麦克风阵列鲁棒频率不变波束形成算法

在实际应用中,频率不变波束形成器通常受到麦克风阵列失配误差的影响,因此提高频率不变波束形成器的鲁棒性具有重要意义。针对上述问题提出了一种约束优化模型,可以在保持频率不变波束形成的同时提高阵列的鲁棒性。首先设计目标波束图,考虑到差分麦克风阵列本身具有频率不变的波束图,选用传统二阶超心型差分麦克风波束图做为目标波束图。上述模型以麦克风阵列权矢量的二范数作为目标函数来最大化鲁棒性,在无失真约束,目标波束主瓣逼近约束以及旁瓣增益精准控制约束下实现频率不变。然后在交替方向乘子法算法框架下,将优化问题分解为多个优化子问题求解,然后对每个优化子问题分别求解,通过仿真验证了在交替方向乘子法算法下上述模型的可行性与有效性,最终达到了麦克风阵列鲁棒频率不变波束响应的效果。

基于阵列接收数据重采样的频率不变波束形成器

提出一种具有不随频率变化的波束图的宽带基阵处理方法.该方法只需要使用一个真实阵列,然后通过插值方法产生多个虚拟阵列的输出,最后对这些虚拟阵列输出进行叠加得到整个基阵的输出.其优点是阵元数少、易于实现,且只需用传统的窄带阵列设计方法在参考频率下设计基阵来满足对波束图的要求.仿真结果说明了该方法的有效性.

频率不变约束的角加载稳健宽带波束形成算法

应用角加载技术能够提高波束形成算法稳健性,但是角加载量确定却是一个难解决问题。文中提出了一种基于频率不变约束的可变角加载最优稳健波束形成算法(Frequency Invariance Constraints-Variable Diagonal Loading,FIC-VDL)。该算法基于宽带波束形成的时域模型,根据多频点约束下导向矢量的不确定范围,利用频率不变约束因子将多频点变为参考频点约束来求解最优角加载量,并推导出真实的导向矢量。该方法能够改善宽带波束形成器在期望方向的频率不变特性,同时降低系统计算复杂度。计算机仿真结果验证了所提算法的稳健性。

非均匀傅里叶变换频率不变波束形成方法

频率不变波束形成是宽带阵列信号处理研究的重要内容之一。本文以麦克风阵列语音处理为研究对象,针对FIB低频处波束形成一致性不理想的问题,提出了一种基于非均匀傅里叶变换的频率不变波束形成方法。该方法采用非均匀采样来增加低频处的采样点数,构建符合非均匀傅里叶逆变换的范德蒙矩阵,再用优化对称窗函数对变换结果进行截取,得到空时滤波器。该方法不仅实现了低频段与期望波束响应近似的波束图,且降低了阵元数目。计算机仿真实验结果验证了该方法的有效性。

基于线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成算法

针对实际环境中因麦克风阵列失配误差导致宽带波束形成器性能下降的问题,提出基于线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成算法.该算法首先在线性约束最小方差准则的基础上,结合空间响应偏差函数,并对波束形成器权矢量的二范数施加不等式约束,再通过拉格朗日乘子法和凸优化工具箱CVX(Con Ve X)分别在不等约束条件下求得权矢量的解析解和全局最佳解,以有效解决麦克风的增益、相位和位置等的不确定性造成的失配误差问题,提高频率不变波束器的稳健性.仿真结果表明:采用拉格朗日乘子法求解该算法的最优权矢量所得到的波束形成器对失配误差最不敏感,性能最稳健.

基于抽头稀疏化的最小二乘频率不变波束形成器设计

频率不变波束形成器(Frequency-invariant beamformer,FIB)在宽带声信号的无失真采集和处理中具有重要应用。基于空间响应变化函数的最小二乘方法是近年来FIB设计中的代表性方法,本文研究表明该方法的性能受频率不变波束形成(Finite impulse response,FIR)滤波器抽头长度的影响,增大抽头的长度可有效提高FIB设计的性能。但随滤波器抽头长度的增大,波束形成器的实现复杂度亦变大。针对这一问题,本文提出了一种基于FIR滤波器抽头稀疏化的最小二乘FIB设计方法,利用信号稀疏表示理论中的迭代加权l1范数优化实现了低复杂度最小二乘FIB设计,并通过设计实例验证了所提方法的有效性。

