一种低空目标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。     

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。      

利用压缩网格方法提高旋转声源定位计算效率

利用两种压缩网格方法:基于传统波束形成的CG2压缩网格方法和基于小样本数据的CG4压缩网格方法,对经典时域旋转声源波束形成(ROSI)算法进行优化加速。实验结果表明:两种压缩网格方法均不影响ROSI算法旋转声源定位效果,基于传统波束压缩形成的CG2网格方法能够提高ROSI算法的旋转声源定位计算效率1～2倍,基于小样本数据的CG4压缩网格方法能够提高ROSI算法的旋转声源定位计算效率13～18倍。除此之外,基于小样本数据的CG4压缩网格方法在相控麦克风阵列平面与旋转声源平面垂直条件下,仍能准确进行旋转声源定位。      

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。     

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。     

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.     

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。     

高级波束成形在旋转声源定位中的应用

为了使高级波束成形中的函数波束成形、压缩感知波束成形、正交波束成形在旋转声源定位中获得广泛应用,对3种高级波束成形在旋转声源定位中的应用进行了研究,从声源空间分辨率,动态范围以及声源功率积分上与传统旋转波束成形和DAMAS(deconvolution approach for the mapping of acoustic sources)反卷积作对比。仿真与实验结果表明:3种高级波束成形均可以应用到旋转声源定位中,并且均能显著提升旋转声源空间分辨率和动态范围以及拥有较高的计算效率。函数波束成形在低频段的空间分辨率低于DAMAS并且容易产生较高的声源功率积分误差。压缩感知波束成形整体性能与DAMAS相近,并且在低频段的空间分辨率比DAMAS有优势。正交波束成形在低频段容易产生声源定位位置误差,抗干扰能力较弱,并且声源功率积分整体低于DAMAS。      

一种改进的声反卷积相关声源定位方法

基于传声器阵列的声源定位算法的性能优劣决定了气动噪声试验检测中气动噪声源定位成像的准确性。为了提高相关声源定位方法的稳健性和准确性，提出一种改进的声反卷积相关声源定位方法——D-MACS（Developed-Mapping of Acoustic Correlated Sources）方法。该方法的特点是：在传统MACS方法的基础上，将声反卷积模型进行改进，使模型体现出声场空间扫描点声压互谱矩阵与互谱波束形成输出矩阵之间的数学关系，其最终获得的声源定位结果，能够提高MACS方法声源定位辨识的稳健性和准确性。通过仿真信号研究和声学风洞环境中的声源定位试验研究，比较了DAS（Delay And Sum beamformming）、DAMAS-C（Deconvolution Approach for the Mapping of Acoustic Correlated Sources）、MACS和D-MACS这4种方法的声源定位性能，验证了D-MACS方法在声源定位性能上的优势。     

基于超短基线声传感器阵的高速目标轨迹估计

针对低空高速飞行目标跟踪问题,首先研究了某典型目标噪声信号的时频特性,发现其信号呈现宽带低频特征,难以从频域对目标轨迹进行估计。在此基础上,从各路接收信号的到达时延量入手,考虑到声基阵只能布设于有限空间内的制约,提出了一种基于超短基线阵时延估计的目标跟踪方法。该方法利用各个超短基线阵接收声强极值点分别估计目标运动轨迹垂线方向,计算多个垂线的叉乘向量实现对目标运动方向的估计,再利用多面交汇的方式获估计得到目标运动轨迹。分别对目标俯仰角、方位角及运动轨迹估计的理论误差进行了推导,根据理论估计误差,为能够实现对目标运动轨迹的估计,各个超短基线阵应尽量保证与目标运动轨迹不在同一平面上。根据仿真结果,在采用4个传感器基阵时,角度估计平均误差在4°以内,位置估计相对误差在5%左右。仿真结果验证了该方法的有效性。     

低中等雷诺数超声速轴对称射流气动声场

采用线性抛物化稳定性方程(LPSE)方法对低、中等雷诺数条件下的超声速轴对称射流进行了研究。结果表明:射流中不稳定波的增长特性决定了声辐射的特性。在低雷诺数条件下,不稳定波的频率范围较窄,且由于不稳定波的增长区间较长,因此声辐射的范围较宽,声源不集中,声辐射的方向角不明确。在中雷诺数条件下,不稳定波的频率范围较宽,且由于不稳定波的增长区间较短,因此声辐射的范围较窄,声源集中,声辐射的方向角较明确;且随着斯特劳哈尔数增加,声辐射的方向角增加。在低雷诺数条件下,射流基本流的法向速度对射流气动声场的影响较弱,而在中等雷诺数条件下,其对射流的气动声场影响较强。      

某型飞机座舱模拟训练系统的设计与实现

为解决军械飞机维护人员实习中存在的成本高,效率低,有一定的危险性等突出问题,设计了某型飞机仿真训练系统,重点讨论了系统硬件组成、声音仿真和设备的模拟显示,声音仿真采用了DirectSound声音控制技术,显示设备采用了图像控制技术,给出了部分VC++程序原代码。该模拟训练系统不仅制作成本低,而且辅助训练手段多,训练效率高。     

高空低雷诺数风扇/增压级气动设计

为发展一型适用于高空低雷诺数流动的风扇/增压级部件,解决高空长航时无人机动力对部件的技术需求,针对高空低雷诺数下的风扇/增压级进行了气动设计,设计过程包含了一维热力计算、S2通流设计、叶片造型设计和三维数值计算分析。经过多轮设计迭代后,得到了适用于高空低雷诺数条件下的最优叶型。三维数值计算结果表明:风扇/增压级的内、外涵性能都达到了设计指标的要求,且在高空低雷诺数下有较高的稳定裕度。与现有发动机风扇部件性能进行对比得出:新设计的风扇/增压级具有较好的高空工作能力,可以满足总体对风扇/增压级的性能需求。     

Match Point Solution for Robust Flutter Analysis in Constant-Mach Prediction

This paper presents a method for robust flutter computation which uses flight altitude as the perturbation variable in order to obtain a match point solution. The air density and sound speed of standard atmosphere model are approximated as the polynomial function of altitude, such that the flight altitude becomes the single perturbation variable that describes the aeroelastic system. The uncertainties of generalized stiffness and damping are considered and the uncertain aeroelastic system can be formulated as linear fractional transformation （LFT） representation which is suitable for/.t analysis framework. Finally, the match point solutions of robust flutter margins can be computed with structured singular value （SSV） theory. The robust flutter analysis method provided in this paper is suitable for constant-Mach flight flutter test and provides valuable reference for flight envelope expansion.