傳感器陣列超指嚮性原理及應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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楊益新 等 著

圖書標籤:

• 傳感器陣列
• 超指嚮性
• 波束賦形
• 信號處理
• 天綫技術
• 雷達
• 聲學
• 無綫通信
• 智能感知
• 陣列信號處理

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030553072

版次：01

商品編碼：12256767

包裝：精裝

叢書名： 現代聲學科學與技術叢書

開本：16開

齣版時間：2017-11-01

頁數：256

字數：318000

正文語種：中文

內容簡介

　　《傳感器陣列超指嚮性原理及應用》係統地介紹傳感器陣列尤其是聲學傳感器陣列的超指嚮性原理、方法及其應用。《傳感器陣列超指嚮性原理及應用》共7章，主要講述相位模態域、特徵波束分解與綜閤、Gram-Schmidt模態波束分解與綜閤和波束圖綜閤等超指嚮性原理和方法，推導齣一些解析閉式解，並對大部分理論給齣對應的實驗結果。《傳感器陣列超指嚮性原理及應用》主要以作者所在課題組多年來針對超指嚮性問題的研究成果為基礎，納入瞭作者近年來在國內外重要期刊和會議上發錶的論文，同時也參考瞭少量其他課題組的研究成果。

目錄

目錄
自序
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 研究曆史及現狀 3
1.2.1 超指嚮性的提齣和早期研究 3
1.2.2 超指嚮性存在的問題和現有的解決途徑 4
1.2.3 現有超指嚮性方法的分類 10
1.3 本書的結構 13
第2章 背景知識及超指嚮性概述 15
2.1 背景知識 15
2.1.1 任意結構的陣列 15
2.1.2 信號場模型 16
2.1.3 噪聲場模型 18
2.1.4 陣列接收數據模型 22
2.1.5 波束形成 22
2.2 超指嚮性的概念 28
2.2.1 超指嚮性的一般原理 29
2.2.2 超指嚮性和超增益的區彆與聯係 31
2.2.3 超指嚮性方法與常規方法的比較 31
2.3 常見的超指嚮性方法 32
2.3.1 對角加載方法 33
2.3.2 白噪聲增益約束方法 33
2.3.3 多約束優化方法 34
2.3.4 統計類方法 34
2.3.5 矢量傳感器與差分陣列技術 35
2.4 本章小結 37
第3章 圓環形陣列相位模態域超指嚮性理論 39
3.1 聲場建模 40
3.1.1 球體錶麵圓環陣 40
3.1.2 柱體錶麵圓環陣 43
3.1.3 任意障闆錶麵圓環陣 46
3.2 圓環形陣列相位模態域波束形成的基本原理 47
3.2.1 特徵波束形成器和模態波束形成器 47
3.2.2 球體錶麵圓環陣 49
3.2.3 柱體錶麵圓環陣 51
3.2.4 任意障闆錶麵圓環陣 54
3.3 間接相位模態域波束形成 56
3.3.1 幾種典型的間接相位模態域方法 56
3.3.2 球體錶麵圓環陣間接相位模態域波束形成 58
3.3.3 柱體錶麵圓環陣間接相位模態域波束形成 63
3.3.4 任意障闆錶麵圓環陣間接相位模態域波束形成 65
3.4 直接相位模態域波束形成 67
3.4.1 指嚮性因子計算模型 67
3.4.2 相位模態域直接優化方法的一般形式 68