基于自适应频率不变响应基阵的宽带信号方位估计

提出一种设计频率不变响应基阵的自适应模拟方法,并将其用于构造波束形成矩阵来实现宽带信号的聚焦。该方法不仅保持了波束域方位估计算法的运算量小、分辨率高等优点,还具有相关信号子空间能解相关源的能力,且对阵形及各阵元的指向性也没有任何限制。仿真结果说明了本文方法的有效性。

基于SRV-CLS的稳健可控频率不变波束形成

频率不变波束形成器在宽带阵列信号处理中有着十分重要的应用。经典的频率不变波束形成器的设计方法没有考虑实际情况中麦克风通道间存在的失配误差,导致波束形成器在实际应用中的频率不变性能变差。为了解决该问题,提出一种基于SRV-CLS的稳健可控频率不变波束形成器的设计方法。该方法将基于SRV-CLS的频率不变波束形成器设计方法与宽带波束形成稳健算法的思想相结合,将麦克风特性的统计信息作为稳健因子加入代价函数中,有效克服了因麦克风通道间存在失配误差而引起的波束形成器性能变差,保证了在波束形成器在工作频带内的频率不变性良好,并且适用于任意阵列结构和具有任意主瓣形状的宽带波束形成器设计。

具有频率不变波束图的非均匀线列宽带基阵设计

提出一种宽带基阵设计方法 ,可以在期望的带宽内保持基阵的波束图不随频率变化。该方法利用现有的窄带基阵设计方法得到参考频率下的基阵加权矢量 ,然后用解析或自适应的方法计算宽带基阵所需的其他频点处的加权矢量。本文还推导了非均匀线列阵阵元位置的表达式。最后 ,给出了一个设计实例 ,它可以在十个倍频程内保持波束图基本相同。本文方法对阵元的指向性也没有任何限制 ,因此具有重要的工程应用价值。

基于Bessel函数的频率不变波束形成器设计

提出了一种波束宽度不随频率变化的波束形成方法。该方法只需要使用一个真实阵列，通过变换产生多个虚拟阵列的输出，每个虚拟阵列都与参考波束相近。该方法简单且易于实现，只需用传统的窄带阵列设计方法在参考频率下设计基阵来满足对波束图的要求。仿真结果证明了方法的有效性。

宽带MIMO雷达频率不变发射方向图快速综合方法

多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达的波形分集能力带来了灵活的发射波束方向图设计方法。针对均匀线阵提出了一种基于频率不变波束形成法快速综合宽带MIMO雷达发射方向图的方法,该方法利用频率不变波束形成法求解宽带MIMO雷达发射波形的频谱,采用交替矩阵匹配法设计恒模的发射波形。与基于两级迭代的宽带方向图综合方法(wideband beampattern formation via iterative techniques,WBFIT)相比,该方法无需矩阵求逆且迭代次数明显减少,大大降低了计算复杂度。计算机仿真结果表明,该方法具有与WBFIT法相近的宽带方向图综合性能,计算时间只有WBFIT方法的10%左右。

零陷可控的低旁瓣频率不变宽带波束形成

在基本的傅里叶变换频率不变波束形成器(frequency invariant beamforming,FIB)的基础上,提出了快速可控零陷低旁瓣宽带FIB优化方法,该方法将固定角度方向图零陷约束和等波纹原型滤波器加入FIB的设计,实现了零陷可控的低旁瓣FIB。同时,还开展了FIB抽头系数的稀疏优化,有效的降低了算法实现的运算量。仿真结果验证了所提的方法在一维均匀线阵和二维均匀面阵上的正确性和有效性。

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.

频率不变波束形成技术的研究进展

频率不变波束形成(FIB)技术可以在所有频率范围内不失真地接收到来自空间某一方向的宽带信号。文中综述了频率不变波束形成技术的研究进展,主要包括基础的采样率法、贝塞尔函数法、新型傅里叶变换法和同心圆阵列方法等。分析了相关的波束形成原理,比较了其特点,最后得出了相关结论。

一种基于压缩感知的均匀线阵频率不变波束优化方法

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问题。针对现有的一类以均匀线阵为模型将恒定主瓣宽度作为约束条件的频率不变波束形成方法,当阵元个数确定后,形成的波束主瓣宽度和旁瓣水平往往达不到实际需求,借助压缩感知理论和阵列虚拟扩展的思想,提出一种改善波束性能的新方法。提出的方法以均匀线阵为模型,利用阵列虚拟扩展增大阵列的孔径,引入压缩感知理论(compressed sensing,CS)进行信号预处理,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窄的主瓣宽度和更低的旁瓣水平,仿真结果也表明了该方法的有效性,在相关工程实践中具有一定的参考价值。

