录

目录
自序
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究历史及现状 3
1.2.1 超指向性的提出和早期研究 3
1.2.2 超指向性存在的问题和现有的解决途径 4
1.2.3 现有超指向性方法的分类 10
1.3 本书的结构 13
第2章 背景知识及超指向性概述 15
2.1 背景知识 15
2.1.1 任意结构的阵列 15
2.1.2 信号场模型 16
2.1.3 噪声场模型 18
2.1.4 阵列接收数据模型 22
2.1.5 波束形成 22
2.2 超指向性的概念 28
2.2.1 超指向性的一般原理 29
2.2.2 超指向性和超增益的区别与联系 31
2.2.3 超指向性方法与常规方法的比较 31
2.3 常见的超指向性方法 32
2.3.1 对角加载方法 33
2.3.2 白噪声增益约束方法 33
2.3.3 多约束优化方法 34
2.3.4 统计类方法 34
2.3.5 矢量传感器与差分阵列技术 35
2.4 本章小结 37
第3章 圆环形阵列相位模态域超指向性理论 39
3.1 声场建模 40
3.1.1 球体表面圆环阵 40
3.1.2 柱体表面圆环阵 43
3.1.3 任意障板表面圆环阵 46
3.2 圆环形阵列相位模态域波束形成的基本原理 47
3.2.1 特征波束形成器和模态波束形成器 47
3.2.2 球体表面圆环阵 49
3.2.3 柱体表面圆环阵 51
3.2.4 任意障板表面圆环阵 54
3.3 间接相位模态域波束形成 56
3.3.1 几种典型的间接相位模态域方法 56
3.3.2 球体表面圆环阵间接相位模态域波束形成 58
3.3.3 柱体表面圆环阵间接相位模态域波束形成 63
3.3.4 任意障板表面圆环阵间接相位模态域波束形成 65
3.4 直接相位模态域波束形成 67
3.4.1 指向性因子计算模型 67
3.4.2 相位模态域直接优化方法的一般形式 68
3.4.3 球体表面圆环阵直接相位模态域波束形成 70
3.4.4 柱体表面圆环阵直接相位模态域波束形成 78
3.4.5 任意障板表面圆环阵直接相位模态域波束形成 86
3.5 本章小结 88
第4章 球形阵列相位模态域超指向性理论 90
4.1 声场建模 90
4.2 球形阵列相位模态域波束形成的基本原理 92
4.2.1 特征波束形成器的输出 92
4.2.2 球体的空间采样 94
4.2.3 模态波束形成器 101
4.3 相位模态域波束形成 105
4.3.1 波束设计 105
4.3.2 误差分析 111
4.4 本章小结 117
第5章 特征波束分解与综合超指向性理论 118
5.1 最优解的形式 118
5.1.1 高阶超指向性解的基本形式 118
5.1.2 障板的影响 122
5.1.3 特征波束分解与综合超指向性解的解释 124
5.1.4 对于稳健性的讨论 125
5.1.5 实际指向性因子 126
5.2 最大指向性因子与最优波束的极限表达式 128
5.2.1 理想圆环阵的最优指向性因子 128
5.2.2 极限表达式的推导 130
5.3 仿真结果 134
5.3.1 理想圆环阵超指向性随半径波长比的变化关系 134
5.3.2 误差敏感度函数与指向性因子 136
5.3.3 与CBF方法和MVDR方法的比较 139
5.3.4 与对角加载类方法的比较 140
5.3.5 与相位模态域方法的比较 141
5.3.6 理论波束图 142
5.3.7 实际波束图 148
5.4 实验结果 150
5.4.1 实验描述 150
5.4.2 具有最优指向性因子的超指向性波束图 150
5.4.3 具有旁瓣约束的超指向性波束图 154
5.5 本章小结 158
第6章 Gram-Schmidt模态波束分解与综合超指向性理论 160 6.1 理论形式 160
6.1.1 最优权值向量的矩阵表示 160
6.1.2 GS模态波束分解与综合 163
6.1.3 实际指向性因子 164
6.2 设计实例 166
6.2.1 直线阵 166
6.2.2 圆环阵 171
6.2.3 “V”形阵 173
6.3 与其他方法的比较 175
6.3.1 与CBF方法和MVDR方法的比较 175
