一阶指向可调差分阵列的前后向比分析与优化设计

一阶指向可调差分传声器阵列具有尺寸小、主瓣指向灵活可调、以及阵列响应不随频率变化等优点,因而在音频处理领域得到了重要关注。但差分传声器阵列对阵元失配误差较为敏感,在实际设计中需要予以考虑。前后向比直接反映了传声器阵列对后向噪声干扰的抑制程度,是差分传声器阵列设计中的重要指标。本文从理论上深入剖析了失配误差对一阶指向可调差分传声器阵列前后向比性能的影响,揭示了其中蕴含的规律。在此基础上,针对实际中同时存在随机失配误差情况,提出了一种最差性能优化设计方法。仿真实验和实测实验验证了本文理论分析的正确性和所提优化设计方法的有效性。      

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。     

多项式结构宽带波束形成器的性能分析及其改进

首先从理论上分析了多项式结构宽带波束形成器的鲁棒性能。分别从传声器失配误差影响下阵列波束图扰动的统计分析以及白噪声增益分析两个方面揭示了影响多项式结构宽带波束形成器鲁棒性能的内在规律。发现当波束主瓣指向处于可调范围边缘时,与指向中心相比,多项式结构波束形成器的鲁棒性能变差。然后分析了影响多项式结构宽带波束形成器阵列指向性指数的主要因素,指出了多项式结构的截断误差会导致宽带波束形成器的主瓣指向出现偏差,进而造成阵列指向性指数性能下降。为了克服现有设计结构存在的缺陷,提出了一种具有波束主瓣指向自校正能力的改进设计结构。与现有设计结构不同,所提出的设计结构中的调向功能模块能够充分反映出波束期望指向和实际指向之间存在的非线性关系,避免了现有设计方法因采用线性调向功能模块而造成较大波束指向偏差的问题,有效改善了多项式结构宽带波束形成器的性能。      

光纤放大器阵列的远场特性研究

从光纤激光器阵列相干合成远场光强分布的解析表达式出发，详细研究了阵列占空比、阵元个数以及阵元的相位误差对相干合成远场图样分布、中心主瓣的角宽度及所占能量的影响. 给出了占空比为12.5%时，三路保偏光纤放大器相干合成的实验结果. 关键词： 光纤激光器阵列 相干合成 相位     

水声工程中基于均匀圆阵列的涡旋声波性能分析*

声波作为信息和能量的载体,一直以来在水下通信中被广泛采用,但尚未解决带宽窄、速率低的问题。在光学领域和电磁波领域,轨道角动量都表征了螺旋相位结构的自然属性;通过引入轨道角动量到声学领域中,水声通信系统的传输能力以及频谱效率都得到扩展。基于换能器圆阵列产生涡旋声波进行分析和检测,研究涡旋声波波束的阵列产生方法,给出涡旋声波波束在水下传播的特性。在主轴方向,采用均匀圆阵列产生不同拓扑模式的涡旋声波波束,确定轨道角动量拓扑模式与换能器阵列之间的对应关系;为生成不同拓扑模式下的涡旋声波,研究阵列单元数目、阵列半径、传输频率等对涡旋声波的影响。通过研究发现模式数越高,涡旋声波主瓣波束角越大,主瓣峰值越小。阵列半径越大,主瓣波束角越大,而主瓣峰值则随着阵列半径的增大而减小;频率越高,主瓣波束角越小,主瓣峰值变化不大;阵列单元数对主瓣波束角无影响,但与主瓣峰值成正比关系,阵列单元数越多,主瓣峰值越大。     

256阵元高强度聚焦超声相控阵系统误差与多焦点模式精确控制

对一种256阵元中心开孔凹球面二维相控阵合成三维多焦点声场进行了系统的误差分析,总结了阵元激励信号的幅度和相位误差对声场参数的影响规律,为上百阵元相控阵驱动控制提供了设计容差依据.分析表明:上百阵元相控阵在声场合成能力方面具有很强的鲁棒性,5位相位量化精度足以保证合成声场的有效性,误差主要影响声场焦域能量的分布,通过提高相控阵发射总声功率等途径降低幅度误差百分比可以有效减弱固定方差的幅度误差的影响.     

