宽带相控参量阵波束形成算法研究

With the ever increasing interests in directional sound devices, the parametric array becomes an attractive approach for its small size. However, most of the previous works have been focusing on reducing the nonlinear distortion of the parametric array. There are only a limited number of works addressing the steerable parametric array. This can be due to two reasons. Firstly, a concise yet accurate model to describe the wideband directivity of the steerable parametric array is still missing. Secondly, wideband beamforming algorithms are not readily available for the steerable parametric array, since the directivity of the nonlinear distortion components and the spatial aliasing of the ultrasonic frequencies are complicated to analyze. Therefore, this project proposes to firstly model the directivity of the wideband steerable parametric array. Based on the model, wideband beamforming algorithms can be analytically investigated and improved. Furthermore, multi-beamforming algorithms are examined under complicated spatial aliasing conditions. The aim of this project is to provide the necessary theory and technique to promote the usage of the steerable parametric array.

近年来，以参量阵为基础的定向声发射技术由于其轻薄的体积优势得到了广泛的关注。虽然许多的研究工作都致力于降低参量阵的失真水平，但是参量阵的指向性控制却未得到很好的发展。目前的相关工作都还局限于单频相控参量阵。这主要有两方面原因：首先是缺乏兼俱低复杂度和高准确性的参量阵模型；其次，对相控参量阵的宽带波束形成算法缺少必要的研究，没有考虑到非线性失真的指向性以及超声信号的空间混叠等复杂因素。本项目拟从构建宽带相控参量阵的指向性模型入手，分析基带信号和失真分量的指向性，研究宽度波束形成算法，分析多波束形成算法在空间混叠条件下的性能，使相控参量阵性能得到多方面升级。本项目的研究将为相控参量阵的推广提供技术积累和理论支持。

本项目的目标是完善宽带相控参量阵的声学理论和控制算法，实现宽带相控参量阵数字系统，使现有的单频相控参量阵性能得到多方面升级，为以参量阵为基础的定向声发射技术的推广提供技术积累和理论支持。本项目首先基于频谱分析对参量阵指向性卷积模型进行了扩展，保持了模型的准确性和低复杂度。扩展后的卷积模型可以提供宽带相控参量阵中基带信号和失真分量远场指向性的解析解，预测复杂边带信号自解调后的指向性。在此基础上，本项目定义了Westervelt近场指向性公式，配合卷积模型实现对相控参量阵近场声压分布的理论分析，开展了相控嵌套式参量阵的探索性研究，为定向声波发射向“定点”声波发射升级夯实基础。本项目在深入研究参量阵声源的非线性声学原理的基础上，提出了以混合高斯源替代Westervelt源的指向性卷积模型近似方法，先后建立了宽带相控参量阵专用的恒波束宽度算法、指向角控制算法、数字波束形成算法、多波束形成算法，实现了对参量阵声源波束形状的精细控制。最后，本项目采用单比特量化技术，在FPGA平台上实现了宽带相控参量阵数字系统，探究了宽带相控参量阵在双耳重放、多通道有源噪声控制等应用场景中的适用性。