同心圆环阵列模态波束形成器设计

针对贝塞尔函数零点造成的模态波束形成器性能损失的问题,提出了基于均匀同心圆环阵列的模态波束形成器设计方法。从阵元域出发,建立了阵元域和圆谐波域之间的转换关系,推导了圆谐波域阵列信号处理表达式,其中重点推导了延时求和、最小方差无失真响应和多约束波束形成器的设计方法。理论证明了在平面各向同性噪声场中的基于同心环阵的圆谐波域最小方差无失真响应波束形成器等价于相位模式波束形成器。在该结论的基础上,综合考虑相位模式波束形成器在一定频率范围内的稳健性和指向性,提出了一种同心圆环阵列的内环半径优化方法。使用16元双环阵列对本文提出的波束形成算法进行仿真和实验,结果表明:同心圆环阵列能够较好地解决贝塞尔函数零点问题;其中多约束波束形成器能够在多个关联的性能指标之间取得合理的折衷,实现优于相位模式和延时求和波束形成器的声源定位性能。对内环半径优化方法进行仿真和分析结果表明,该方法得到了相较于传统方法更优的阵列结构。      

球体表面圆环阵模态域稳健高增益波束形成方法研究

通过对考虑障板影响下噪声互谱矩阵的精确求解,给出了一种计算刚性球体表面圆环阵阵增益的模型,并在此基础上提出了一种模态域二阶锥规划稳健高增益波束形成方法。该方法根据相位模态波束形成理论,将阵元域稳健加权向量转换为模态域的稳健模态系数,从而设计出不同模态阶数下的稳健高增益波束。由于采用了白噪声增益约束以及低频段较低的模态阶数,该方法提高了超增益波束形成器的稳健性。仿真结果表明该方法能够提供更多的稳健波束形成的方案,在多个关联的波束性能指标之间获得比常规方法和阵元域稳健性方法更合理的折衷。      

柱体表面圆环阵稳健高增益波束形成的模态域直接优化方法研究

以无限长刚性柱体表面圆环阵为研究对象,提出了一种直接模态域稳健高增益波束形成方法,并将其应用到更实际的有限长刚性柱体表面圆环阵。该方法运用相位模态理论将波束响应表示成特征波束与模态系数的乘积后求和的形式,并结合散射理论求解了其模态域的噪声互谱矩阵。与已有的模态域稳健高增益方法需利用阵元域权值间接求取近似模态权系数不同的是,该方法利用二阶锥规划,在满足相关约束条件下直接给出了最优的模态权系数。仿真结果表明,直接模态域方法不仅能通过白噪声增益约束提高稳健性,在低频段还能通过改变模态阶数更灵活地在阵增益和稳健性之间折中,同时对旁瓣级等其它性能指标也能很好地控制,可用以有效设计实用的稳健高增益波束形成器。      

波束域高分辨方位估计的方法、统计性能及水池实验结果

本文针对水声设备的实际应用，研究了波束域高分辨方位估计的MUSIC方法。首先分析了波束形成方法获得处理增益的原理，揭示了波束域高分辨方法具有较低分辨门限的机理；给出了波束域高分辨MUSIC算法，通过计算机仿真，比较了波束域和阵元域高分辨MUSIC法的统计性能，显示了波束域高分辨方法的优越性；进行了消声水池实验，结果表明波束域高分辨MUSIC法分辨力高，对阵列误差具有较大的宽容性。     

球谐域类正则化宽带超指向性波束形成算法

提出一种球谐域类正则化宽带超指向性波束形成算法,通过结合超指向性波束形成器与延迟求和波束形成器控制阵列白噪声增益和指向性因数,推导类正则化宽带超指向性波束形器的球谐域表达式。在此基础上设计新的可控指向性因数波束形成器,可在不显著放大低频白噪声的前提下实现设定的波束宽度。采用32元球阵的仿真结果表明,对于语音测试场景,类正则化波束形成器的最高PESQ得分相比于传统的超指向性波束形成器与延迟求和波束形成器分别提高了约0.5和0.4,平均词错率分别减少了约9.5%和8.1%。主观测试实验也表明类正则化波束形成器在方向性噪声和扩散场噪声环境下都可以获得更好的主观听觉感受。利用实验数据对算法性能进行测试,实验结果同样验证了该方法在实际声学环境中的有效性。      

