基于时延估计的麦克风阵列一致性分析

基于麦克风阵列的声源定位技术广泛应用于现场录音及会议通信等领域.常用的麦克风阵列声源定位技术中,时延估计是一种硬件成本低、计算量小且易于实现的算法.影响麦克风阵列时延估计的因素很多,麦克风阵列阵元的一致性性能是其中之一.基于相位变换的广义互相关算法,提出了一种新的麦克风阵列阵元一致性估计指标.构建3组阵元一致性指标不同的麦克风阵列,开展了对实际声源的角度估计.计算麦克风阵列对声源角度的估计时延和声源角度的理想时延之间的差值,建立了其与声源角度估计误差的方差关系,提出了基于时延估计误差的麦克风阵列阵元一致性估计指标,并验证了该指标在麦克风阵列阵元选择上的实际指导意义.     

不同类型的平面相位共轭阵聚焦点声源研究

针对不同类型的平面相位共轭阵聚焦效果不同的问题,通过理论分析和数值仿真讨论了圆周阵、十字阵和矩形阵聚焦自由场点声源的特点,并进行试验验证.测量声压采用单极子阵发射,测量振速采用偶极子阵发射.在距离声源的极近距离、近场和远场处,三种平面阵在相同的阵列尺寸、相同的阵元个数和相近的阵元间距的情况下,通过数值仿真对比其聚焦的空间分辨率和旁瓣干扰的情况.结果表明:在近场和远场中,以测量振速采用偶极子阵发射的圆周阵聚焦效果最好;极近距离处,以测量声压采用单极子阵发射的圆周阵聚焦空间分辨率最高,但旁瓣干扰最大;扩大圆周阵和十字阵的阵列尺寸能够提高其聚焦的空间分辨率.     

基于压缩感知的频率不变波束旁瓣水平优化方法

频率不变波束形成技术属于恒定束宽波束形成,能解决宽带信号中不同频率分量对应的波束响应不一致的问题.针对现有的一类将恒定主瓣宽度作为约束条件的频率不变波束形成方法,当阵元个数确定以后,形成的波束旁瓣水平往往达不到实际需求的问题,借助压缩感知理论,提出了一种改善波束旁瓣水平的新方法.提出的方法引入压缩感知理论(compressed sensing,CS)进行信号的预处理,并利用二阶锥规划(second order cone programming,SOCP)进行频率不变波束形成.由于压缩感知的恢复算法可以对压缩采样矩阵采集的信号进行精确重构,从而达到以更少的阵元获得相同的波束形成器性能.换言之,在相同的阵元个数条件下,通过阵列虚拟扩展增大了阵列的孔径,提出的方法比基于SOCP的频率不变波束形成方法有更低的旁瓣水平,仿真结果也表明了该方法的有效性,在相关的工程实践中具有一定的参考价值.     

结合ICA预处理的麦克风阵列语音增强系统

在强背景噪声和强反射环境中,麦克风阵元接收的信号质量很差,从而影响麦克风阵列语音增强系统的性能．我们利用ICA对麦克风阵元接收信号进行分析,这种ICA预处理可以有效抑制背景噪声和回声,真实环境中的实验表明,ICA预处理能够显著改善麦克风阵列语音增强系统的性能．     

基于压缩感知和约束随机线阵的声源方位估计

为解决声源方位估计中因阵元个数受限导致角度分辨率低的问题,提出以多约束均匀分布线性随机阵列为基础的随机线阵压缩感知(MC-Uni-RLA+CS)声源方位估计方法。研究了在不同信噪比、不同入射信号个数情况下本方法的识别精度,比较了均匀线阵压缩感知(ULA+CS)方法和MC-Uni-RLA+CS方法在不同入射角度范围内的识别精度。通过数值仿真与同类方法对比验证了该方法的有效性和优越性。结果表明:相同麦克风数量条件下,与CBF、MVDR、MUSIC和ULA+CS方法相比,MC-Uni-RLA+CS方法在低信噪比情况下分辨率更高,完全正确角度识别范围拓宽为[-50°,50°],且低噪比时鲁棒性好。     

一种空间锥形六元麦克风阵列及其定位精度

为了满足声学预警系统全空域定位的需求,设计一种锥形六元麦克风阵列并分析其定位性能。定位算法和误差公式是由理论推导得出,并作出了误差变化关系图分析其定位精度。分析结果表明,锥形六元阵具备全空域定位能力,测角精度较高,并且消除了有效声速和阵形参数对角坐标估计精度的影响,但测距能力较差,要加大阵元间距和提高时延估计精度才能解决。     