周期性极化铌酸锂波导全光开关特性分析

从理论方面研究了基于和频与差频级联二阶非线性效应的周期性极化铌酸锂波导全光开关的特性,给出了耦合模方程在满足相位匹配条件下小信号近似的解析表达式.用数值方法求解耦合模方程,讨论了相位失配情况下输出的信号光功率与控制光功率的关系.分析了全光开关器件的极化反转光栅周期、晶体温度、控制光波长等参量的容差特性与相互作用长度和晶体温度的关系 关键词： 级联二阶非线性 光开关 准相位匹配 周期性极化铌酸锂     

联合宽带到达方向估计和语音特征增强的传声器阵处理方法

以提高室内混响环境下自动语音识别(ASR)性能为目标,讨论了一种小尺寸传声器阵处理方法.该方法采用基于旋转不变技术的信号参数估计算法(ESPRIT)计算宽带语音信号到达方向角,进行时延补偿;同时联合考虑阵列滤波与隐马尔可夫模型(HMM)识别过程,将识别输出结果反馈到前端的传声器阵处理,优化阵列滤波系数.与常规阵处理方法改善信号波形质量不同,本文通过调节阵列滤波系数降低待识别特征与训练模型之间的失配,直接提高识别过程中正确假设的概率.实验结果表明,上述方案能够有效降低会议室环境下孤立词有限词库ASR的错误概率,表现优于常规波束形成方法;采用全局优化进行阵列滤波设计,与局部优化算法相比,进一步改善了处理性能.     

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。      

非均匀钹式换能器平面阵指向性特性研究

针对钹式基阵工作频率低、布阵紧凑导致阵元之间互干扰严重、指向性能退化的现象,本文在均匀平面基阵的基础上提出强度可调节的非均匀平面基阵,建立了基阵指向性能的数学模型,通过数值计算的方法分析阵元间距和中心阵元声强度变化对基阵指向性能的影响。研究给出了主瓣宽度、旁瓣个数、栅瓣个数随阵元间距的变化规律,总结了在各种工作频率下,基阵可用的最大阵元间距。研究结果表明:中心阵元强度增大时,基阵的总体指向性稍有降低。所以当通过调整阵元间距和强度来优化基阵指向性能时,应综合考虑它们对基阵其它性能的影响,以获得最佳的总体性能。     

Optimal array pattern synthesis for broadband arrays

Broadband beamformers with constant mainlobe response over the frequency of interest are desirable in many applications including underwater acoustics, ultrasonics, acoustic imaging and communications, and so on. Solutions to this problem have been presented for specific array geometry often requiring a larger number of sensors. And the array pattern synthesis error minimization is employed for the whole field of view, which leads to suboptimal designs. In this paper, a broadband array pattern synthesis approach to designing time-domain constant mainlobe response beamformer is proposed. By imposing constraints both on the mainlobe spatial response variation over frequency and on the sidelobes of the beamformer, several optimization criteria are presented and the corresponding convex second-order cone programming implementations are given. In this approach, no preliminary desired beampattern is required and the beam responses variation minimization is employed only in the mainlobe region and not in the sidelobe regions, which improves the beamformer mainlobe synthesis accuracy. Equally, one can obtain lower sidelobes at the same mainlobe synthesis accuracy. This approach is applicable to arrays with arbitrary geometry. Simulation and experimental results are presented to illustrate the effectiveness of this approach. Performance comparisons of the proposed beamformers and the existing beamformer are also provided.     

Design of robust broadband beamformers using worst-case performance optimization for time-domain spherical microphone arrays

Spherical array modal beamformers are known to be sensitive to microphone mismatches. To combat the problem, robust design of spherical broadband beamformers with the time-domain implementation structure using the Worst-Case Performance Optimization(WCPO) is studied. It is shown that the conservativeness of the upper error bound on beamforming response is the primary factor to degrade the performance of the existing WCPO-based approach. Then an improved design approach for spherical broadband beamformers is presented using a stricter upper error bound on beamforming response. Theoretical analysis shows that the cost function of the proposed design is smaller and the range of feasible set of the proposed design is also larger when compared with the existing design. Moreover, a scheme on constraint specification has been proposed to reduce fluctuation of beamforming response over frequency at steering direction to alleviate signal distortion. Simulation results show that the proposed design outperforms its existing counterparts and exhibits a lower sidelobe level under the same condition of microphone mismatches.     