水下线谱噪声源识别的波束域时频分析方法研究

从联合空时频三维信息从发, 提出了波束域时频分析识别水下运动航行器低频线谱噪声源位置的方法. 首先, 利用小孔径圆环阵的超指向性波束形成, 将各线谱噪声源匀速通过正横位置附近时产生的多普勒信号在时域上分离. 其次, 分别使用伪Wigner-Ville分布和调频小波变换两种时频分析方法对波束输出的信号进行处理, 得到各噪声源信号的时频图像. 最后, 转换时间坐标到空间并参考配置信标, 即可识别低频线谱噪声源在水下航行器上的位置. 该方法解决了阵列识别水下低频噪声源的孔径受限问题, 同时对处理同频相干噪声源也适用. 仿真试验结果表明: 两种波束域时频分析方法都能较精确地识别低频线谱噪声源的位置; 在测量系统信息的配合下, 波束域调频小波变换的识别效果更优.     

阵元随机均匀分布球面阵列联合噪声源定位方法

基于球面传声器阵列的噪声源定位方法,设计加工了阵元随机均匀分布64元球面传声器阵列,研究了球面近场声全息和球谐函数模态展开聚焦波束形成联合噪声源定位识别方法,对算法的性能进行了仿真分析,并利用球面传声器阵列进行了噪声源的定位识别试验.研究表明,阵元随机均匀分布球面阵列具有全空间稳定的目标定位性能,球面近场声全息对低频近距离声源具有较高的定位精度,球谐函数模态展开聚焦波束形成对高频远距离声源具有较高的定位精度,将两种方法联合进行声源的定位识别,可以在较小孔径的球面阵列和较少阵元的条件下,在宽频带范围内获得对目标声源良好的定位性能.     

陆架斜坡海域声场特性对常规波束形成阵增益的影响

常规波束形成是水下阵列信号处理中最基本的处理环节.陆架斜坡海域特殊地形所带来的水下声场变会影响阵增益.以往的研究中,只关注声场相关性对阵增益的影响.本文基于水声信号传播理论,研究常规束形成阵增益与陆架斜坡海域水下声场之间的关系,证明声场相关性和传播损失是影响阵增益的内在因素并推导了各向同性噪声场中常规波束形成阵增益与两者之间的关系式.结果表明:1)常规波束形成阵增益声场相关性和声传播损失共同决定,其最大值不超过10lg M;2)当两个不同接收位置的传播损失相似时,阵各阵元间的声场相关性越高,阵增益越大;3)当两个不同接收位置的传播损失相差较大时,阵增益与声相关性不再是正相关关系.利用RAM声场软件,在陆架斜坡海域上坡波导环境中,对水平阵常规波束形成增益与声场相关性和传播损失的关系进行仿真验证.     

稳健宽带波束形成器设计的低阶统计量法*

由于传声器阵列通常对阵元失配误差较为敏感,因此稳健波束形成器的设计已成为传声器阵列处理领域的研究热点之一。概率密度法是目前传声器阵列稳健波束形成器设计中的一类重要方法,但该方法所需的阵元失配误差的概率密度信息在实际中较难获取。针对这一问题,本文研究了基于阵元失配误差低阶统计量的稳健波束形成器设计方法,该方法仅利用在实际中较易获取的阵元失配误差的一阶和二阶统计量信息。本文分别研究了基于阵元失配误差低阶统计量的固定权和变加权最小二乘波束形成器设计,给出了两种波束形成器的相关设计理论。理论和仿真分析表明,在小误差条件下,低阶统计量法所设计的波束形成器仍保持与概率密度法相当的性能。     

基于超指向性多极子矢量阵的水下低频声源方位估计方法研究

针对水下低频声源的方位估计问题,基于基元紧密排列的二维矢量阵,建立了一种超指向性波束形成方法.根据矢量基元差分运算构建各阶多极子模型,获得了几乎与频率无关的模态函数,并经加权计算可在低频条件下实现超指向性波束,以解决阵列孔径对波束性能的限制.同时,结合输出信噪比最大准则所得波束,分析了超指向性波束形成算法的稳定性与波导的影响程度,探索模态阶数与阵列参数的选取原则.通过阵列性能的仿真计算与实际阵列的测量数据表明,该算法可在小尺寸阵列孔径下获得良好的阵列波束,兼具了水下线型超指向性阵和环形超指向性阵的优点,可有效实现水下低频声源的水平方位估计;且波束性能可通过调节模态阶数与基元间距以达到最佳,并受水下声波导多途与频散效应影响有限.