一种低空声源分布式定位系统及其算法与实验研究

低空声源目标具有较强的隐身性,为了实现对此类目标的定位,构建基于TMS320C6713平台的分布式麦克风阵列低空声源定位系统.麦克风阵列节点以DSP为核心处理器,通过A/D芯片采样麦克风阵列接收到的信号,通过到达时间差(TDOA)计算声源的角度,利用测向交叉法,融合多个节点的角度信息,计算出声源的位置.结果表明:在时延估计精确的情况下,对低空目标具有较好地估计;系统具有较高的精度和稳定性,能够满足对低空声源目标进行定位的实际需求.     

不同插值方法对残缺环阵声源定位的影响

研究了利用不完整麦克风阵列进行声源定位的算法，通过修正傅里叶插值、B样条插值和三次样条插值对残缺麦克风阵列的交叉互谱矩阵的插值补偿，获得了声源定位算法。通过数值模拟对声源定位算法进行了验证，发现在波束形成的声源强度上，傅里叶插值模拟结果最大偏差达到5.21 dB,B样条插值为1.17 dB，三次样条插值为0.80 dB；在声源位置偏差上，傅里叶插值为0.04 m,B样条插值为0.01 m，三次样条插值为0.01 m。结果表明傅里叶插值计算得到的声源定位的强度、位置精度和动态性能最差，三次样条插值最优，B样条插值表现一般。实验验证也得出类似的结论，因此利用三次样条插值计算不完整麦克风阵列的交叉互谱矩阵最佳。     

基于声学风洞的麦克风阵列测试技术应用研究

根据声学风洞气动噪声试验研究的需求,介绍了一种适用于声学风洞试验的麦克风阵列测试技术,并针对声学风洞的特点,利用风洞射流剪切层修正方法,提高了麦克风阵列识别声源的精准度。通过数值仿真和在0．55m×0．4m声学风洞的试验研究,验证了麦克风阵列测试系统和麦克风阵列数据处理方法识别声源的能力。研究结果表明所采用的麦克风阵列测试技术可用于声学风洞试验。最后还采用36通道的麦克风阵列在0．55m×0．4m声学风洞开展了NACA23018翼型气动噪声试验研究,试验明显地观察到翼型后缘噪声,获得不同迎角下翼型的噪声特性。     

麦克风阵列安装偏差引起的旋转声源定位误差

对旋转声源定位中3种常见阵列安装偏差即角度偏差、x轴向偏移偏差、z轴向偏移偏差导致的定位误差进行了详细研究。结果表明:当角度偏差在-10°～10°范围内,声源定位位置误差随角度偏差呈近似线性变化,最大定位位置误差为0.089 m,定位强度误差呈随机变化,其中最小定位强度误差为0.97 dB,最大为4.69 dB;当x轴向偏移偏差在-0.1～0.1 m范围内,声源定位位置误差随x轴向偏移偏差呈近似线性变化,最大定位位置误差为0.098 m,定位强度误差呈随机变化,其中最小定位强度误差为0.91 dB,最大为4.94 dB;当z轴向偏移偏差在-0.1～0.1 m范围内,最大定位位置误差为0.01 m,正偏移偏差引起的定位强度误差总体小于负偏移偏差,其中最小定位强度误差为0.81 dB,最大为4.51 dB。研究结果可为麦克风阵列在实际应用中控制测量误差提供指导。      

民用飞机增升装置气动噪声学风洞试验初步研究

采用模拟退火法阵列优化设计技术设计了对数螺旋麦克风阵列,开发了基于“波束成型理论冶的阵列试验数据处理软件。将风洞麦克风相阵列噪声识别技术用于SCCH模型增升装置气动噪声研究,开展了增升装置气动噪声源的远场定位探测和强度测量,并用数据处理软件对风洞试验数据进行处理。试验结果表明,随着观察频率的变化缝翼噪声声源的位置与强度会发生变化,襟翼侧缘噪声是一个宽频噪声,不同频率下其强度分布存在差异。同时也发现缝翼安装支架对缝翼和襟翼气动噪声声源有较大影响。文中也给出了多种工况下缝翼和襟翼噪声源分布。     

