新型频率不变自适应波束成形与声源定位算法

本文主要探讨了自适应波束形成技术在均匀同心球面阵列（Uniform Concentric Spherical Array, UCSA）中的应用，特别是在近频不变（Frequency-Invariant, FI）特性下实现的方向-of-arrival (DOA) 估计。作者S.C. Chan和H.H. Chen提出了一种创新的数字波束形成器，其核心原理是将接收到的信号转换到相位模式，并通过数字波束形成网络消除各个相位模式的频率依赖性。 传统的均匀圆阵列（Uniform Circular Array, UCA）在不同频率下的方向图（far-field pattern）会有所变化，这限制了它们的频率响应一致性。而UCSA的近频不变特性使得其阵列方向图可以在更宽的频率范围内保持稳定，从而实现电子束指向的动态调整。这种稳定性对于许多应用，如无线通信、雷达和声纳系统中的目标定位至关重要，因为它提高了系统的抗干扰能力和频率适应性。 设计过程涉及将补偿网络的设计转化为一个二次锥优化问题（Second-Order Cone Programming, SOCP），通过最大化准则进行最优求解。这样，补偿网络可以独立于阵列的波束形成权重设计，提高设计灵活性。同时，波束形成权重的选择也对最终的DOA估计精度有直接影响，因为它们决定了阵列在空间上的敏感性和响应特性。 在实际操作中，该方法首先需要对输入信号进行预处理，将其映射到相位空间，然后利用自适应算法调整补偿网络参数，以补偿因频率变化带来的相位偏差。通过这种方式，即使在多径传播或频率选择性衰落的环境中，也能有效地估计出声源的位置。此外，这种方法还有可能降低计算复杂度，因为补偿网络的优化可能比传统的频率域处理更为高效。 这篇论文提出了一个创新的自适应波束形成策略，它不仅提升了UCSA在不同频率下的性能，还简化了设计流程，为声源定位提供了更精确和鲁棒的解决方案，对现代通信和信号处理领域具有重要意义。