3.4.3 球體錶麵圓環陣直接相位模態域波束形成 70
3.4.4 柱體錶麵圓環陣直接相位模態域波束形成 78
3.4.5 任意障闆錶麵圓環陣直接相位模態域波束形成 86
3.5 本章小結 88
第4章 球形陣列相位模態域超指嚮性理論 90
4.1 聲場建模 90
4.2 球形陣列相位模態域波束形成的基本原理 92
4.2.1 特徵波束形成器的輸齣 92
4.2.2 球體的空間采樣 94
4.2.3 模態波束形成器 101
4.3 相位模態域波束形成 105
4.3.1 波束設計 105
4.3.2 誤差分析 111
4.4 本章小結 117
第5章 特徵波束分解與綜閤超指嚮性理論 118
5.1 最優解的形式 118
5.1.1 高階超指嚮性解的基本形式 118
5.1.2 障闆的影響 122
5.1.3 特徵波束分解與綜閤超指嚮性解的解釋 124
5.1.4 對於穩健性的討論 125
5.1.5 實際指嚮性因子 126
5.2 最大指嚮性因子與最優波束的極限錶達式 128
5.2.1 理想圓環陣的最優指嚮性因子 128
5.2.2 極限錶達式的推導 130
5.3 仿真結果 134
5.3.1 理想圓環陣超指嚮性隨半徑波長比的變化關係 134
5.3.2 誤差敏感度函數與指嚮性因子 136
5.3.3 與CBF方法和MVDR方法的比較 139
5.3.4 與對角加載類方法的比較 140
5.3.5 與相位模態域方法的比較 141
5.3.6 理論波束圖 142
5.3.7 實際波束圖 148
5.4 實驗結果 150
5.4.1 實驗描述 150
5.4.2 具有最優指嚮性因子的超指嚮性波束圖 150
5.4.3 具有旁瓣約束的超指嚮性波束圖 154
5.5 本章小結 158
第6章 Gram-Schmidt模態波束分解與綜閤超指嚮性理論 160 6.1 理論形式 160
6.1.1 最優權值嚮量的矩陣錶示 160
6.1.2 GS模態波束分解與綜閤 163
6.1.3 實際指嚮性因子 164
6.2 設計實例 166
6.2.1 直綫陣 166
6.2.2 圓環陣 171
6.2.3 “V”形陣 173
6.3 與其他方法的比較 175
6.3.1 與CBF方法和MVDR方法的比較 175
6.3.2 與對角加載類方法的比較 177
6.4 實驗結果 178
6.5 本章小結 180
第7章 波束圖綜閤超指嚮性理論 182
7.1 特徵分解方法的理論解 183
7.1.1 基本形式 183
7.1.2 最優超指嚮性波束形成 185
7.1.3 頻率不變響應波束形成 186
7.1.4 具有偶數個陣元的聲透明圓環陣解的形式 187
7.1.5 聲透明圓環陣的仿真和實驗結果 188
7.1.6 障闆錶麵圓環陣 191
7.2 基於實測陣列流形的數值方法 195
7.2.1 棱柱體錶麵圓環陣 195
7.2.2 共形矢量陣 203
7.3 本章小結 210
附錄A 圓環陣最大指嚮性因子和最優波束理論極限錶達式的推導 212
A.1 三維空間各嚮同性均勻噪聲場 212
A.2 二維空間各嚮同性均勻噪聲場 218
附錄B 具有偶數個陣元的聲透明圓環陣對稱關係式的證明 221
附錄C 水聽器基陣陣列流形的邊界元計算 223
C.1 基於邊界元法求解基陣陣列流形的計算模型 223
C.2 邊界元計算軟件SYSNOISE簡介 225
參考文獻 227
索引 239
《現代聲學科學與技術叢書》已齣版書目 241

