迭代总体最小二乘正则化的近场声全息方法研究

为有效解决近场声全息(Near-field Acoustic Holograph,NAH)技术在水下振动声源识别方法中面临不适定性问题,将平面NAH技术的声源识别过程转化为线性系统的求解过程,探明声源识别中不适定性问题产生的根源,考虑全息面测量声压和传递矩阵均存在误差,提出牛顿迭代的总体最小二乘(NTLS)正则化方法稳定NAH重建过程。新方法以TLS正则化算法为基础建立目标函数,将目标函数改化为具有凸函数的性质;然后采用具有二阶收敛速度牛顿迭代法求解;基于L曲线法特性,提出自适应迭代方法确定正则化参数。开展了NAH仿真和试验研究,提出构建良态传递矩阵的策略,最终验证了NTLS正则化的NAH技术在水下振动声源识别和定位中具有较好的精度。     

基于广义逆波束形成的扩展性噪声源定位误差影响因素仿真研究

实现噪声控制的前提是正确识别出主要的噪声源,研究噪声源空间指向性对于噪声源的辨识和预测有重大意义。为提高复杂声源的分辨率,以单极子点源形成扩展性声源表征噪声源,引进广义逆波束形成算法对扩展性声源进行声源定位。通过仿真计算,分析了广义逆波束形成(Generalized Inverse Beamforming,GIB)算法中麦克风阵列阵元数、测量距离对定位效果的影响,系统比较了去自谱算法和GIB算法对点声源、扩展性声源(5个紧密相连的单极子点源)的分辨率。仿真表明:GIB算法中定位效果受阵元数目影响不大,相对提高了点声源的定位精度,而且能分辨出扩展性声源。     

基于DAMAS2修正算法的旋转声源定位识别方法

针对常规束形成声源识别技术分辨率低、未考虑声源旋转运动造成的识别误差等问题,推导得到DAMAS2修正算法。该方法在原本的静止框架中加入转速,得到修正的指向矢量与波束形成修正结果,随后结合波束形成修正结果建立阵列点传播函数与真实声源位置之间的卷积关系,最终通过迭代求解获得真实声源位置。首先通过数值模拟构建两个频率及幅值均一致的对称点声源,对比分析常规波束形成算法与DAMAS2修正算法的识别效果,然后结合激光测速原理及波束形成测试理论进行旋转声源实验研究。结果表明:DAMAS2修正算法主瓣宽度小、虚假声源少,不仅可以识别出旋转声源的径向位置,而且能得到运动声源某一时刻的周向位置,能够更精确地定位识别旋转声源。     

基于信号分离技术的波束形成算法研究

波束形成算法具有计算效率高,计算结果稳定等优点,被广泛应用于噪声源定位。因此,对波束形成算法的深入研究及扩展具有重要的意义。特征值分解、相干输出谱分析等技术能够对被测信号进行分解,常用于信号分离和贡献量分析,具有广泛的研究与工程应用价值。结合上述信号分离技术,将特征值分解和相干输出谱分析应用于波束形成算法的前处理,提出基于特征值分解和相干输出谱的两种“衍生”波束形成算法。在此基础上,采用圆形二维传声器阵列对三个人工白噪声声源进行声源定位测试,数据分析结果验证基于特征值分解和相干输出谱的波束形成算法对声源识别和声源云图分离的有效性。两种算法均能够对声源云图进行有效分离,进而将各个声源云图与其激励源相关联。     

基于快速迭代柯西阈值的声场重建方法研究

在声源识别领域，稳定且准确识别目标声源是一项极具挑战性的任务，尤其在中、低频范围内，因此论文提出快速迭代柯西阈值算法在中、低频段实现鲁棒性较强的声源识别和定位。通过蒙特卡罗分析，与3种经典罚函数方法Tikhonov正则化方法、宽带声全息算法和内点法求解方法相比，所提出的方法在中、低频段获得了稳定的声压重建结果，平均重建误差在5%以下，对声源识别逆问题具有良好的距离适应性和信噪比适应性。     

基于压缩聚焦网格点的快速反卷积算法EI北大核心CSCD

为提升反卷积算法的计算效率,提出一种压缩聚焦网格点的快速反卷积算法。该算法基于函数波束形成的输出,根据设定的声源识别阈值,压缩参与反卷积算法循环的聚焦网格点数。算法融合了函数波束形成与相干声源图清晰算法CLEAN-SC(CLEAN based on spatial source coherence)的优点,可进一步提高多声源定位的空间分辨率,并有效降低算法计算时间。仿真和试验表明:所提算法对低于瑞利极限的不相干多声源具有良好的识别效果;试验中,与CLEAN-SC相比,所提算法的计算效率提升了约3.90倍。     

