火山噴發(fā)、地震、臺(tái)風(fēng)、泥石流等自然災(zāi)害以及爆炸、火箭發(fā)射、飛機(jī)飛行等人為事件均會(huì)產(chǎn)生頻率低于20 Hz 的次聲波，對(duì)這類次聲波的研究有助于了解相關(guān)自然及人為事件的形成機(jī)制，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警及事件跟蹤。
聲源的波達(dá)角度(Angle Of Arrivals, AOA) 定位問(wèn)題實(shí)際是球面AOA的定位問(wèn)題。球面AOA定位問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方法主要包括球面三角定位法 (Spherical Triangulation, ST) 和最大似然估計(jì)器 (Maximum Likelihood Estimator, MLE)。ST算法通過(guò)計(jì)算球面示向線的交點(diǎn)來(lái)估計(jì)兩個(gè)臺(tái)站情況下的信源位置，是一種簡(jiǎn)單直觀的方法，但是對(duì)于多臺(tái)站的情況定位性能較差。MLE算法是最常用的球面AOA定位方法，受限于其迭代求解的特性，算法往往具有較高的計(jì)算復(fù)雜度。同時(shí)MLE算法需要謹(jǐn)慎選擇初始估計(jì)，初值選擇不慎易導(dǎo)致算法無(wú)法收斂。
為了解決上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所噪聲與音頻聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生張?zhí)煊枧c其導(dǎo)師滕鵬曉研究員、呂君副研究員等人提出了一種球面加權(quán)偽線性估計(jì)器 (spherical weighted pseudo linear estimator, SWPLE)，該算法可以求得次聲源位置估計(jì)的準(zhǔn)閉式解，避免了在MLE中常見的收斂性問(wèn)題，具有更加穩(wěn)健的性能，其計(jì)算復(fù)雜度也比傳統(tǒng)算法更低。
為解決SWPLE算法存在的偏差問(wèn)題，研究人員進(jìn)一步提出了基于工具變量法的球面加權(quán)工具變量估計(jì)器 (spherical weighted instrumental variable estimator, SWIVE)。通過(guò)理論分析得到SWIVE算法具有漸近無(wú)偏性和漸近有效性，數(shù)值仿真證明了這一結(jié)論。該技術(shù)可為基于廣域監(jiān)測(cè)網(wǎng)的次聲源定位需求及任務(wù)提供更加穩(wěn)定快速的解決方案。
圖1 球面AOA定位問(wèn)題示意圖（圖/中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所）
圖2 獨(dú)立同分布測(cè)量噪聲下算法偏差距離和RMSE的對(duì)比（圖/中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所）
相關(guān)成果在線發(fā)表于國(guó)際信號(hào)處理期刊IEEE Transactions on Signal Processing。
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金 (No. 12174419) 的資助。
關(guān)鍵詞：球面源定位，波達(dá)角度，偽線性估計(jì)器
參考文獻(xiàn)：Zhang T, Teng P, Lyu J, et al. Quasi-closed-form algorithms for spherical angle-of-arrival source localization[J/OL]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2024, 72: 432-448. DOI:?10.1109/TSP.2023.3340879.