基于听觉仿生的多元微孔径耦合传声器阵列信号模型研究

In conventional array signal processing, the aperture size of microphone array is restricted by the wave length of the intrested sound source. Therefore, the microphone array is usually considerably large, especially when the target is a low-frequency sound source. The large aperture size has been a critical bottleneck in the applications of microphone array in wireless sensor network. Biologically inspired small-aperture coupled microphone array is a novel microphone array with coupling structure between the microphones. In compare with the conventional microphone array, it reduces the aperture size greatly and could obtain effective DOA estimation when its aperture size is just 1/10 (even smaller) of half wave length of the central frequency of the sound source. Based on hearing model of parasitoid fly Ormia Ochracea, this project will theoretically develop the signal processing model of the multi-element small-aperture coupled microphone array from two-ear hearing model into multi-element array model, from narrowband model into wideband model. Meanwhile, the design of the coupling structure and DOA algorithms will be studied for multi-element small-aperture coupled microphone array based on the theoretical signal processing model. The achievements of this project will be an important academic improvement in array signal processing area and have potentially great value in the national defense and economy development.

在传统阵列信号处理技术中，传声器阵列孔径受目标信号波长的限制，在处理低频信号时阵列孔径过大，严重制约了传声器阵列在传感网、物联网等新兴产业的广泛应用，成为亟待解决的技术瓶颈。基于听觉仿生的多元微孔径耦合阵列是以听觉仿生模型为理论基础，利用传声单元之间的耦合结构显著缩小阵列孔径的新型传声器阵列，能够以远小于声信号半波长(1/10或更小)的阵列孔径对声信号进行有效的DOA估计。本项目在仿生听觉模型的基础上，突破双传声器互耦结构，发展适合目标探测，具有宽带特性的多元微孔径耦合阵列信号模型，在此基础上探索多元微孔阵列从平面阵向立体阵扩展的耦合阵列信号模型。结合理论模型研究，开展耦合结构设计仿真及适用于微孔径耦合阵列的DOA算法研究。该项目的研究成果不仅在阵列信号处理领域具有前沿性的学术意义，而且在国防安全及经济建设等领域具有明显的应用潜力与价值。

在传统阵列信号处理技术中，传声器阵列孔径受目标信号波长的限制，在处理低频信号时阵列孔径过大，严重制约了传声器阵列在传感网、物联网等新兴产业的广泛应用，成为亟待解决的技术瓶颈。本项目以听觉仿生模型为理论基础，利用传声单元之间的耦合结构显著缩小阵列孔径的新型传声器阵列，能够以远小于声信号半波长(1/10或更小)的阵列孔径对声信号进行有效的DOA估计。.本项目依据奥米亚蝇的仿生听觉模型，进行耦合信号模型理论研究，完成了基于振膜机械耦合和基于电路耦合的两种耦合结构设计和优化，并完成微孔径传声器阵列样件研制，通过对样件进行详细的比较测试，基于电路耦合的微孔径耦合阵列与理论模型的理论计算结果比较一致，能够将传声器反馈的具有微小相位差的信号进行放大，并同时产生明显的幅度差，可有效进行微孔径条件下的目标DOA估计。在微孔径耦合阵列样件基础上，结合耦合特性开展相关DOA算法优化研究。在微孔径耦合传声器阵列研究基础上，本项目进一步拓展，开展了基于热线耦合的声学传感研究，利用两根铂丝测量声场扰动导致的温度场变化，解析得到声质点振速。此种声指点振速传感器具有良好的8字型指向性，且与频率无关。三个声质点振速传感器与一个声压传声器组合构成声矢量传感器，可同时测量声压和声场矢量信息。.该项目的研究成果不仅在阵列信号处理领域具有前沿性的学术意义，同时探索了矢量传感技术。所研究的体积更小、功能更强的声学传感器件，能够极大地缩小实际应用中声阵列的孔径，使得声信号处理设备能够开拓更广泛的应用领域。