CLEAN-SC波束形成声源识别改进

CLEAN-SC波束形成声源识别方法计算速度快、成像干净清晰、结果准确度高,但当传统延迟求和算法在各声源处输出的主瓣严重融合时,亦无法准确分辨声源。造成该缺陷的原因为:主瓣严重融合时,CLEAN-SC所基于的延迟求和输出峰值所在聚焦点即为声源点的假设不成立。从源相干性角度,若某聚焦点处的延迟求和输出主要由某声源贡献时,该聚焦点可标示该声源,即基于该聚焦点的位置及强度信息可重构该声源在各传声器处产生声压的互谱矩阵。鉴于此,以CLEAN-SC识别的声源为初值迭代寻找正确的声源位置及强度,每次迭代中,最小化其余声源与某一声源的波束形成贡献的比值为每个声源选择标示点,根据标示点更新声源。仿真及试验均证明:所给方法比传统CLEAN-SC具有更高分辨率,使近距离低频率声源的准确识别变得可行。     

压缩感知波束形成算法性能分析

波束形成声源识别技术具有测量速度快、计算效率高等优点,被广泛应用。因为其"主瓣"过宽造成空间定位精度低,"旁瓣"既高又多导致出现许多"鬼影"声源,从而限制其得到进一步应用。为解决以上问题,利用压缩感知理论中贪婪算法对信号的重建方法,改进常规波束形成算法,提出一种压缩感知波束形成方法。对单极子声源和相干声源进行声源识别数值模拟仿真,结果表明:与函数波束形成方法相比,压缩感知波束形成方法在识别单极子声源和相干声源时,定位精度更高,更能使旁瓣得到有效衰减,分辨率提升更大,并能够大幅缩短识别时间,具有一定的研究意义。     

基于SOC规划的稳健盲波束形成算法

通过限制估计的方向向量与真实的方向向量之间的误差范数的边界,提出了一种基于二阶锥（Second Order Cone,SOC）规划的稳健四阶累积量盲自适应波束形成算法。该算法相较于采用传统对角加载技术的高阶累积量盲波束形成算法和WCPO-RCUM算法而言,进一步提高了稳健性和输出信干噪比。计算机仿真实验表明,该算法具有很好的稳健性。     

共轭梯度最小二乘迭代正则化算法在冲击载荷识别中的应用

结构动载荷识别反问题是典型的病态问题,需要应用正则方法克服其病态特性而获得稳定的解。与直接正则化算法Tikhonov方法相比,共轭梯度最小二乘(Conjugate Gradient Least Squares,CGLS)迭代算法在载荷识别反问题的正则化过程有无须对传递矩阵求逆、无须明确正则化参数的优点。提出共轭梯度最小二乘迭代正则化算法和启发式迭代收敛终止准则,用于三自由度仿真模型和壳结构试验模型的冲击载荷识别,并与经典的Landweber迭代正则化算法和直接正则化算法Tikhonov方法比较。仿真和实验结果表明:CGLS迭代正则化算法在识别精度、收敛速度、计算效率和抗噪性方面有明显优势。     

波束形成声源识别技术研究进展

波束形成作为一种空间声场可视化技术在声源识别领域得到广泛的研究和应用。概述了传声器阵列测量和波束形成后处理算法的发展历程,分析了其特点,总结了其发展方向,主要包括：声源识别性能更优的传声器阵列开发和算法改进、声源识别的适应性提高、波束形成结果不确定度的研究、基于声品质的声源成像及可视化研究等。对波束形成声源识别技术的认识及进一步的研究提供参考。     

基于不动点迭代的增广拉格朗日声源识别算法EI北大核心CSCD

等效源法近场声全息是进行声源识别的重要方法。传统的基于Tikhonov正则化方法局限于相对低的频率,进行高频声源的声场重建时效果较差,而基于最速下降法的宽带声全息(wideband acoustic holography,WBH)方法则在中高频效果较好。为了拓宽声场重建的频率范围并提高声源识别分辨率,提出一种基于增广拉格朗日方法(augmented Lagrangian method,ALM)的等效源法声源识别算法,该方法将L1范数正则化模型转化为增广拉格朗日方程的最小化问题,并应用不动点迭代求解得到声源强度。通过仿真与试验表明,与Tikhonov正则化、WBH和快速迭代收缩阈值算法(fast iterative shrinking threshold algorithm,FISTA)三种方法对比,所提方法适用于更宽的频率范围,且对不同的全息距离和信噪比具有很好的适应性。     

基于复等效源法与最速下降的广义逆波束形成

针对指向性声源定位问题,提出一种基于复等效源法与最速下降相结合的广义逆波束形成方法。该方法首先将声场分解成一系列本征模态,然后利用复等效源拟合各阶本征模态,并通过残差梯度范数最小化迭代求解源强,最后通过本征模态叠加实现声场成像。通过圆形活塞声源和偶极子声源仿真,验证了该方法的有效性。与L1范数广义逆波束形成方法相比,该方法具有更好的聚焦性和更高的分辨率。实验结果进一步证明了该方法的有效性和优越性。     

一种有效抑制阵列后方声源的心形指向性传声器阵列

基于心形指向性传声器的波束形成可以有效抑制阵列后方声源的干扰,提高前方声源的识别精度。以平面轮形传声器阵列为对象,借助MATLAB仿真计算,对阵列后方声源波束形成声源识别特性及其抑制方法进行研究。基于除自谱的互谱波束形成算法提出了含有传声器指向性的波束形成算法,对圆形和心形指向性传声器进行不同声源类型的波束形成仿真计算,并针对仿真结果显示出的不足,给出了既能保证阵列平面上最大声压贡献量的识别精度,又能降低旁瓣水平的幅值校正算法。试验结果证明了基于心形指向性传声器的波束形成可以有效抑制后方声源。     