6.3.2 与对角加载类方法的比较 177
6.4 实验结果 178
6.5 本章小结 180
第7章 波束图综合超指向性理论 182
7.1 特征分解方法的理论解 183
7.1.1 基本形式 183
7.1.2 最优超指向性波束形成 185
7.1.3 频率不变响应波束形成 186
7.1.4 具有偶数个阵元的声透明圆环阵解的形式 187
7.1.5 声透明圆环阵的仿真和实验结果 188
7.1.6 障板表面圆环阵 191
7.2 基于实测阵列流形的数值方法 195
7.2.1 棱柱体表面圆环阵 195
7.2.2 共形矢量阵 203
7.3 本章小结 210
附录A 圆环阵最大指向性因子和最优波束理论极限表达式的推导 212
A.1 三维空间各向同性均匀噪声场 212
A.2 二维空间各向同性均匀噪声场 218
附录B 具有偶数个阵元的声透明圆环阵对称关系式的证明 221
附录C 水听器基阵阵列流形的边界元计算 223
C.1 基于边界元法求解基阵阵列流形的计算模型 223
C.2 边界元计算软件SYSNOISE简介 225
参考文献 227
索引 239
《现代声学科学与技术丛书》已出版书目 241

《探秘无形之境：现代传感技术与感知能力的革新》 在这信息爆炸的时代，我们无时无刻不被海量的数据所包围，而这些数据，绝大多数都来源于我们赖以生存的物理世界。从监测环境的微小变化，到洞察宇宙深邃的奥秘；从优化工业生产的每一个环节，到守护人类健康的每一个瞬间，感知能力已成为现代文明不可或缺的基石。然而，我们对世界的认知，很大程度上取决于我们能够捕捉到多少信息，以及这些信息的精度和广度。《探秘无形之境：现代传感技术与感知能力的革新》一书，正是为了带领读者深入理解现代传感技术如何突破感知能力的界限，从而以前所未有的方式重塑我们与世界的互动。 本书并非一本狭窄的技术手册，而是一次关于“看见”与“听见”的深刻探索。它将带领读者穿越由光、声、电、磁、热、力等物理现象构筑的奇妙世界，揭示各种传感器如何将这些无形的物理量转化为可读可懂的电信号。我们将从最基本的传感原理出发，逐层深入，理解不同传感机制在不同应用场景下的独特优势与局限。 第一篇：感知的基础——物理世界的信号与传感的基石 在本篇中，我们首先要建立一个坚实的物理学基础，理解那些构成我们感知世界的根本要素。我们将简要回顾与传感技术紧密相关的物理学原理，包括电磁学、光学、声学、热力学以及力学等。这并非是冗长的理论堆砌，而是聚焦于传感技术的核心概念，例如： 光与电磁波： 了解可见光、红外线、紫外线、微波等不同波段的特性，以及它们如何携带信息。这将为我们后续探讨光学传感器（如CCD、CMOS、光电二极管、激光雷达等）打下基础。 声波与振动： 探索声音的产生、传播及其携带的能量，以及物体振动的特性。这将为理解声学传感器（如麦克风、超声波传感器、压电传感器等）的工作原理提供依据。 电与磁： 深入理解电场、磁场、电流、电压等基本电磁概念，以及它们与材料性质的相互作用。这是许多电学传感器（如霍尔传感器、电容传感器、电阻传感器等）的核心。 热量与温度： 了解热传递的机制，以及温度的变化如何影响物质的物理性质。这将引出热敏传感器（如热电偶、热敏电阻、红外热成像仪等）的讨论。 力与压力： 认识物体受力时产生的形变和应力，以及这些变化如何被转化为电信号。这将为理解力敏传感器（如应变片、压力传感器、加速度计等）的原理铺平道路。 在理解了这些物理基础之后，我们将正式进入传感器的世界。本书将对各类主流传感器进行详细的介绍，重点关注其核心的传感机制。例如，我们将深入剖析： 光学传感器： 从光电效应到光栅编码器，从图像传感器到激光测量技术，了解它们如何捕捉光信号并转化为数字信息。 声学传感器： 介绍麦克风的指向性和灵敏度，超声波在测距和成像中的应用，以及压电效应在压力和振动检测中的作用。 电磁传感器： 讲解霍尔效应在磁场检测中的应用，电容式和电感式传感器在位移和触摸检测中的原理。 热敏传感器： 探讨不同热敏材料的特性，以及热电偶、热敏电阻在温度测量中的精度和响应速度。 力敏传感器： 剖析应变片的工作原理，惯性传感器（如加速度计、陀螺仪）如何捕捉运动信息，以及压力传感器在工业和医疗领域的广泛应用。 