准自适应波束形成法及其仿真

为解决智能天线中自适应波束形成算法复杂且难以实现的问题,提出一种准自适应波束形成法.基于均匀分布天线阵方向性图主瓣最窄、二项式分布天线阵在阵元间距为λ/2时方向性图无副瓣的特性,将均匀分布和二项式分布天线阵的方向性函数相乘并展开,得到主瓣窄、副瓣低的天线阵加权系数的计算公式.仿真结果表明,该算法计算量小,所得天线阵方向性图主瓣窄、副瓣低,基本能抑制主瓣之外的所有干扰,且其主瓣指向并跟踪期望用户来波方向,具有准自适应性.     

近场麦克风阵列幅相误差校正技术

针对近场均匀麦克风线阵,提出了一种利用单个校正源对存在阵元幅度和相位误差的阵列模型进行校正的方法,该方法要求在已知校正源和各个阵元位置的前提下对阵列幅相误差进行估计,从而得出了阵列误差校正矩阵.对实际麦克风阵列校正的结果表明,该方法简单快速,计算量小,且具有较高的估计精度.     

基于三线交点球麦克风阵列的远场多声源定位

设计一种三线交点球麦克风阵列,利用该阵列进行球面声压采样,实现了基于平面波分解的三维空间远场多声源定位.声源定位对比实验结果表明,采用98元的三线交点球麦克风阵列进行远场多声源定位,可以提高声源定位的精度和空间分辨率,且对环境噪声具有良好的鲁棒性.     

二维DOA估计中麦克风阵列优化设计

在DOA估计中,往往事先假设麦克风阵列的结构,然后通过改进DOA估计方法来提高定位精度,忽视了麦克风的摆放位置对 DOA 估计性能的影响。基于此,针对二维 DOA 估计,提出改进遗传优化算法,将空时滤波器系数和麦克风阵列结构分开,构造由二维 MUSIC空间谱函数欧式距离和优化后阵元个数共为变量的适应度函数,以 DOA 估计精度为停止条件,对均匀矩形阵、均匀圆形阵和均匀同心圆阵开展优化设计。仿真结果表明,采用所提方法优化后的阵列取得了较好的DOA估计性能。     

Efficient Signal Separation Method Based on Antenna Arrays for GNSS Meaconing

As an effective deceptive interference technique for military navigation signals, meaconing can be divided into two main types: those that replay directly and those that replay after signal separation. The latter can add different delays to each satellite signal and mislead the victim receiver with respect to any designated position,thus has better controllability and concealment capability. A previous study showed there to be two main spatial processing techniques for separating military signals, whereby either multiple large-caliber antennas or antenna arrays are used to form multiple beams that align with all visible satellites. To ensure sufficient spatial resolution,the main lobe width of the antenna or beam must be sufficiently narrow, which requires the use of a large antenna aperture or a large number of array elements. In this paper, we propose a convenient and effective signal separation method, which is based on an antenna array with fewer elements. While the beam of the array is pointing to a specified satellite, the other satellite signals are regarded as interference and their power is suppressed to a level below the receiver's sensitivity. With this method, the number of array elements depends only on the number of visible satellites, thus greatly reducing the hardware cost and required processing capacity.     

基于伍德沃德-劳森抽样方法的阵列平顶波束综合

为获得高增益和强方向性,阵列天线应运而生,波束赋形技术在降低阵列副瓣电平、扩大阵列角度覆盖范围、抑制干扰等方面具有重要意义。其中,具有平顶形状波束的天线可辐射具有相同增益的波束,实现宽角度覆盖,且伍德沃德-劳森抽样具有方法简单、抽样点少、运算速度快的优势。因此,运用伍德沃德-劳森抽样方法对均匀直线阵列进行平顶波束赋形。通过计算抽样点数和抽样点位置,得到激励系数,确定阵元位置,计算出激励电流,从而求得各单元的电流分布,计算出阵列的方向图函数,利用MATLAB编程绘制方向图,并分析其基本特性,同时用控制变量法分析不同参数变化对方向图基本特性的影响。研究结果表明：综合的线阵单元数越多,抽样点就越多,综合得到的方向图就越接近预期,综合后方向图主瓣范围内的波纹起伏越小,副瓣电平越低。此外,定向辐射的平顶波束赋形天线在点对多点的无线通信中发挥着重要作用,也可以应用在车载和机载防撞天线、自动驾驶和飞行器等安全控制中心的核心组件中,市场前景广阔。     

线阵阵元间距和宽度对波束指向性的影响

基于阵元尺寸及间距变化对超声波束指向性的影响,分析了阵列换能器的指向性特征.针对要求波束指向特性指标严格的阵列换能器,研究了其阵元宽度和间距的变化对波束指向性的影响.结果表明,阵元尺寸差异对主波束的宽度无影响,增大阵元宽度可以增大声压幅值并提高接收信号的信噪比.阵元宽度和阵元间距同时变化对波束的指向性影响较大.经过对部分阵元间距及宽度变化的阵列换能器指向性的仿真实验,说明理论分析是可行的.     