扩展性噪声源定位的空间谱估计仿真研究

波束形成是列车噪声源定位的常用方法,但在低频条件下分辨率较差,对扩展性声源的识别效果不佳.我们以扩展性声源为研究对象,理论推导了去自谱算法的扩展源模型.信噪比分别为-5dB和5dB时,通过比较分辨率和信源间隔的关系,对CBF、MVDR、MUSIC三种算法的稳健性进行定性分析,发现MVDR算法的分辨率受信噪比影响最小、稳健性较好.还系统地比较了MVDR算法和去自谱算法对单点声源、扩展性声源的定位效果,仿真表明,去自谱算法能有效抑制旁瓣效果(最大旁瓣级比MVDR算法低7.4dB),更适用于扩展性声源的定位.     

基于高阶次Cross Sensor处理的波束形成方法

为得到鲁棒性、高分辨波束形成,提出了一种高阶次Cross Sensor处理方法。该方法依据阵元间协方差矩阵同一斜对角线上不同元素具有相同相位差的特点,对协方差矩阵进行M阶次Cross Sensor处理后可虚拟出近(2~M-1)(N-1)个虚拟阵元(N为原始阵元数)。虚拟阵元的增加可扩大线阵有效孔径,降低波束形成主瓣宽度,提高方位分辨率。在Cross Sensor处理过程中,该方法对协方差矩阵同一斜对角线上不同元素进行了叠加运算,可进一步削弱噪声对波束形成的影响,提高了波束形成鲁棒性。数值仿真和海上试验结果表明,该方法既能有效降低波束形成主瓣宽度,提高方位分辨率,又可削弱方位历程图干扰背景。相比已有的逆波束形成,该方法具有较好的方位分辨率;相比已有的基于AR模型的高分辨逆波束形成,该方法对最低门限信噪比的要求较低,方位估计均方误差较小。     

非对称矩阵结构系统固有值分析的广义逆迭代法

本文提出一种求解非对称矩阵结构的固有值的数值方法-通过广义的逆迭代过程把一个大型非对称的二次特征值问题简化为小型的标准特征值问题.算法不涉及复数运算,也不需把n阶的二次问题变换为2n阶的线性问题.迭代是在原n阶规模上进行,从而保持了系统各矩阵稀疏、带状的特点.节省了存储量和计算机时.数值实验表明本方法具有良好的稳定性和精度.     

总体最小二乘正则化算法的载荷识别

载荷识别中存在病态矩阵求逆的不稳定性将导致解严重失真。在总体最小二乘(Total Least Squares TLS)算法的思想上进行Tikhonov正则化,构造载荷识别的目标函数。然后利用共轭梯度(Conjunction Gradient CG)法解算该目标函数的最优化问题,提出一种算法易实现、收敛性能好、存储量小,且能全面考虑随机误差影响的CG-TLS正则化算法。经仿真和试验探讨了传递函数矩阵病态产生的原因,借助条件数优选振动响应点,最终检验CG-TLS正则化算法与常用的两种正则化算法在不同噪声水平时载荷识别的效果。结果表明,CG-TLS正则化算法载荷识别效果最优,与真实值吻合好,并具有良好的鲁棒性。因此,应用CG-TLS正则化算法实现载荷识别极具实际意义。     

交叉层波束形成方法的发动机噪声源识别

发动机噪声源分布复杂,来源多,用人耳很难分辨,利用传声器阵列的噪声源识别技术可以为发动机噪声控制提供客观依据和指导。使用波束形成声源识别方法,对位于不同平面的多个声源进行了仿真识别,并研究了多维声源识别方法,使用交叉层法得到了声源定位的立体结果。结果显示,交叉层法可以有效消减或去除来自识别表面之外的声源在识别表面的虚假投影。最后,针对某发动机产品,使用平面传声器阵列对其上、前、左、右四个面分别进行一次变转速工况时域声压信号采集,使用互谱矩阵波束形成算法,得到各转速下发动机各表面的声源分布图像,并通过交叉层法得到了发动机表面声源的立体分布,准确将声源定位至发动机表面各部件。     

航空发动机风扇管道径向声模态模拟与识别技术

针对航空发动机风扇管道径向声模态模拟与测试问题,研究了径向声模态模拟技术以及径向声模态识别技术。采用基于径向排布的声源阵列形式,调节阵列预设的各扬声器幅值及相位实现径向模态声源模拟。建立声源管道下游多圈环形阵列,根据阵列位置信息构造求解模态的传递函数矩阵,运用Tikhonov正则化方法减小传递函数矩阵的条件数,从而实现径向声模态识别能力。通过理论推导和数值计算,设计风扇管道径向声模态试验装置,并在消声室进行试验验证。通过试验验证了该系统具备周向4阶以内,径向2阶以内的径向声模态模拟与识别能力。