时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计

针对球面阵模态域波束形成器对传声器失配误差敏感的问题,研究了时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计。揭示了波束响应误差上界的保守性是影响现有最差性能优化方法性能的主要原因,进而提出了一种波束响应误差上界更为紧凑的优化设计方法。理论分析表明,与现有最差性能优化方法相比,所提出方法的代价函数更小、且可行解的范围也更大。针对最差性能优化设计方法存在的波束指向上阵列响应随频率变化波动偏大而引起信号失真的问题,还给出了一种减小波束图在指向方向上受信号频率影响的约束方法。仿真分析结果表明:在相同传声器失配误差条件下,所提出的设计方法要优于现有方法,得到的波束图具有更低的旁瓣级。      

旁瓣约束下期望主瓣幅度响应迭代波束设计

研究了旁瓣约束下的期望主瓣幅度逼近问题,其包含双边绝对值不等式结构,为非凸波束设计问题。针对传统的多约束优化算法难以处理非凸结构,提出了两种迭代算法。一种对原优化问题作局域线性近似,将非凸约束转换为仿射约束,进而迭代局部二阶锥规划问题求解原问题。另一种通过引入辅助变量构建增广拉格朗日函数,将加权向量与各约束解耦合,交替迭代求解关于原变量、主瓣辅助变量与旁瓣辅助变量的三个子优化问题以给出初始非凸问题的解。针对子优化问题,通过灵活运用拉格朗日乘子技术构建了低复杂度求解方案。采用仿真和实测阵列流形验证设计效果,结果表明,所提两种迭代算法可实现主瓣幅度逼近,合成平顶波束图,且对阵型无依赖性。交替迭代法耗时显著低于迭代二阶锥规划法。      

Retrofocusing techniques in a waveguide for acoustic communications

In the paper "Retrofocusing technique for high rate acoustic communications" [M. Stojanovic, J. Acoust. Soc. Am. 117, 1173-1185 (2005)], it is suggested that the time reversal approach requires a large number of array elements to compete with other approaches. Here the analysis of that paper is extended with a modified example to compare the performance of various approaches in three respects: (1) array element distribution across the water column, (2) channel normalization, and (3) phase delay across the array. In contrast, our results show that the time reversal approach combined with channel equalization can offer nearly optimal performance with a very small four element array.     

基于时间反演电磁波的稀疏阵列单频信号空间功率合成

基于时间反演技术, 建立了稀疏阵列单频信号相干合成的数学模型, 定义了合成效率函数概念, 推导出合成信号幅度最大时刻目标点合成效率值的统计特征与相位误差及阵元数的关系表达式, 并通过理论分析与仿真计算研究了相位误差对时间反演单频信号合成效果的影响. 分析表明, 当其他参数确定时, 假设相位误差服从一定范围的均匀分布, 且相互独立, 则峰值功率时刻的合成效率均值与阵元数无关, 仅与误差分布范围有关; 峰值功率时刻的合成效率方差与两者均相关, 且误差分布范围确定时, 阵元数越大, 峰值功率时刻的合成效率方差越小. 仿真计算结果表明, 即使存在一定的相位误差, 利用时间反演技术, 仍可实现单频信号在目标点邻域的相干合成及能量聚焦; 对相位误差的控制精度应结合需求与实现条件折中考虑. 本文的方法与结论可为研究稀疏阵列功率合成在高功率微波武器等技术中的应用提供理论依据.     

Gutzwiller study of spin-1 bosons in an optical lattice under a magnetic field

We study spin-1 bosons in an optical lattice under a magnetic field with the Gutzwiller approximation for the Bose-Hubbard model. Phase boundary curves between superfluids and Mott insulators depend continuously on the magnetic field, and this provides better results than those obtained with the perturbative mean-field approximation. The phase boundary curve as a function of magnetic field has a sharp cusp structure under certain circumstances. In superfluid phases, both the spin magnetizations and fluctuations in the total number of bosons show strong magnetic field dependence, which is related to the fact that both first-and second-order transitions appear on the phase boundary curve according to the magnetic field.     

基于时间反转的复杂声场拾声传声器阵列性能研究

探讨时间反转技术在复杂声场传声器阵列拾声中应用的可行性及其机理,给出其一般规律和性能。研究表明:在自由空间中,其拾声性能与频率,阵列形状和半径有关,频率越高,半径越大,拾声效果越好。在普通房间中,在语音频段内,圆弧阵列在预定目标点处的阵列增益性能要比离预定目标点约25 cm远处的位置处大5 dB以上。在普通房间和混响室中的实验验证了上述结论。