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。     

结合精确阵列响应控制的时域宽带波束图综合

提出了采用时域结构的低计算复杂度宽带波束图综合方法。首先,引入自适应零陷波束设计思想,通过在特定频率与角度设置虚拟干扰源,实现对旁瓣区域阵列响应的精确控制,多次迭代控制后满足波束设计要求。其次,所提方法能够在现有波束设计基础上实现灵活调整,根据旁瓣级等设计参数的变化快速更新波束图。理论研究表明,相较现有采用内点法的波束图综合方法,所提方法降低了单次迭代计算复杂度,有效提升了波束设计效率。仿真实验与半消声室实验结果表明,该方法所设计波束形成器相较传统固定波束形成器具有更低的旁瓣级,并且对方向性干扰有更好的抑制效果。     

时域宽带恒定束宽波束形成的实验研究

由于实际水声系统中的阵列模型往往与理想阵列模型失配,导致基于理想阵列模型设计的时域恒定束宽波束形成器所形成的波束图在实际应用中严重畸变,从而不能有效地抑制旁瓣干扰和无失真地接收宽带信号。本文利用水池实验说明阵列模型失配对基于理想阵列模型设计的时域恒定束宽波束形成器的影响,并提出一种有效的设计方法以减小这种影响,即通过实际测量,获得包含失配信息在内的实际阵列模型,并将该模型应用到时域恒定束宽波束器的设计当中。实验结果表明,基于实际阵列模型的设计可以有效地减小由于阵列模型失配带来的影响,这对设计实际系统可以使用的时域恒定束宽波束形成器具有重要的意义。     

融合插值点优化的多项式结构宽带波束形成器设计方法

多项式结构设计方法是主瓣指向可调宽带波束形成器设计的一类重要方法。多项式结构的阶数是有限的,导致主瓣实际指向与期望指向之间存在偏差,因而影响了波束形成器的指向性指数。针对这一问题,该文提出了一种基于插值点优化的多项式结构宽带波束形成器设计方法。首先,引入多项式结构插值点处阵列响应的空间导数约束,以减小主瓣指向偏差;进而利用粒子群优化算法对多项式结构中的插值点进行优化,以充分利用插值点位置提供的自由度进一步提升多项式结构宽带波束形成器的性能。优化设计结果表明,与现有设计方法相比,该文提出的方法不仅降低了主瓣的指向偏差,同时也提高了指向性指数,有效改善了多项式结构宽带波束形成器的性能。     

协方差矩阵重构的稳健自适应波束形成算法

针对协方差矩阵含有期望信号成分以及波束指向角失配时,传统自适应波束形成器性能严重下降的问题,提出了协方差矩阵重构的稳健自适应波束形成算法。该算法将全空域划分成若干互不重叠的区域,分别对应干扰区域与信号区域,先利用Capon波束形成器对干扰区域积分,由此构造出干扰协方差矩阵。然后,利用标准Capon波束形成器的波束域MUSIC谱估计法对信号区域积分,重构出信号协方差矩阵,以其主特征向量作为期望信号导引向量估计。由于算法重构了干扰加噪声协方差矩阵并对导引向量进行了修正,保证了自适应波束形成器的性能。理论分析和仿真实验结果表明,算法在训练数据含有期望信号成分和波束指向角度失配情况下具有良好的性能。     

一种低复杂度的稳健自适应波束形成

稳健自适应波束形成可以解决经典自适应波束形成在非理想条件下(如存在方位失配、阵元位置误差、非平面波传播等)性能下降的问题,因而受到广泛关注,但目前多数稳健自适应波束形成方法计算复杂度高,在高信噪比时性能下降。为此,研究提出了一种分别重构干扰协方差矩阵和噪声协方差矩阵的低复杂度的稳健自适应波束形成方法,以减小计算量,提高稳健性。仿真实验表明,该算法能获得近似最优的输出信干噪比和更好的稳健性。     

基于最差性能优化的运动声源稳健聚焦定位识别方法研究

基于被动合成孔径原理,提出了一种具有高稳健性的运动声源高分辨聚焦定位识别方法.该方法采用综合优化手段,通过矢量最大似然聚焦定位算法生成虚拟阵列坐标及数据矩阵,进而利用基于最差性能优化的稀疏虚拟阵列聚焦算法,获取稳健的高分辨定位识别效果.理论及仿真研究表明,该方法对于非匀速运动以及与基阵存在运动倾角的复杂情况具有较强的适用性,聚焦空间谱表现出更大的动态范围、更为尖锐的聚焦峰尺度以及更强的背景噪声起伏压制能力.湖上试验进一步验证,在高分辨最小方差信号无畸变响应法(MVDR)聚焦算法动态范围仅为3.5 dB的相 关键词： 稳健性 运动噪声源定位识别 矢量阵 最差性能优化     

宽带波束形成器的设计与实现

综述了宽带波束形成器的没计与实现问题,归纳出一种统一的窄带(子带)波束优化设计方法——多约束优化设计法,并推广为FIR宽带波束形成器统一优化设计法。阐述了频域DFT宽带波束形成器结构及其子带波束加权向量设计方法,以及时域FIR宽带波束形成器结构及其各通道FIR滤波器的设计方法,对几种具有代表性的方法的原理与性能进行了分析与比较。所归纳出的统一设计法将很多现有的波束设计法纳入统一框架体系,使之成为它的一个特例,可以满足多样化频域子带与时域宽带波束形成器设计的需求,提供灵活的波束设计准则,且设计精度高。子带与FIR宽带多约束统一设计法的优越性能在稳健旁瓣控制恒定主瓣响应自适应波束形成器设计问题中得到了充分的体现。     

