用数据矩阵分解确定多噪声源的频率和位置

本文提出利用均匀线阵接收的数据构造一种矩阵进行奇异值分解，以对频率、方位两参数进行分离估计，用频率谱估计出声源频率，用方位谱估计出声源方位角。并在此基础上改变变阵列中心位置确定噪声源位置，计算机模拟和声学实验证明了上述方法的可行性。     

改进的波束形成方法及其在运动声源定位中的应用研究

对行驶车辆辐射声场的阵列信号处理理论进行了应用性研究。参照空间域信号相关函数理论,提出基于相关函数的波束形成方法。通过系统仿真验证,利用该理论进行的空间信号扩展可以使信号接收阵列所需的传声器数目大幅降低,同时对声源定位结果精度影响不大。     

MUSIC与MNM在均匀圆阵的方位估计性能比较

圆阵作为具有360o全向方位角搜索能力的阵型,可以同时对信源方位角和俯仰角进行分辨,因此,采用圆形基阵的系统有更广的空间搜索能力。多重信号分类法（MUSIC）和最小模算法（MNM）同属于子空间分解类算法,具有不受阵型限制的优点。就二者在均匀圆阵（UCA）方位估计性能上进行了比较研究,结果表明：随着信噪比或阵元数的增加,MUSIC性能均要优于MNM。     

应用于传声器阵列定位校准的空间点声源声场拟合方法

介绍了一种用于传声器阵列声源定位精度校准的空间点声源声场模拟方法,并基于该方法设计了一套空间点声源模拟系统,完成了一个传声器阵列的定位位置精度校准。文章采用多通道点声源空间声场合成算法模拟了一个位于自由场空间的点声源,根据传声器阵列中每一个传声器的空间位置坐标,计算出传感器所处位置声场的动态声信号。通过耦合腔标准声源将对应的多通道电压信号输入被校准阵列系统,完成点声源的模拟。然后,该阵列运用波束形成算法进行声源定位,得出点声源的位置,并与模拟点声源的位置进行比对,实现对阵列定位准确性的校准。     

空间散射电磁波的波达方向估计

基于均匀圆阵，提出一种空间散射电磁波的波达方向估计方法。直接利用均匀圆阵的阵列流形，采用最小二乘算法估计二维方向角，并且分析了最小二乘估计算法的数值稳定性。此方法充分利用了均匀圆阵的良好性能，对信号类型具有鲁棒性。计算机仿真证明了此方法的有效性。     

阵列形式及阵元失效对统计最优近场声全息重建结果的影响分析

为探究阵列形式以及阵元失效两种阵列因素对声场重建结果的影响,基于统计最优近场声全息(Statistically Optimal Near-field Acoustical Holography,SONAH)理论,仿真计算了网格阵列、圆形阵列、均布非规则阵列的声场重建结果。得出:网格阵列和均布非规则阵列都能准确识别声源位置,圆形阵列不能用于SONAH声场重建;模拟研究了典型失效模式下阵元失效产生的影响,结果表明:阵元失效后在失效点处会出现伪声源,其大小与失效点和声源距离有关。由此给出并分析了阵元失效的补偿方法,基于该方法对典型失效模式进行了算例仿真并分析计算了重建误差限,结果显示:采用该方法能消除伪声源,较好地识别声源位置。从而验证了该方法的有效性,为实际工程测量提供了指导与借鉴。     

浅海倾斜海底声场空间相关性研究

针对浅海倾斜海底海洋环境,对声场的空间相关性进行了研究。利用抛物方程法,对浅海声场的空间相关系数进行数值模拟,并结合2001年东中国海中美联合实验数据,分析了声场空间相关系数与海底倾斜角度、接收阵元与参考阵元的间隔、参考阵元深度及声源深度之间的关系。对于上坡海底,浅海声场空间相关性随着海底倾斜角度、接收阵元与参考阵元间隔的变大而变弱,且垂直相关系数随着接收阵元与参考阵元间隔的增大,先衰减再出现起伏。     

用数据矩阵的SVD法确定声源频率和方位时的一种误差校正方法

本文利用均匀线阵接收信号构造的数据矩阵的奇异值分解对频率和方位两参数进行分离估计,并针对实际阵列中存在的三种模型误差,提出一种基于辅助源的校准方法。声学实验证实了上述方法的可行性。     

运动物体噪声场分解的传递路径声全息方法

声全息及波束成形技术可以通过对阵列噪声信号处理,获得运动物体表面声场的分布。如果物体中声源相距较近或声源相关性较高,该方法不能有效区分每个声源对目标表面声场的贡献。提出了一种基于声源特征的传递路径声全息方法。该方法同时采集外场阵列面信息及物体上声源参考信息,在声源识别过程中,结合声源传递路径对采样面信息分解,然后采用声全息技术重建声源,实现声源识别和声场分解。介绍了该方法的识别过程,并与传统的声全息方法进行多声源仿真对比;最后应用该方法进行了实际汽车噪声源的分解。结果表明,该方法能有效识别并分离出运动物体的噪声源。     

分布式传声器阵列的低频宽带信号方位估计

现有的预防道路交通安全事故、治理道路交通噪声污染等问题的解决方案是从视觉维度监控重点区域并通过声音维度确定事件触发类型与位置。为了实现公路异常声源的实时监测,提出了一种基于双尺度旋转不变信号参数估计旋转不变子空间技术(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)的低频宽带声源波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计算法,该算法适用于三个矩形子阵呈三角形分布的分布式阵列。算法利用该分布式阵列具有的子阵内相邻阵元间距、相邻子阵间距两种尺度对应的空间平移不变性分别进行方向余弦估计,并利用基于阵型分布的解模糊策略实现高精度方位估计。仿真结果验证了算法的有效性,表明了基于该算法的分布式阵列DOA估计精度优于相同阵元数与阵元间距的单个均匀矩形阵,分析了估计精度与分布基线长度的关系,体现了算法的实际工程应用价值。     

