近日，廈門大學海洋與地球學院、導航與位置服務技術國家地方聯合工程研究中心童峰教授團隊在物聯網領域Top期刊IEEE Internet of Things Journal上在線發表了題為“Conformal Cylindrical Array Sound Source Localization at the Presence of Shadowed Elements”的研究成果。該研究提出一種基于信號重構的圓柱共形陣聲源定位方法，為解決聲學陣列與載體“共形”所造成的遮蔽效應難題提供了新的思路。

共形陣是一種天線與各類航行器載體外形保持一致的陣列，相關研究是現代陣列技術領域的研究熱點。共形陣通過將陣元組成的陣面與載體外形“共形”，達到不破壞載體平臺外形結構及動力學特征的效果。然而，由于載體平臺外形通常為曲面狀（如流線形、圓弧形），導致共形陣存在“遮蔽效應”。該效應對于圓柱共形聲學陣列尤為明顯，陣列中的某些陣元被載體平臺弧形表面遮擋，無法接收目標聲源信號，導致陣列自由度降低，嚴重影響共形陣信號處理性能。

該研究面向共形陣聲源定位應用，從空間幾何角度出發，建立陣元接收受限信號的模型，闡明了圓柱共形陣遮蔽效應造成聲源定位精度下降的主要原因，并針對這一問題提出了一種基于信號重構的圓柱共形陣聲源定位方法。

該方法首先基于傅里葉變換，將陣列接收信號轉換到頻域進行能量檢測，以區分接收受限陣元與正常接收陣元，并根據以上不同類型陣元的空間分布特征，粗略判斷目標所在方位的近似范圍，降低后續處理復雜度；然后，以正常接收陣元接收到的目標信號為參考，重構接收受限陣元的接收信號，消除陰影效應，提高陣列自由度；更進一步，在目標所在方位的近似范圍內，采用峰值搜索方法確定目標精確方位；最后，分析了圓柱共形陣的克拉默-拉奧（Cramér-Rao lower bound, CRLB）下界，闡明了遮蔽效應下該陣列所能達到的最佳定位精度。

數值仿真及實驗結果表明，與傳統算法相比，本文所提出的方法在遮蔽效應下能以較低的復雜度實現令人滿意的方位估計性能，其均方根誤差（RMSE）接近無遮蔽效應下的估計結果。

圖1.圓柱共形陣（上）及其信號接收模型（下）

圖2.所提方法處理流程

圖3.所提方法部分仿真及實驗結果

該論文的第一作者為海洋與地球學院博士生李嘉恒，通訊作者為童峰教授，合作作者包括周躍海副教授、中科院沈陽自動化所楊翊副教授和胡志強研究員。該研究得到國家重點研發計劃項目（2018YFE00110000）、國家自然科學基金項目（11274259、11574258）以及上海市科學技術委員會“科技創新行動計劃”項目（21DZ1205500）的聯合資助。

論文來源

J. Li, F. Tong, Y. Zhou, Y. Yang and Z. Hu, Conformal cylindrical array sound source localization at the presence of shadowed elements, IEEE Internet of Things Journal, 2023, doi: 10.1109/JIOT.2023.3278693.

論文鏈接

https://ieeexplore.ieee.org/document/10130541

供稿：童峰

編輯：蘇穎

審核：湯立國、劉志宇、唐騰鳳