基于时延估计的分裂阵时域波束形成技术

大孔径拖曳线列阵受舰艇横向机动、洋流影响和水动力影响时会产生一定的阵形畸变,阵形畸变使得波束形成时阵列流型失配,进而降低了目标方位分辨率和阵处理的增益。在无法进行阵形估计时,基于时延估计的分裂阵时域波束形成技术将大孔径拖曳线阵分为左右两个子阵分别做波束形成,通过加权广义相关时延估计算法估算对应波束的时延差,再依据估算时延差对左右两个波束进行延时求和得到最终的波束信号。仿真和海试数据证明,相对于全阵直接做波束形成的方法,基于时延估计的分裂阵的时域波束形成技术有效提高了目标方位分辨率和阵处理的增益。     

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.     

一种分布式双麦克风线阵声源定位方法

分布式麦克风阵列由于比传统的单阵列具有更大的空间孔径,可以获得更好的声源定位性能,因此基于分布式麦克风阵列的声源定位方法成为当前麦克风阵列领域研究的热点之一。本文研究了一种基于分布式双麦克风线阵的声源定位方法,并进行了系统实现,从理论上剖析了该算法的定位精度与单阵列定向误差以及声源位置之间的关系,而且还揭示了声源高度扰动对该算法定位精度的影响。最后,分别通过仿真实验和实际定位系统的测试结果,验证了本文理论分析的正确性。     

A comparison of measured room acoustics metrics using a spherical microphone array and conventional methods

The traditional microphone configuration used to measure room impulse responses (IRs) according to ISO 3382:2009 is an omnidirectional and figure-8 microphone pair. IRs measurements were taken in a 2500-seat auditorium to determine how the results from a spherical microphone array (an mh acoustics Eigenmike-em32) compare to those from the traditional microphone setup (a Brüel & Kjær Type-4192 omnidirectional microphone and a Sennheiser MKH30 figure-8 microphone). Measurements were obtained at six receiver locations, with three repetitions each in order to first evaluate repeatability. The metrics considered in this study were: reverberation time (T30), early decay time (EDT), clarity index (C80), strength (G), lateral energy fraction (J_LF) and late lateral energy level (L_J). Before calculating these quantities, the IRs were filtered to equalize the frequency response of the microphones and sound source. For the spherical array measurements, the omnidirectional (monopole) and figure-8 (dipole) patterns were extracted using beamforming. In terms of repeatability, the average standard deviation of the three measurements at each receiver location averaged across all metrics, receivers, and octave bands was found to be 0.01 just noticeable differences (JNDs). The analysis comparing the measurements from the two microphone configurations yielded differences which were less than 1 JND for the majority of metrics, with a few exceptions of EDT and C80 slightly above 1 JND. Based on this case study, these results indicate that spherical microphone arrays can be used to obtain valid room IR measurements, which will allow for the development of new metrics utilizing the higher spatial resolution made possible with spherical arrays.     

脉冲天线阵列时域辐射场快速计算的简化方法

采用有源单元方向图思想,在考虑互耦情况下,将大型脉冲阵列天线各单元的时域方向图用相似环境下小型阵列的有源单元方向图来等效,进而叠加计算辐射总场。以此为基础,结合时域辐射原理改进了上述方法。通过公式推导得出：一个大型线阵或大型平面阵的时域辐射场可分别通过两个小型线阵或四个小型平面阵的时域辐射总场计算得到,避免了传统方法中小阵有源单元方向图逐元提取的繁琐操作。采用上述方法分别计算了一个13元线阵和一个1113元平面阵列,计算结果与软件仿真结果吻合良好,与传统的小阵外推方法相比,直线阵列和平面阵列的计算量分别减少了56.8%和81.17%。     

频率不变波束形成器抽头稀疏化设计的交替方向乘子法

针对具有空间响应变化函数约束的频率不变波束形成器设计问题,提出了采用交替方向乘子法实现抽头稀疏设计的优化算法。该算法利用交替方向乘子法能够将原始优化问题进行分裂处理的特点,通过引入替代变量和指示函数,使得表征波束形成器抽头稀疏度量的非凸L₀范数与阵列响应约束分离,进而将问题分裂到元素层级并给出近邻算子的解。对于指示函数的近邻算子求解,在分裂到元素层级后则退化为简单的双边约束问题,因而降低了优化求解的计算复杂度。仿真分析表明,提出的方法比现有的L₁范数方法在宽频带条件下的抽头稀疏度能够提升6%~13%,通带最大波动误差减小了约2 dB,并且优化消耗时间更短。实验结果进一步验证了所提方法在实现高抽头稀疏度波束形成的同时,对声信号造成的失真更小。因此,所提出的方法在降低传声器阵列波束形成器的实现复杂度以及保持阵列响应的频率不变性能方面更具有优势。     

Improving the performance of a photonic crystal ring-resonator-based channel drop filter using particle swarm optimization method

The optical channel drop filters (CDFs) based on photonic crystals (PCs) are believed to be the essential components for compact photonic integrated circuits and WDM systems. One of the promising designs for a PC-CDF is based on the photonic crystal ring resonators (PCRRs). In this study, different parameters of a PCRR based CDF is optimized by using the particle swarm optimization (PSO) method in conjunction with the numerical method of two-dimensional (2D) finite-difference time-domain (FDTD) in a square lattice dielectric-rod 2D-PC. Hence a PC-CDF with ideal drop efficiency, large free spectral range (FSR) and acceptable quality factor will be proposed.