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基于函数波束形成的传声器阵列声成像性能分析

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刘姿琪李吉祥李伟赵慎

摘要在传声器阵列声成像系统中，常规波束形成算法（CBF）的主瓣宽度和旁瓣级性能受限，成像效果不能

满足高精度声源定位需要，为此研究函数波束形成算法（FB）。首先对阵列接收信号的互功率谱矩阵

-1

进行特征值分解，并计算对特征值对角矩阵的v次幂，以此替换CBF中的互谱矩阵，进一步对波束输

v

出进行次幂运算，由此得到FB输出。然后，通过增加互谱矩阵的幂次运算，FB能够有效克服CBF

v

的主瓣宽、旁瓣高等缺陷。最后，仿真对比了不同声源频率时CBF和FB的性能，分析不同指数对

FB性能的影响。结果表明，与CBF相比，FB具有更高的分辨率性能，且随着指数v的增大，FB旁瓣

v

减小，动态范围增加。为满足工程中声成像动态性要求，建议指数一般选取16。

关键词传声器阵列；常规波束形成算法；函数波束形成算法；互谱矩阵；特征值分解；声源定位成像

doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2024.01.029

0引言格罗宁根大学Schwarz[10]在1978年引入，通过在传统波束

形成结果中反复迭代移除点扩散函数来消除最强噪声源的

近年来，随着数字信号处理技术和阵列信号处理技术的

旁瓣，清晰化声源识别结果[10-11]。CLEAN-SC是在CLEAN

迅速发展，基于传声器阵列的声成像系统在航空航天、电力

算法的基础上提出了解决空间中声源相关的问题，基于同一

设备维护、气体泄漏等领域得到了广泛的研究与应用，特别

[1-2]声源产生的主瓣与旁瓣完全相干的原理，通过在传统波束形

是在噪声控制方面。

[3]成结果中反复移除与主瓣峰值相干的旁瓣成分来清晰化声

典型的传统声源定位方法有分别运行法、近场测量法、

[12]

声强测量法[4]等。近几年发展较快的声源定位方法有相干函源识别结果。

数法、近场声全息[5]、波束形成[6]等。因为波束形成稳健性谱分解重构法主要包括正交波束形成(orthogonalbeam-

且可以同时估计噪声源位置和辐射强度，本文着重研究波束forming，OB)[13]和函数波束形成(functionalbeamforming，

形