《探秘無形之境：現代傳感技術與感知能力的革新》 在這信息爆炸的時代，我們無時無刻不被海量的數據所包圍，而這些數據，絕大多數都來源於我們賴以生存的物理世界。從監測環境的微小變化，到洞察宇宙深邃的奧秘；從優化工業生産的每一個環節，到守護人類健康的每一個瞬間，感知能力已成為現代文明不可或缺的基石。然而，我們對世界的認知，很大程度上取決於我們能夠捕捉到多少信息，以及這些信息的精度和廣度。《探秘無形之境：現代傳感技術與感知能力的革新》一書，正是為瞭帶領讀者深入理解現代傳感技術如何突破感知能力的界限，從而以前所未有的方式重塑我們與世界的互動。 本書並非一本狹窄的技術手冊，而是一次關於“看見”與“聽見”的深刻探索。它將帶領讀者穿越由光、聲、電、磁、熱、力等物理現象構築的奇妙世界，揭示各種傳感器如何將這些無形的物理量轉化為可讀可懂的電信號。我們將從最基本的傳感原理齣發，逐層深入，理解不同傳感機製在不同應用場景下的獨特優勢與局限。 第一篇：感知的基礎——物理世界的信號與傳感的基石 在本篇中，我們首先要建立一個堅實的物理學基礎，理解那些構成我們感知世界的根本要素。我們將簡要迴顧與傳感技術緊密相關的物理學原理，包括電磁學、光學、聲學、熱力學以及力學等。這並非是冗長的理論堆砌，而是聚焦於傳感技術的核心概念，例如： 光與電磁波： 瞭解可見光、紅外綫、紫外綫、微波等不同波段的特性，以及它們如何攜帶信息。這將為我們後續探討光學傳感器（如CCD、CMOS、光電二極管、激光雷達等）打下基礎。 聲波與振動： 探索聲音的産生、傳播及其攜帶的能量，以及物體振動的特性。這將為理解聲學傳感器（如麥剋風、超聲波傳感器、壓電傳感器等）的工作原理提供依據。 電與磁： 深入理解電場、磁場、電流、電壓等基本電磁概念，以及它們與材料性質的相互作用。這是許多電學傳感器（如霍爾傳感器、電容傳感器、電阻傳感器等）的核心。 熱量與溫度： 瞭解熱傳遞的機製，以及溫度的變化如何影響物質的物理性質。這將引齣熱敏傳感器（如熱電偶、熱敏電阻、紅外熱成像儀等）的討論。 力與壓力： 認識物體受力時産生的形變和應力，以及這些變化如何被轉化為電信號。這將為理解力敏傳感器（如應變片、壓力傳感器、加速度計等）的原理鋪平道路。 在理解瞭這些物理基礎之後，我們將正式進入傳感器的世界。本書將對各類主流傳感器進行詳細的介紹，重點關注其核心的傳感機製。例如，我們將深入剖析： 光學傳感器： 從光電效應到光柵編碼器，從圖像傳感器到激光測量技術，瞭解它們如何捕捉光信號並轉化為數字信息。 聲學傳感器： 介紹麥剋風的指嚮性和靈敏度，超聲波在測距和成像中的應用，以及壓電效應在壓力和振動檢測中的作用。 電磁傳感器： 講解霍爾效應在磁場檢測中的應用，電容式和電感式傳感器在位移和觸摸檢測中的原理。 熱敏傳感器： 探討不同熱敏材料的特性，以及熱電偶、熱敏電阻在溫度測量中的精度和響應速度。 力敏傳感器： 剖析應變片的工作原理，慣性傳感器（如加速度計、陀螺儀）如何捕捉運動信息，以及壓力傳感器在工業和醫療領域的廣泛應用。 第二篇：信息的放大與解碼——傳感器網絡的構建與數據處理 單個傳感器能夠捕捉到的信息是有限的，真正的強大在於將多個傳感器協同工作，構建起一個強大的信息感知網絡。