第二章    阵列信号处理基本理论 

2。1 阵列信号处理概念 

相比于传统的单个传感器，阵列是对处于空间不同位置的多个传感器进行处理， 而根据不同分布方式，可形成不同结构的阵列传感器。阵列信号处理是将阵列中各个 阵元接收到的空间信号通过一定的采样方式得到空间离散观测数据并从这些数据中 获取有用声源信息，从而对声源定位与识别作出贡献。

阵列信号处理[25-29]的两个基本问题为波束形成和参数估计。波束形成的目的在于 有选择性地增强来自已知期望方向的信号，将其他方向的无用信号当作噪声和干扰最 大限度地进行抑制，从而提高阵列输出的信噪比；参数估计主要包括空间信号到达方 向(DOA)估计、二维 DOA 估计等，其中 DOA 估计的实质为通过某种处理方法确定 单信号源或者多信号源在空间某一区域的位置。相对于传统的单个定向传感器来说， 传感器阵列具有抗干扰能力强、波束控制灵活且信号增益较高等优点，现已被广泛应 用于无线通信、医学诊断与治疗、地震学等领域。

2。2 阵列拓扑结构 

2。2。1 常见阵列结构 

一个具有良好性能的阵列信号系统，除了需要较好的算法之外，阵列拓扑结构也 是影响整个系统性能的主要因素。阵列拓扑结构是指阵元在空间中的分布方式，它可 根据不同的空间分布分成三种：一维阵列、二维阵列和三维阵列。一维阵列一般是指 均匀线阵、非均匀线阵和嵌套阵等线阵；二维阵列主要指均匀圆阵、均匀环阵等平面 阵。 

常见的一维线阵、二维平面阵和三维立体阵列的形式如图 2－1 和图 2－2 所示： 文献综述

(a)  均匀线阵 (b) 非均匀线阵

(c) 嵌套阵

图 2－1 一维线阵 其中嵌套阵可由两个或多个不同间隔的线阵合成，可以看出线阵的结构比较简单且容 易实现，但该阵列只能实现源信号 180°的单角度搜索，无法对三维空间信号的俯仰

角和方位角同时进行估计。 

(a)  均匀圆阵           (b)  非均匀圆阵          (c) 三维立体阵 图 2－2 二维阵列与三维阵列 

如图 2－2(a)和 2－2(b)是两种常见的平面阵，其阵元分布在一个二维平面上。 图 2－2(c)是三维立体阵，观察其空间结构可以发现该阵列可以从空间的各个角度对 信号获得实时搜索，较线阵和平面而言，具有无法替代的优越性。

2。2。2  球阵列分类

球阵列是最常用的三维立体阵列。不同分布结构的球阵列主要有等角度分布球阵 列、高斯分布球阵列、均匀分布球阵列和三线交点分布球阵列，且其中每一种球阵列 又可构成不同阵元数的球阵结构，26 阵元、6 阵元、96 阵元三线交点球阵列的形式 如图 2－3 所示： 来`自+优-尔^论:文,网www.youerw.com +QQ752018766-

(a) 26 阵元 (b) 6 阵元 (c) 96 阵元 图 2－3 三线交点球阵列 

由图 2－3 可以发现分布在球面上的阵元即空间声场的采样点越多，则将空间划 分越细致，获得的声场信息就越全面，对原始信号的恢复与定位越准确。也就是说不 同的阵元数目和阵元位置对波束形成在 DOA 估计、声源定位等方面的性能有着不同 的影响。

根据球阵列阵元在球面上的不同布置方式，可把球阵列分为刚性球阵列和开放球 阵列。其中刚性球阵列是将阵元分布在球壳介质的表面上，是一种球壳式阵列；而开