声场谐波提取及谐波域阵列处理研究

基于球谐波分解的波束形成问题，由于其具有超指向性、超增益以及在较宽频带内形成恒定主瓣的潜力，可用于改进传感器阵列的方位分辨力与在空间分布噪声场中的微弱信号检测能力；加之它能较好地提取三维高阶声场信息，便于声场重构，近几年成为一个研究热点。然而，基于谐波分解的波束形成中仍有很多理论问题尚未澄清，实际应用也远不够理想；谐波域阵列处理问题与传统空域阵列处理之间的关系也尚未摸透。本项目拟开展基于谐波的阵列处理方法研究，探索声场谐波分解与重构机理，开展谐波域波束设计原理及波束优化方法的研究，摸清谐波域处理与传统阵列处理之间的关系，构建谐波域阵列处理与空域阵列处理问题的统一数学模型，通过理论与试验两方面的努力研究，争取取得突破性的进展。该研究具有重要的理论意义与迫切的应用需求，在技术上对相关领域，如水声弱信号检测，有显著的推广和带动作用，是当前一个非常值得研究的方向。

本项目对基于谐波的阵列处理问题进行了深入研究，取得了多项重要的理论成果。摸清了声场谐波分解与三维声场重构的机理，提出了球面阵与圆环阵声场谐波提取与声场重构方法。通过研究谐波域波束形成方法，获得了两个重要发现：球面阵phase-mode阵列处理等效于空间均匀噪声场情况下球谐波域MVDR波束形成器，而圆环阵phase-mode阵列处理等效于柱面均匀噪声场情况下圆环谐波域MVDR波束形成器。在此发现的基础上，分别提出了球谐波域与圆环谐波域优化波束设计方法，所提出的方法将前人的phase-mode方法纳为一个特例，且能兼顾波束旁瓣、阵增益、稳健性等多项性能，解决了前人方法难以实用的难题。接下来还分别提出了球谐波域与圆环谐波域宽带波束形成方法及基于FIR滤波器的时域实现方法，以及球谐波域MUSIC方位估计方法等一系列新方法。通过对谐波域处理与阵元域处理的比较分析，我们揭示了谐波域处理与阵元域处理的等效性规律，由此构建出谐波域阵列处理与空域阵列处理问题的统一数学模型。统一模型的建立，完善了阵列处理理论，加深了我们对阵列处理问题的理解，使读者对已有的很多波束形成设计方法的理解及其性能优劣的评判变得非常容易。在项目支持下，发表论文被SCI收录9篇，EI收录14篇，申请发明专利3项，已授权1项。