阵列天线方向图的MATLAB实现

天线的方向性是指电磁场辐射在空间的分布规律,文章以阵列天线的方向性因子F（θ,φ）为主要研究对象来分析均匀和非均匀直线阵天线的方向性。讨论了阵列天线方向图中主射方向和主瓣宽度随各参数变化的特点,借助MATLAB绘制出天线方向性因子的二维和三维方向图,展示天线辐射场在空间的分布规律,表现辐射方向图的特点。     

单干扰旁瓣对消器的方向性性能仿真分析

为了研究干扰对消对阵列方向性的影响,引入了主阵列方向图的峰瓣比、对消单元峰扰比和峰信比3个参数。通过对这几个参数的仿真可看出:阵元数的变化不影响方向性随峰瓣比变化的曲线形状;峰扰比大于峰瓣比或者峰瓣比小于10 dB时的旁瓣对消会导致方向性的严重恶化。表明方向性的起伏与阵列增益没有必然的联系,而峰瓣比和峰扰比的大小关系以及峰瓣比的绝对值起着决定性的作用。对一个弧形阵列旁瓣对消器的改进设计验证了该结论可以从线阵推广到任意阵列。     

单干扰旁瓣对消器的方向性性能仿真分析

为了研究干扰对消对阵列方向性的影响,引入了主阵列方向图的峰瓣比、对消单元峰扰比和峰信比三个参数。通过对这几个参数的仿真可看出:阵元数的变化不影响方向性随峰瓣比变化的曲线形状;峰扰比大于峰瓣比或者峰瓣比小于10dB时的旁瓣对消会导致方向性的严重恶化。表明方向性的起伏和阵列增益没有必然的联系,而峰瓣比和峰扰比的大小关系以及峰瓣比的绝对值起着决定性的作用。对一个弧形阵列旁瓣对消器的改进设计验证了该结论可以从线阵推广到任意阵列。     

圆形活塞圆周阵组合声源的远场指向性

为获得强指向性声源,设计了圆形活塞圆周阵组合声源,根据复合系统的指向性理论推导出声源远场的指向性函数.仿真结果表明:声源远场辐射均匀;声频越高,指向性越强;频率一定,活塞半径增大时,声源指向性也相应增强.相比单活塞声源和活塞个数相当的矩形阵活塞声源,该声源指向性较强.对由6片PZT-4压电陶瓷晶片组成的圆周阵水声发射换能器的实测结果表明,测量值与理论值基本一致,从而证明了该指向性函数的正确性.     

医用超声阵列换能器波束容差分析与变迹处理

用指向性函数研究了医用超扬阵列换能器在具有幅度误差、相位误差及阵元失效情况下的波束特性,提出并应用幅度加权变迹处理、相位变迹处理和孔径变迹处理方法来改善阵列换能器的波束指向性。计算结果表明：相位误差和高斯分布幅度误差使瓣增大、栅瓣增多、波束特性变差,它们对声场特性的影响由误差的大小及分布情况共同决定。幅度加权变迹处理和孔径变迹处理都可以有效地抑制旁瓣,改变指向性;一个恒定孔径发射,可变孔径接收超声     

基于类 1-3-2 型压电复合材料高频水声相控阵换能器研究

对基于类1-3-2型压电复合材料的高频相控阵换能器进行了理论分析和实验研究.通过切割与填充去耦材料制作类1-3-2型压电复合材料,并对类1-3-2型压电复合材料的基元进行布阵,在二维方向上形成4个子阵.通过对子阵适当相移,抑制主瓣和保留栅瓣,在空间上形成所需的发射与接收波束.实现了通过一个多元平面阵列形成4个所需的指向性波束,测速时避免了声学补偿.与传统使用4个活塞型收发换能器形成指向性波束的方法相比,相控阵换能器的几何尺寸显著减小.研究结果表明,基于类1-3-2型压电复合材料高频水声相控阵换能器具有高发射响应,宽频带,波束一致性好,结构紧凑,制作工艺简单可靠等优点.