第二篇：信息的放大与解码——传感器网络的构建与数据处理 单个传感器能够捕捉到的信息是有限的，真正的强大在于将多个传感器协同工作，构建起一个强大的信息感知网络。本篇将带领读者理解如何将分散的传感器信息整合起来，并对其进行有效的处理和分析，从而提取出有价值的数据。 传感器接口与信号调理： 传感器输出的原始信号往往微弱且容易受到噪声干扰。我们将详细介绍各种接口技术（如模拟输出、数字输出、总线接口等），以及信号调理电路（放大、滤波、偏移校正等）在保证信号质量方面的重要性。 数据采集系统： 从模数转换（ADC）到采样率的选择，从数据缓冲到传输协议，我们将探讨构建高效数据采集系统的关键要素。 传感器融合： 当多个传感器获取同一环境信息时，如何将这些信息进行有机结合，以获得更准确、更鲁棒的感知结果？我们将介绍多种传感器融合策略，包括加权平均、卡尔曼滤波、粒子滤波等，并探讨它们在不同场景下的适用性。 信号处理与特征提取： 原始传感器数据往往需要经过一系列的信号处理才能提取出有意义的特征。本篇将涵盖傅里叶变换、小波变换、模式识别等常用信号处理技术，以及如何从数据中挖掘关键信息，例如识别特定声音、检测异常振动、分析图像中的物体等。 物联网（IoT）中的传感器网络： 随着物联网技术的飞速发展，传感器网络已经渗透到我们生活的方方面面。我们将探讨如何在低功耗、广域覆盖的网络环境中部署和管理传感器节点，以及如何将海量传感器数据传输到云端进行统一分析。 第三篇：无界之眼——现代传感技术的创新应用 在掌握了传感器的工作原理和数据处理技术之后，我们将把目光投向那些令人惊叹的创新应用，看看现代传感技术如何正在改变着我们的世界。 智能制造与工业自动化： 从生产线的实时监控、产品质量的无损检测，到机器人视觉导航、设备故障的预测性维护，传感器在提升生产效率、降低成本、保障安全方面发挥着不可替代的作用。我们将深入探讨机器视觉、工业物联网、智能传感器的具体应用案例。 智慧医疗与健康监测： 可穿戴设备对生命体征的实时监测，无创诊断技术的发展，远程医疗的实现，都离不开高精度、小型化的传感器。我们将关注生物传感器、医学成像技术、远程健康监测系统等方面的最新进展。 环境监测与可持续发展： 气象监测、水质分析、土壤健康评估、空气污染追踪，传感器为我们提供了了解和保护地球环境的有力工具。我们将探讨遥感技术、分布式传感网络在环境保护领域的应用。 自动驾驶与智能交通： 自动驾驶汽车的“眼睛”和“耳朵”——激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波传感器等，如何协同工作，实现对复杂交通环境的感知和决策？我们将深入分析这些关键传感器的作用。 虚拟现实（VR）与增强现实（AR）： 头部姿态追踪、手势识别、空间感知，VR/AR技术的发展离不开高精度惯性传感器、光学追踪系统以及深度传感器的支持。 科学研究的边界拓展： 从粒子物理实验到天文观测，从深海探测到太空探索，尖端的科学研究往往依赖于最先进的传感器技术来捕捉那些微弱的信号，揭示宇宙和物质的奥秘。 《探秘无形之境：现代传感技术与感知能力的革新》旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解我们如何通过不断进化的传感技术，更精准、更全面地“看见”和“听见”这个世界，从而解锁无限的创新可能，驱动科技进步，并最终改善人类的生活质量。这本书是一次知识的启迪，更是一场关于未来可能性的展望。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本书的时候，它的封面设计就给我一种沉稳而专业的印象，这让我对接下来的阅读充满期待。我一直对信息获取和信号分析的精细化处理非常着迷，尤其是当涉及到“超指向性”这个概念时，我脑海中会浮现出很多科幻电影中的场景：能够穿透墙壁的声波探测器，或者能够精准锁定目标的通信系统。我猜想，实现这种“超指向性”一定涉及到非常精妙的数学模型和物理原理。我迫切想知道，作者是如何将这些复杂的理论转化为易于理解的知识的。是会从基础的信号叠加和干涉原理讲起，然后逐步引入阵列的几何结构和权重分配，最终推导出超指向性的形成机制吗？