面向声源定位的改进广义互相关时延估计方法

面向以数字微机电系统(MEMS)麦克风作为声传感器的声源定位阵列,完成了前端麦克风阵列的电路设计和以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心的数据采集系统的开发,并对麦克风输出的脉冲密度调制信号进行了降采样处理.针对传统的广义互相关算法在低信噪比下时延估计误差较大的问题,提出了一种改进PHAT加权函数的方法.在同等条件下对基于不同加权函数的广义互相关算法进行了MATLAB仿真验证,实验结果表明,在低信噪比条件下该方法相较于传统的广义互相关算法,时延估计误差更小且抗噪性能更强.     

水下无线传感器网络目标定位算法

提出了一种基于目标位置的定位转换算法,通过对水下声波传播衰减的研究,推导出距离与声强度的公式,进一步由节点接收到目标强度信息计算出节点与目标的距离进行定位。当目标处在水下传感器网络内部时,根据节点接收到信号强度的大小,进行加权质心定位算法。为解决三维坐标系下目标深度的计算,通过在海面设置大功率骨干节点,通过主动探测声呐测得目标的距离与角度,从而计算出目标深度。仿真验证表明,本文算法的有效性。     

飞机起落架噪声源定位的压缩感知算法

目前针对飞机起落架噪声源定位的研究方法主要是将麦克风阵列与波束成形算法相结合。常规波束成形（CBF）算法在计算时存在主瓣宽度过宽、结果易受旁瓣影响的问题。高级波束成形算法在计算时效率较差,有时会有违背物理现象的假声源出现。提出了一种将正交匹配追踪（OMP）算法与奇异值分解（SVD）相结合的起落架噪声源定位的OMP-SVD压缩感知算法。在消声实验室内进行飞机起落架噪声源定位试验,将OMP-SVD算法、CBF算法和OMP算法在不同频率下获得的结果进行对比。试验结果表明：①与OMP算法相比,OMP-SVD算法在不同频率下均能准确定位出起落架主声源;②与CBF算法相比,OMP-SVD算法显著提高了分辨率。     

常规闭口风洞相阵列气动声学试验

传统气动声学研究观点认为,精确的声学测量要求风洞背景噪声和洞壁反射足够低,传声器测量结果有足够高的信噪比,这是大多数风洞无法达到的要求。近些年,基于声纳和雷达技术发展起来的麦克风相阵列技术可以通过增加阵列的传声器数目从而大幅提高声学测量的信噪比,具有噪声源研究和定位能力,并被成功地应用于非声学固壁风洞噪声源测量和噪声物理机制研究。作者基于相阵列波束生成频域算法研制出常规闭口风洞相阵列系统及相关技术,在FD-09风洞尝试进行了相阵列校准试验和某民机噪声测量试验。结果表明：相阵列技术能够准确捕捉到真实的校准声源,并从技术上验证了相阵列系统在常规闭口风洞测量气动噪声是有效的。     

声学风洞内气动噪声源识别定位方法研究

声学风洞流场和试验环境会影响声音的传播,进而会影响声源识别。根据用于静态声源识别的经典Beamforming算法,利用声波在气流场和风洞射流剪切层中的传播规律,给出了一种能够用于声学风洞试验的基于麦克风阵列的气动噪声源识别分析方法,并进行了数值仿真和数值验算。数值验算结果表明风洞流场和剪切层对噪声源识别效果影响明显,采用本文所总结的计算方法能有效地修正这些影响。     