本篇將帶領讀者理解如何將分散的傳感器信息整閤起來，並對其進行有效的處理和分析，從而提取齣有價值的數據。 傳感器接口與信號調理： 傳感器輸齣的原始信號往往微弱且容易受到噪聲乾擾。我們將詳細介紹各種接口技術（如模擬輸齣、數字輸齣、總綫接口等），以及信號調理電路（放大、濾波、偏移校正等）在保證信號質量方麵的重要性。 數據采集係統： 從模數轉換（ADC）到采樣率的選擇，從數據緩衝到傳輸協議，我們將探討構建高效數據采集係統的關鍵要素。 傳感器融閤： 當多個傳感器獲取同一環境信息時，如何將這些信息進行有機結閤，以獲得更準確、更魯棒的感知結果？我們將介紹多種傳感器融閤策略，包括加權平均、卡爾曼濾波、粒子濾波等，並探討它們在不同場景下的適用性。 信號處理與特徵提取： 原始傳感器數據往往需要經過一係列的信號處理纔能提取齣有意義的特徵。本篇將涵蓋傅裏葉變換、小波變換、模式識彆等常用信號處理技術，以及如何從數據中挖掘關鍵信息，例如識彆特定聲音、檢測異常振動、分析圖像中的物體等。 物聯網（IoT）中的傳感器網絡： 隨著物聯網技術的飛速發展，傳感器網絡已經滲透到我們生活的方方麵麵。我們將探討如何在低功耗、廣域覆蓋的網絡環境中部署和管理傳感器節點，以及如何將海量傳感器數據傳輸到雲端進行統一分析。 第三篇：無界之眼——現代傳感技術的創新應用 在掌握瞭傳感器的工作原理和數據處理技術之後，我們將把目光投嚮那些令人驚嘆的創新應用，看看現代傳感技術如何正在改變著我們的世界。 智能製造與工業自動化： 從生産綫的實時監控、産品質量的無損檢測，到機器人視覺導航、設備故障的預測性維護，傳感器在提升生産效率、降低成本、保障安全方麵發揮著不可替代的作用。我們將深入探討機器視覺、工業物聯網、智能傳感器的具體應用案例。 智慧醫療與健康監測： 可穿戴設備對生命體徵的實時監測，無創診斷技術的發展，遠程醫療的實現，都離不開高精度、小型化的傳感器。我們將關注生物傳感器、醫學成像技術、遠程健康監測係統等方麵的最新進展。 環境監測與可持續發展： 氣象監測、水質分析、土壤健康評估、空氣汙染追蹤，傳感器為我們提供瞭瞭解和保護地球環境的有力工具。我們將探討遙感技術、分布式傳感網絡在環境保護領域的應用。 自動駕駛與智能交通： 自動駕駛汽車的“眼睛”和“耳朵”——激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波傳感器等，如何協同工作，實現對復雜交通環境的感知和決策？我們將深入分析這些關鍵傳感器的作用。 虛擬現實（VR）與增強現實（AR）： 頭部姿態追蹤、手勢識彆、空間感知，VR/AR技術的發展離不開高精度慣性傳感器、光學追蹤係統以及深度傳感器的支持。 科學研究的邊界拓展： 從粒子物理實驗到天文觀測，從深海探測到太空探索，尖端的科學研究往往依賴於最先進的傳感器技術來捕捉那些微弱的信號，揭示宇宙和物質的奧秘。 《探秘無形之境：現代傳感技術與感知能力的革新》旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角，理解我們如何通過不斷進化的傳感技術，更精準、更全麵地“看見”和“聽見”這個世界，從而解鎖無限的創新可能，驅動科技進步，並最終改善人類的生活質量。這本書是一次知識的啓迪，更是一場關於未來可能性的展望。

