非规则分布多球阵列多宽带源高精度定向方法研究

This project designs randomly distributed multiple spherical arrays using spherical harmonic analysis based on the characteristics of soundfield. Firstly, we proposed the multiple acoustic sources localization algorithm based on subspace method. Then, in the spherical domain, the frequency-dependent components are decoupled from the angular-dependent components to use the frequency smoothing technique to solve the problem of wideband source localization..The main innovation points lie in: 1. The high resolution algorithms for localizating multiple wideband sources are based on the principles of wave propagation rather than on the classical array signal processing. Both the spherical harmonics decomposition of wavefields methods and subspace methods are utilized in the localization algorithms. 2. The novel array structure are presented consisting of a set of sensors placed on multiple randomly distributed shperical arrays rather than the traditional single array with uniform distribution to decompose the source field into spherical harmonic components. 3. The multiple spherical arrays with various radius allows for a “refresh look” on array processing problem, and the combine of the novel multiple arrays structure and frequency smoothing technique is an effective way for wideband source localization. The prospective research achievements provide a feasible method for multiple wideband sources localization problem using the multiple randomly distributed spherical arrays and the project is significant to the theoretical research and practical application in the field of acoustic sources localization..

本项目以目标声场物理特性为切入点，基于球谐波理论研究非均匀分布多球阵列的声场重建方法；结合重建的声场利用子空间定向方法研究多声源高分辨率定向算法；然后在球谐域分离角度信息与频率信息，利用频率平滑方法解决多宽带声源定向问题。. 课题主要创新点在于：1.改变传统定向方法多基于阵列信号处理方式直接处理有限采样信号的局限，从声传播物理特性角度提出球谐波分析和子空间定向算法相结合的高分辨率定向方法。2.改变传统球谐波分析基于规则分布阵列的设计思想，构建非规则多球阵列模型并实现声场重建，对球谐理论是一个有益补充。3. 基于多球阵列，利用球谐域中频率信息与角度信息易于分离这一特点，提出频率平滑算法解决宽带源问题。多球结构的声场重建与频率平滑算法的组合方案是一个有效解决宽带源定向的新方法。 本项目的研究成果为基于声场分析的宽带源定向问题提供了可行的解决方法，对于被动声目标探测具有重要意义。

本项目以目标声场的物理特性为切入点，设计非规则分布多球阵列并研究声场重建方法。在重建声场基础上，提出多目标声源定向方法，并在球谐域分离角度信息与频率信息的基础上研究多宽带声源目标定向算法。项目主要研究内容：非规则空间分布多球阵列的声场重建方法；基于重建声场的多声源高分辨定向算法；基于多球阵列的多宽带源目标的高分辨率定向方法；多球阵列与传播算子类算法相结合的多宽带源快速定向算法；多球阵列结构特性与多声源定向性能的规律分析。.项目取得了如下研究成果：.（1）研究了基于球谐理论的非规则空间分布多球阵列的声场重建方法，推导了重建声场与子空间算法相结合的高分辨定向算法，球谐MUSIC算法（SH-MUSIC）及多球阵列的设计在多声源定向上表现出定向精度高的优势。.（2）研究了多球阵列结构特性与声场重建特性以及多声源定向性能的规律，提炼出基于多球阵列实现多声源高分辨定向的阵列结构设计指导。.（3）研究了频率平滑算法与子空间算法相结合的定向算法，建立多宽带声源声场模型，实现了多宽带声源目标的高分辨率定向。.（4）以双开放球为例研究了多球阵列与传播算子类算法相结合的快速定向算法，增加了可处理频率范围，减小了算法计算复杂度。.（5）搭建了球麦克风阵列多通道信号采集实验平台，验证了基于球麦克风阵列宽带声源波达方向快速估计算法的有效性。.项目创新点在于：1.改变传统定向方法基于阵列信号处理方式处理有限采样信号的局限，从声传播物理特性角度提出球谐波分析和子空间算法相结合的高分辨率定向方法，解决多声源定向问题。2.改变传统球谐波分析基于规则分布阵列的设计思想，构建非规则多球阵列模型并实现声场重建，对球谐理论是一个有益补充。3. 基于多球阵列，利用球谐域中频率信息与角度信息易于分离这一特点，提出频率平滑算法解决宽带源问题。本项目的研究成果为基于声场分析的宽带源定向问题提供了可行的解决方法，对于被动声目标探测具有重要意义。