大型客机前起落架气动噪声源三维阵列识别技术研究

起落架噪声作为现代大型飞机机体噪声在起降阶段的主要贡献成分,其噪声机理较为复杂,涉及到钝体湍流涡脱落噪声、腔体部件空腔噪声以及起落架舱腔体与支柱柱体之间的非线性耦合噪声。由于起落架中存在复杂的三维流场以及声波的反射和绕射会产生噪声,而二维麦克风阵列在垂向的分辨率较差,无法获得声源完整且准确的三维空间分布信息,因此采用三维麦克风阵列技术对起落架噪声进行研究。使用3D Beamforming算法(波束成形算法)和3D CLEAN-SC算法(空间相干的洁净算法)结合同步测量和非同步测量的方式实现了对模拟信号和实际测量数据所得频谱中特定的离散声进行声源识别定位,并在北航D5低速风洞进行开口段气动噪声实验,以1/2缩比的LAGOON起落架为研究对象,在过顶和流向方向布置两组平面阵列,构成三维阵列进行同步和非同步的噪声测量,确定了起落架中主要噪声源的位置,对认知噪声机理提供了新的借鉴和思考。     

基于相控麦克风阵列的民机主起落架气动噪声源识别技术研究

起落架气动噪声是民机机体噪声极为重要的组成部分。由于起落架结构外形复杂,同时各部件之间干扰严重,使得其噪声机制十分复杂。目前,相控麦克风阵列技术已经成为识别民机机体噪声声源位置最为常用和可靠的技术手段。结合闭口声学风洞试验数据,采用经典的Beamforming算法,分析对比了民机主起落架构型在不同频率下声源位置分布情况,获得了不同频率下的最大声源位置;采用CLEAN-PSF算法剔除主起舱门位置处的声源,抑制了最大声源旁瓣对其他声源位置遮盖效应。     

基于短基线传感器阵列的炮弹被动测向算法

针对现有基于角度估计的无源被动探测技术不能满足远场高精度目标测向的问题，及现有被动探测传感器阵列在战场中需要大规模环绕布设的限制，采用基于经验模态分解(EMD)和短时能量特性分析的瑞雷波提取方法，结合时延双曲线定位模型提出免受波速影响的短基线传感器阵列被动测向方法。首先，在对传感器阵列获取的地震动信号进行信号特性分析基础上，基于EMD构建自适应分解去噪模型，提出基于信号短时能量特性的瑞雷波成分的抽取方法。其次，在对瑞雷波进行联合相关计算估计时延基础上，构建基于TDOA算法的时延双曲线模型，并提出基于四元十字短基线传感器阵列的DFA-WV算法，实现免受波速影响的炮弹信号高精度测向。最后，本文算法模型在仿真及靶场实弹试验得到验证，测试结果表明提取瑞雷波算法可为时延高准度估计提供效力，DFA-WV测向算法因摆脱波速估计值对测向结果的影响，相较于Chan算法及改进MPR算法具有更优的测向性能，且计算复杂度低，在实际野外靶场炮弹目标测向中具有工程应用价值。     

嵌套阵列最大似然估计测向算法

针对在辐射源个数未知的条件下嵌套阵列难以估计多个辐射源角度的问题,提出了基于最大似然估计(MLE)的嵌套阵列角度估计算法。算法在嵌套阵列模型的基础上,首先通过推导阵列截获多辐射源信号的最大似然函数及其梯度,利用最速下降法估计出空域中所有潜在辐射源的角度;然后,通过多元假设检验,利用最大似然比与门限进行比较,确定出空域中所有潜在辐射源中某一时刻发射信号的活跃辐射源角度,排除其余噪声形成的虚假辐射源角度,解决了在辐射源个数未知条件下嵌套阵列对多个辐射源角度估计问题。仿真结果表明:与传统多重信号分类(MUSIC)算法相比,该算法在辐射源数目未知、存在相干信号、低信噪比(SNR)、低快拍数条件下,均具有较好的角度估计精度,并且算法形成的虚拟阵列自由度是空间平滑MUSIC算法的2倍;多元假设检验法比传统信源数目估计算法在低信噪比条件下和处理相干信号方面具有明显优势。     