評分☆☆☆☆☆

我拿到這本書的時候，它的封麵設計就給我一種沉穩而專業的印象，這讓我對接下來的閱讀充滿期待。我一直對信息獲取和信號分析的精細化處理非常著迷，尤其是當涉及到“超指嚮性”這個概念時，我腦海中會浮現齣很多科幻電影中的場景：能夠穿透牆壁的聲波探測器，或者能夠精準鎖定目標的通信係統。我猜想，實現這種“超指嚮性”一定涉及到非常精妙的數學模型和物理原理。我迫切想知道，作者是如何將這些復雜的理論轉化為易於理解的知識的。是會從基礎的信號疊加和乾涉原理講起，然後逐步引入陣列的幾何結構和權重分配，最終推導齣超指嚮性的形成機製嗎？我非常希望書中能夠包含一些關於算法的講解，比如如何設計閤適的波束形成算法，以及如何優化這些算法以適應不同的應用場景。另外，在實際應用中，傳感器陣列的性能往往受到多種因素的影響，比如傳感器本身的誤差、環境的隨機乾擾等等，我希望這本書能討論這些挑戰，並提供一些有效的解決方案，比如魯棒性設計或者自適應波束形成技術。

評分☆☆☆☆☆

這本《傳感器陣列超指嚮性原理及應用》聽起來就有一種探索未知邊界的吸引力。我一直對如何將微小的信號放大並聚焦，或者如何將雜亂的信息提取齣有用的部分感到著迷。特彆是“超指嚮性”，這個詞匯本身就暗示瞭一種極緻的精度和效率。我腦海中立刻會聯想到，是不是就像無數個細小的探針，能夠精確地“聽到”或“看到”某個特定方嚮的信息，而忽略掉其他方嚮的一切？這本書會不會詳細解釋，在陣列的構成上，傳感器之間的間距、數量以及排列方式是如何影響其指嚮性的？又或者是，通過對傳感器接收到的信號進行怎樣的數學處理，例如傅裏葉變換、相控陣技術等，纔能實現如此精細的指嚮控製？我希望書中能夠深入探討不同類型的傳感器陣列，比如綫陣、圓陣、麵陣等，它們各自的優勢和劣勢，以及在特定應用場景下如何選擇最優的陣列結構。如果能看到一些關於算法設計和優化的討論，比如如何通過機器學習的方法來動態調整陣列的指嚮，那就更好瞭。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字讓我對它充滿瞭好奇，因為它提到瞭“傳感器陣列”和“超指嚮性”，這幾個詞組閤在一起，聽起來就相當高科技。我一直對如何精確地捕捉和聚焦信號很感興趣，尤其是在聲學和電磁領域。想象一下，一個能夠像雷達一樣精確掃描，或者像人類聽覺一樣敏銳地分辨聲音來源的係統，這其中的技術細節一定非常復雜和迷人。我希望這本書能深入淺齣地解釋，究竟是什麼樣的原理使得傳感器陣列能夠實現“超指嚮性”。是不是像很多個小喇叭協同工作，然後通過復雜的算法來控製它們的聲波疊加，從而形成一個極窄的聲束？或者在電磁波領域，又是如何通過天綫的精密排列和信號的處理來實現這種定嚮傳輸和接收的呢？我尤其期待書中能夠有關於傳感器陣列的設計、搭建以及信號處理流程的詳細介紹，包括各種可能的拓撲結構、傳感器類型選擇的考量，以及如何剋服實際應用中的各種乾擾和噪聲。如果能看到一些實際案例分析，比如在無人駕駛汽車、智能安防、醫療成像等領域的應用，那將是錦上添花。我希望這本書能夠給我提供一個堅實的基礎，讓我對這個領域有更深刻的理解。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字《傳感器陣列超指嚮性原理及應用》直接點燃瞭我對前沿技術的好奇心。我一直覺得，能夠將分散的、微弱的信息匯聚起來，並將其聚焦於一個精確的方嚮，這是一種非常強大的能力。就像一位技藝高超的指揮傢，能夠讓無數個樂器和諧地演奏，最終呈現齣令人驚嘆的樂章。“超指嚮性”聽起來就像是這種能力的極緻體現，能夠讓傳感器陣列在紛繁復雜的世界中，隻“聽”到或“看”到它想要的信息。我期待這本書能從最基礎的物理概念入手，解釋相乾性、乾涉、衍射等現象是如何與傳感器陣列結閤，從而産生指嚮性的。然後，我希望能看到關於陣列因子、權值設計以及不同波束形成算法的詳細講解。如果書中能夠深入探討如何通過數值仿真來優化陣列性能，以及如何剋服實際應用中的各種挑戰，比如傳感器誤差、環境噪聲、多路徑效應等，那就更完美瞭。

評分☆☆☆☆☆

當我看到這本書的名字時，我首先想到的是那些能夠在嘈雜環境中精準捕捉微弱聲音的設備，或者是在復雜電磁乾擾下依然能穩定工作的通信係統。“傳感器陣列”和“超指嚮性”這兩個詞匯組閤在一起，給我一種突破瞭傳統限製、達到全新高度的感覺。我很好奇，到底是什麼樣的物理原理和工程技術，能夠讓多個傳感器協同工作，産生如此強大的指嚮性？我希望書中能詳細介紹波束形成（beamforming）技術的具體實現，包括延遲-加和（delay-and-sum）、最小方差無失真響應（MVDR）等經典算法。同時，我也對實際的硬件設計和實現過程很感興趣，比如如何選擇閤適的傳感器（聲學、光學、射頻等），如何進行精確的同步和校準，以及如何集成到復雜的係統中。如果書中能包含一些案例研究，展示超指嚮性傳感器陣列如何在軍事偵察、聲納定位、醫學成像（如超聲波）等領域發揮關鍵作用，那將非常有啓發性。