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融合插值点优化的多项式结构宽带波束形成器设计方法

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应用声学 2023年第6期42卷 1215-1224页

作者：许志强陈华伟王晓楠史文旭南京航空航天大学电子信息工程学院南京211106

多项式结构设计方法是主瓣指向可调宽带波束形成器设计的一类重要方法。多项式结构的阶数是有限的,导致主瓣实际指向与期望指向之间存在偏差,因而影响了波束形成器的指向性指数。针对这一问题,该文提出了一种基于插值点优化的多项式结... 详细信息

多项式结构设计方法是主瓣指向可调宽带波束形成器设计的一类重要方法。多项式结构的阶数是有限的,导致主瓣实际指向与期望指向之间存在偏差,因而影响了波束形成器的指向性指数。针对这一问题,该文提出了一种基于插值点优化的多项式结构宽带波束形成器设计方法。首先,引入多项式结构插值点处阵列响应的空间导数约束,以减小主瓣指向偏差;进而利用粒子群优化算法对多项式结构中的插值点进行优化,以充分利用插值点位置提供的自由度进一步提升多项式结构宽带波束形成器的性能。优化设计结果表明,与现有设计方法相比,该文提出的方法不仅降低了主瓣的指向偏差,同时也提高了指向性指数,有效改善了多项式结构宽带波束形成器的性能。

关键词：多项式结构波束形成器指向偏差指向性指数空间导数约束插值点优化

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多项式结构宽带波束形成器的鲁棒设计与性能分析

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多项式结构宽带波束形成器的鲁棒设计与性能分析

作者：薛晗南京航空航天大学

学位级别：硕士

麦克风阵列波束形成是音频信号处理的一项关键技术,广泛应用于人机交互、音频会议等领域。传统波束形成器的主瓣指向是固定的,不适用于声源位置变化的场景。相比之下,多项式结构波束形成器具有主瓣指向实时可调的优点,适用于声源位置动... 详细信息

麦克风阵列波束形成是音频信号处理的一项关键技术,广泛应用于人机交互、音频会议等领域。传统波束形成器的主瓣指向是固定的,不适用于声源位置变化的场景。相比之下,多项式结构波束形成器具有主瓣指向实时可调的优点,适用于声源位置动态变化的场景,因此近年来受到了国内外学者的关注。已有研究结果表明,麦克风失配误差会影响多项式结构波束形成器的性能。本文针对麦克风失配误差的影响,从多项式结构波束形成器的鲁棒设计和性能分析两方面展开了研究。论文的主要工作和贡献如下:1.针对麦克风失配误差的影响,从理论上分析了多项式结构波束形成器的鲁棒性能。分别从失配误差影响下波束图扰动的统计特性和反映波束形成器鲁棒性能的白噪声增益指标两个方向进行深入分析,揭示了多项式结构波束形成器鲁棒性能的影响因素和变化规律,并且通过仿真实验进行验证。该工作为深入理解多项式结构波束形成器的鲁棒性能提供了理论参考。2.根据最差性能优化准则,提出了一种基于半正定规划的多项式结构鲁棒波束形成器设计方法。从理论上分析了现有的基于二阶锥规划的设计方法存在的问题,阐明了该方法存在过保守问题的根本原因在于参考了一种极端的误差取值情况。在此基础之上,提出了基于半正定规划的多项式结构鲁棒波束形成器设计方法,该方法包括两个步骤,首先求解半正定规划问题,然后求解minimax问题,而这两个问题都可以转化为凸优化问题,利用CVX进行求解。仿真实验结果表明,所提出的设计方法可以有效地克服现有二阶锥规划方法存在的缺陷,从而提升多项式结构波束形成器的性能。3.针对高维的多项式结构鲁棒波束形成器设计问题,提出了基于半正定规划的交替方向乘子法优化设计方法。在交替方向乘子法的框架下,通过引入松弛变量,对原始的半正定规划问题进行了等价转换,并且将minimax问题转化为带辅助变量幅值约束的优化问题,从而实现了高维的多项式结构鲁棒波束形成器设计问题的高效求解。仿真实验结果表明,所提出的优化方法相比基于CVX的优化方法具有更高的运算效率,更适用于高维多项式结构鲁棒波束形成器的设计。

关键词：多项式结构波束形成器鲁棒性能麦克风失配误差半正定规划交替方向乘子法

多项式结构恒定束宽波束形成器的高效稀疏化设计

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应用声学 2024年

作者：王晓楠陈华伟南京航空航天大学电子信息工程学院

针对传声器阵列多项式结构波束形成器实现复杂度偏大的问题，提出了一种基于交替方向乘子法的多项式结构波束形成器稀疏化设计方法。该方法利用主瓣空间响应变化的优化准则以实现恒定束宽波束形成器设计，并通过将原始的高维非凸问题转... 详细信息

针对传声器阵列多项式结构波束形成器实现复杂度偏大的问题，提出了一种基于交替方向乘子法的多项式结构波束形成器稀疏化设计方法。该方法利用主瓣空间响应变化的优化准则以实现恒定束宽波束形成器设计，并通过将原始的高维非凸问题转化为并行求解的低维凸优化子问题，有效提高了多项式结构波束形成器的稀疏化效率。实验结果表明，与现有多项式结构波束形成器的稀疏化设计方法相比，所提方法在保持良好的设计鲁棒性的同时具备了更优的恒定束宽性能。在优化效率方面，所提方法耗时仅为现有方法的0.69%～1.09%，并且获得了更高的抽头稀疏度。

关键词：传声器阵列多项式结构波束形成器恒定束宽稀疏化设计交替方向乘子法

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广义多项式结构稳健宽带波束形成器优化设计

数据采集与处理 2023年第6期38卷 1307-1318页

作者：许志强陈华伟南京航空航天大学电子信息工程学院南京211106

传统多项式结构宽带波束形成器的设计一般采用有限冲激响应(Finite impulse response,FIR)滤波器。本文通过使用正交基滤波器替代传统设计中的FIR滤波器,提出了一种广义多项式结构宽带波束形成器。所提多项式结构宽带波束形成器可视为... 详细信息

传统多项式结构宽带波束形成器的设计一般采用有限冲激响应(Finite impulse response,FIR)滤波器。本文通过使用正交基滤波器替代传统设计中的FIR滤波器,提出了一种广义多项式结构宽带波束形成器。所提多项式结构宽带波束形成器可视为传统多项式结构宽带波束形成器的推广,因而结构上更为灵活。为增强广义多项式结构宽带波束形成器的鲁棒性,进一步提出了基于平均性能优化准则的稳健优化设计方法。该方法通过粒子群算法对正交基滤波器中的极点进行优化,以利用极点所提供的自由度提高多项式结构宽带波束形成器的性能;同时通过引入阵列响应的空间导数约束,减小了由有限次多项式插值所造成的波束主瓣指向偏差。仿真结果表明,与传统多项式结构设计方法相比,所提设计方法能够获得更好的频率不变性和鲁棒性,且有效改善了波束主瓣指向的精准度,提高了多项式结构宽带波束形成器的指向性指数。

关键词：多项式结构波束形成器正交基滤波器平均性能优化空间导数约束指向偏差

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