一种针对恒模信号的运动单站直接定位算法

相比于常规的"测向+位置估计"两步定位模式,以Weiss等提出的目标直接位置确定(DPD)算法具有估计精度高、分辨能力强和无需数据关联等诸多优点。基于该类定位算法的基本理念,提出了一种利用单个运动天线阵列对恒模(即相位调制)信号的DPD算法。首先,依据最大似然(ML)准则以及恒模信号的恒包络特征,建立了相应的直接定位优化模型;接着,根据优化函数的代数特征提出了一种有效的多参量交替迭代算法,用以获得ML估计器的最优数值解;此外,推导了针对恒模信源的位置直接估计方差的克拉美罗界(CRB),从而为新算法的定位精度提供定量的理论下界。仿真实验表明:相比于已有的基于单个运动天线阵列的直接定位算法以及传统的两步定位算法,通过利用恒模信号的恒包络特征可以明显提高目标直接定位的估计精度。     

基于TDOA 定位的阵列布放结构研究

不同结构阵列在TDOA定位中对定位精度有较大影响。为了掌握和减小阵列带来的影响,从TDOA定位解算方程组的角度分析了平面阵列在空间定位中高度方向产生较大误差的原因;又从单个基线的角度分析了影响基线定位敏感度的因素,而为分析阵列定位效果提供了理论依据。然后对七种代表性的平面阵列进行对比,验证了阵列结构对定位精度的影响关系。根据平面阵列的经验又设计了三种空间阵列,通过仿真实验证明了对阵列结构研究的正确性。     

斜下降旋翼桨涡干扰声源定位及表面压力

旋翼桨-涡干扰（BVI）是直升机在进场和离场等近地飞行时后行桨叶切割前行桨叶脱落桨尖涡产生的气动扰动，该扰动不仅对桨叶表面压力载荷产生激励作用，同时也会引起旋翼噪声出现激增，旋翼噪声激增的主要成分为桨-涡干扰噪声。本文首先对斜下降桨-涡干扰状态桨叶表面载荷进行数值计算；然后分别阐述了基于改进整周期同步平均旋翼噪声去噪方法、基于多层小波包分解的桨-涡干扰声源识别和分离方法以及基于bartlett时延计算和球面插值的声源定位方法，设计并开展了风洞斜下降状态桨-涡干扰桨叶表面压力和声源定位试验，给出了开发的声源定位软件界面、声源定位图像畸变校准方法及声阵列现场校准方法；最后对比分析了不同试验状态的桨-涡干扰噪声声源特性以及和桨叶表面压力之间的关联性，并给出了声源定位及表面压力试验数据分析结果。结果表明典型斜下降状态后行侧桨-涡干扰主要出现在方位角310°~330°、径向位置1.6~1.8 m桨盘平面区域。     

基于共轭循环平稳特性的二维波达方向估计方法

 提出了一种具有阵列孔径扩展能力的共轭循环平稳二维波达方向（DOA）估计方法。该方法通过引入伪采样,充分利用了阵元输出之间共轭循环互相关函数的时间维信息,扩展了阵列有效孔径,提高了算法DOA估计精度,具有较好的低信噪比适应能力。该方法避免了最优时延选择问题,无需谱峰搜索,且其二维角度参数能够自动配对,具有较低的计算量。计算机仿真结果验证了该方法的有效性。     

聚焦变换在MIMO阵列方位估计中的应用

MIMO阵列是近年来信号处理领域提出的一种新体制阵列技术,可有效避免常规阵列中的相干源问题。为解决多载波造成的方位模糊,提出了一种基于聚焦变换的MIMO阵列目标方位估计方法。该方法将MIMO阵列接收信号分解为多个频率分量的信号,并通过聚焦算法将多个频率信号聚焦到同一信号子空间,然后对聚焦后的信号进行方位估计。仿真结果表明:与直接对MIMO阵列接收信号进行方位估计相比,该方法利用了MIMO阵列的回波不相干性和宽带信号能量,具有更好的分辨能力和更高的方位估计精度。     

短基线平面四站对定向移动目标的高精度横向测量

应用误差估计、合成理论及直接通过定位解析方程,研究了仅增加一个冗余测量站点,使短基线平面阵列实现对定直线移动目标高精度横向定位测量。测量结果表明,所给出的二个基本布站形式和已有的最优布站定位精度分析结果相吻合。