宽带频率-方向不变恒定主瓣波束形成

常规波束形成主瓣随频率和指向变化,为了实现频率方向二维主瓣恒定,本文基于约束优化的方法,提出了一种宽带频率-方向不变恒定主瓣波束形成算法,并将之应用到宽带信号到达角(Direction of arrival,DOA)估计中。首先在参考频率上约束方向不变主瓣恒定,然后在不同指向上约束频率不变主瓣恒定,并将约束问题表示为标准的二阶锥规划形式,运用SeDuMi求解最优权向量。仿真实验表明,本文提出的算法能够实现不同频率不同指向上波束主瓣恒定,与频率不变波束相比,采用频率-方向不变波束的DOA估计方法降低了信噪比分辨门限,提高了估计精度。

频率不变宽带波束形成权重系数的稀疏优化

在基本的傅里叶变换频率不变波束形成(FIB)基础上,从减少抽头权重系数数量,降低FIB运算量角度出发,提出基于最小l0范数的抽头权重系数稀疏优化模型,并采用正交匹配追踪(OMP)算法来求解该优化问题。在高增益、等波纹、低旁瓣FIB方向图的要求下,所提出的优化方法使得稀疏率降低到3.53%,且能够保证稀疏优化后的方向图误差小于1%。接着进一步开展阵元数量的稀疏优化,有效地减少了阵元通道数,进一步降低了算法实现的硬件复杂度。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

一种基于SOCP和IFT的频率-方向不变波束形成方法

常规波束形成中主瓣宽度随频率和方向(方位角和俯仰角)变化,进而影响阵列分辨率及波束形成器的整体性能。为实现频率-方向不变波束形成,提高波束形成可靠性,基于约束优化的思想,提出一种基于二阶锥规划(second order cone programming,SOCP)和傅里叶逆变换(Inverse Fourier Transform,IFT)的宽带频率-方向不变恒定束宽波束形成方法。方法以均匀矩形平面阵为模型,首先采用SOCP波束优化设计方法得到参考波束,再基于IFT设计出参考方向上的频率不变恒定主瓣波束,最后基于提出的SOCP二维方向不变波束形成新方法实现不同频点上的方向不变恒定主瓣波束。经仿真分析,方法设计的波束在数字频率π/2~π、不同方位角及俯仰角指向15°~50°上均具有束宽较恒定的波束,与基于线阵的恒定束宽波束形成方法相比,提高了波束形成器在实际空间中的可靠性,具有一定的相关工程应用参考价值。

宽带共形阵基于SRV约束的自适应波束设计

自适应波束形成可以有效抑制非期望信号方向上的干扰信号。针对采用节拍延迟线(Tapped Delay Line,TDL)结构和复数加权系数的宽带共形阵,本文提出一种基于空间响应偏差SRV(Spatial Response Variation)约束的自适应频率不变波束形成器(Frequency Invariant Beamformer,FIB)优化设计方法。该自适应FIB在参考频率上保持预测信号方向无偏响应以及旁瓣级恒定这2个限制条件下,根据对波束形成器输出功率值与平均空间响应偏差值这2项的加权和进行最小化处理的准则进行设计。通过将这种FIB设计问题转化为标准二阶锥规划(Second Order Cone Programming,SOCP)形式后,可以采用内点方法对其进行有效求解。仿真结果验证了本文方法对于宽带共形阵自适应FIB设计的有效性。

基于迭代变加权最小二乘的宽带波束赋形方法

针对常规加权最小二乘宽带波束形成中存在较大主瓣增益损失和旁瓣电平偏高的问题,提出了一种基于迭代变加权最小二乘的宽带波束赋形方法。首先通过合理设计加权函数和参考波束同步迭代优化波束主瓣区域和旁瓣区域对应的加权函数值;然后对波束最小旁瓣电平进行调整并更新加权值,以获得低旁瓣宽带近似频率不变波束形成器。与常规加权最小二乘法相比,有效减小了波束主瓣增益损失,改善了波束的频率不变特性,并降低了宽带波束最高旁瓣电平。仿真结果表明该方法的有效性。