Subspace‐based techniques for 2‐d DOA estimation with uniform circular array under local scattering

Abstract

In mobile communication systems, local scatterers in the vicinity of the sources cause angular spreading of radiating signals as seen from a base station antenna array. Thus, the base station antenna array is typically situated on the roof of a high building away from potential multipath reflectors. The uniform circular array (UCA) geometry provides 360° azimuthal coverage and also provides information on source elevation angles. We consider the problem of two‐dimensional (azimuth and elevation) direction‐of‐arrival (DOA) estimation with UCA. In the multipath scenario, the base station antenna can receive many coherent signals that cause the array manifold to be different from the conventional array manifold model. Herein, parameters of the spatial signature in the presence of local scattering are presented which apply to UCA. Then, we present a fast searching technique to improve the efficiency of the MUSIC algorithm for two‐dimensional DOA estimation. The fast signal subspace‐based estimation method utilizes the ESPRIT algorithm and then adopts sequential one‐dimensional searching to save computational cost. Several simulation results are included for illustration and comparison.     

矢量水听器阵列自适应子空间跟踪算法

矢量水听器能同时共点获得声场中声压和振速,与其他水听器相比,能获得更多的信息量,具有很好的应用前景。矢量水听器阵列的MUSIC算法能实现360°无模糊方位估计,然而对于方位时变的目标源,该算法很难完成对上述目标源方位进行实时跟踪估计。鉴于此,将MALASE算法和MUSIC算法相结合,提出了一种矢量水听器阵列的自适应子空间跟踪算法。仿真结果表明,该算法既保留了MUSIC算法的性能,又实现了对目标源进行实时跟踪估计,且方位估计误差仅为0．4°左右。     

基于图像处理器的传声器阵列实时声成像方法

为了解决传声器阵列用于声场分析时的精确且快速声成像的技术难题,提出了一种利用图像处理器(Graphics Processing Unit,GPU)的通用计算技术实现快速声成像算法。可控响应功率算法是广泛应用的一种声源定位算法,但计算量巨大,阻碍了它在实际场合中的应用。通过将可控响应功率算法进行任务分解及线程映射,实现了利用计算统一设备架构实现的基于GPU的可控响应功率声源成像定位算法,在特定阵元通道数和信号长度情况下,与基于CPU的声源定位计算方法相比,综合计算效率提高了约20倍,并将其成功地应用于平面螺旋阵的声成像应用中,实现了实时声成像定位。     

矢量水听器宽带多途信号仿真及俯仰角估计性能研究

以声线理论为基础,建立了发射波形已知的声场振速信号的有限差分数值计算模型。在保证精度的前提下,仿真宽带信号所需的计算量和运算时间都大大减少,可满足实时处理的需要。通过仿真分析了浅海环境下近、远场的多途信号的到达结构及其对矢量水听器俯仰角定向性能的影响。研究结果表明：多途相干信号给矢量水听器的俯仰角估计带来严重误差,应该寻求匹配场处理或者其它信号处理技术提取直达波以改善其性能;使用等声速剖面近似弱负梯度声速剖面,对声压信号和垂直振速信号时域波形影响较小,但对水平振速的时域波形影响很大。     

信号相位匹配原理的低空目标测向实验

利用自行设计的圆柱阵和圆台阵,对基于信号相位匹配原理的奇异值分解（SVDSPM,Singular Value Decompo-sition Based on Signal Phase Matching Principle）算法的低空测向性能进行了外场实验研究。分析了在圆柱阵和圆台阵两种条件下,SVDSPM算法的空间谱以及均值、绝对误差、方差、均方根误差等方位估计的统计误差,并与CBF（Con-ventional Beamforming）和MUSIC（Multiple Signal Classification）算法的性能进行了比较。实验结果表明,利用圆柱阵和圆台阵两种阵型,SVDSPM方法的指向性均较为尖锐。与CBF和MUSIC算法相比,SVDSPM算法对俯仰角估计的均方根误差最小,圆柱阵时为1.9°,圆台阵时为3.3°。     

阵列测量中的卡尔曼滤波器算法

针对经典波束形成算法不具备实时性、占用存储空间大、计算速度慢等缺点,提出了基于卡尔曼滤波器的算法。这种算法将信号处理领域中现有的卡尔曼滤波器理论与阵列信号处理过程相结合,在频域内对声学阵列所采集到的数据进行迭代处理,不仅能够及时发现风洞测量中存在的各种问题,而且可以实时消除由测量环境所引起的各种误差。仿真结果表明,这种算法比经典波束形成算法收敛速度更快,不仅成像效果很好,而且能够对低速运动声源进行定位。此算法具备实时性,为风洞声源的实时定位提供了重要的算法选择。     

刚性曲面障板散射对多模球形水听器测向的影响

文章将板块元法应用于收-发分置时近场散射声场的计算,讨论了存在刚性曲面障板时障板散射对多模球形水听器测向的影响。研究结果表明,刚性曲面障板会使水听器在某些方位出现较大的测向误差,此时目标信号频率和俯仰角变化也会对测向产生较大的影响。存在刚性曲面障板时,等效声中心不对称对测向误差的影响较小,而等效声中心不共面对测向误差的影响要比不对称时明显得多。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。