我非常希望书中能够包含一些关于算法的讲解，比如如何设计合适的波束形成算法，以及如何优化这些算法以适应不同的应用场景。另外，在实际应用中，传感器阵列的性能往往受到多种因素的影响，比如传感器本身的误差、环境的随机干扰等等，我希望这本书能讨论这些挑战，并提供一些有效的解决方案，比如鲁棒性设计或者自适应波束形成技术。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字让我对它充满了好奇，因为它提到了“传感器阵列”和“超指向性”，这几个词组合在一起，听起来就相当高科技。我一直对如何精确地捕捉和聚焦信号很感兴趣，尤其是在声学和电磁领域。想象一下，一个能够像雷达一样精确扫描，或者像人类听觉一样敏锐地分辨声音来源的系统，这其中的技术细节一定非常复杂和迷人。我希望这本书能深入浅出地解释，究竟是什么样的原理使得传感器阵列能够实现“超指向性”。是不是像很多个小喇叭协同工作，然后通过复杂的算法来控制它们的声波叠加，从而形成一个极窄的声束？或者在电磁波领域，又是如何通过天线的精密排列和信号的处理来实现这种定向传输和接收的呢？我尤其期待书中能够有关于传感器阵列的设计、搭建以及信号处理流程的详细介绍，包括各种可能的拓扑结构、传感器类型选择的考量，以及如何克服实际应用中的各种干扰和噪声。如果能看到一些实际案例分析，比如在无人驾驶汽车、智能安防、医疗成像等领域的应用，那将是锦上添花。我希望这本书能够给我提供一个坚实的基础，让我对这个领域有更深刻的理解。

评分☆☆☆☆☆

当我看到这本书的名字时，我首先想到的是那些能够在嘈杂环境中精准捕捉微弱声音的设备，或者是在复杂电磁干扰下依然能稳定工作的通信系统。“传感器阵列”和“超指向性”这两个词汇组合在一起，给我一种突破了传统限制、达到全新高度的感觉。我很好奇，到底是什么样的物理原理和工程技术，能够让多个传感器协同工作，产生如此强大的指向性？我希望书中能详细介绍波束形成（beamforming）技术的具体实现，包括延迟-加和（delay-and-sum）、最小方差无失真响应（MVDR）等经典算法。同时，我也对实际的硬件设计和实现过程很感兴趣，比如如何选择合适的传感器（声学、光学、射频等），如何进行精确的同步和校准，以及如何集成到复杂的系统中。如果书中能包含一些案例研究，展示超指向性传感器阵列如何在军事侦察、声纳定位、医学成像（如超声波）等领域发挥关键作用，那将非常有启发性。

评分☆☆☆☆☆

这本《传感器阵列超指向性原理及应用》听起来就有一种探索未知边界的吸引力。我一直对如何将微小的信号放大并聚焦，或者如何将杂乱的信息提取出有用的部分感到着迷。特别是“超指向性”，这个词汇本身就暗示了一种极致的精度和效率。我脑海中立刻会联想到，是不是就像无数个细小的探针，能够精确地“听到”或“看到”某个特定方向的信息，而忽略掉其他方向的一切？这本书会不会详细解释，在阵列的构成上，传感器之间的间距、数量以及排列方式是如何影响其指向性的？又或者是，通过对传感器接收到的信号进行怎样的数学处理，例如傅里叶变换、相控阵技术等，才能实现如此精细的指向控制？我希望书中能够深入探讨不同类型的传感器阵列，比如线阵、圆阵、面阵等，它们各自的优势和劣势，以及在特定应用场景下如何选择最优的阵列结构。如果能看到一些关于算法设计和优化的讨论，比如如何通过机器学习的方法来动态调整阵列的指向，那就更好了。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字《传感器阵列超指向性原理及应用》直接点燃了我对前沿技术的好奇心。我一直觉得，能够将分散的、微弱的信息汇聚起来，并将其聚焦于一个精确的方向，这是一种非常强大的能力。就像一位技艺高超的指挥家，能够让无数个乐器和谐地演奏，最终呈现出令人惊叹的乐章。“超指向性”听起来就像是这种能力的极致体现，能够让传感器阵列在纷繁复杂的世界中，只“听”到或“看”到它想要的信息。我期待这本书能从最基础的物理概念入手，解释相干性、干涉、衍射等现象是如何与传感器阵列结合，从而产生指向性的。然后，我希望能看到关于阵列因子、权值设计以及不同波束形成算法的详细讲解。如果书中能够深入探讨如何通过数值仿真来优化阵列性能，以及如何克服实际应用中的各种挑战，比如传感器误差、环境噪声、多路径效应等，那就更完美了。