[发明专利]一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法

说明书

本发明一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法，针对民用飞机飞行试验中声波经过长距离传播而出现的相关性丢失问题，建立相关性丢失模型，并基于此模型进行阵列旁瓣抑制水平和分辨率性能参数的评估，以相关性丢失问题影响下的阵列旁瓣抑制水平和分辨率为目标函数，利用快速非支配排序遗传算法，优化阵列单元坐标。本发明克服现有方法的不足，能给出旁瓣抑制水平和分辨率综合最优的、在相关性丢失问题影响下仍能保持良好性能的阵列单元布置，适用于针对在飞行试验开展麦克风相阵列气动噪声测量所需阵列的优化设计。

技术领域

本发明涉及一种麦克风阵列优化设计方法，特别是一种应用于民用客机飞行试验气动噪声测量的麦克风阵列优化设计方法。

背景技术

利用麦克风相阵列测量技术在民用客机飞行试验中开展气动噪声测量，能够获取最丰富、最真实、最具参考价值的民机气动噪声数据，是民用飞机气动噪声研究的重要环节，在国内受到了越来越多的关注。在民用飞机飞行试验中，大气环境复杂，声波从飞机上发出，经过长距离的传播，阵列中不同位置的麦克风接收到的声波信号之间的相关性减弱。这就是声传播相关性丢失问题，会随着传播距离增大、声波频率升高以及气象条件变差而变得严重。阵列有两个主要性能指标：分辨率和旁瓣抑制水平。分辨率与阵列口径有关，口径越大，分辨率越优。旁瓣抑制水平与阵列单元布置的疏密程度有关，阵列布置得越密，旁瓣抑制水平越优。在声传播相关性丢失问题影响下，阵列中在一个较小的口径范围内的麦克风所接收到的声波信号之间是相关的，而在这个范围外的麦克风所接收到的信号之间的相关性减弱，甚至完全不相关。相当于将一个大口径、麦克风数目多的阵列分割成为小口径、麦克风数目少的阵列，导致阵列有效口径、有效麦克风数目大幅减小，分辨率和旁瓣抑制水平急剧降低。

因此，在民用飞机飞行试验中利用麦克风相阵列测量技术开展气动噪声测量，阵列设计中必须要考虑声传播相关性丢失问题。

阵列设计就是在实际约束条件下，优化阵列单元布置，使阵列性能指标在待测频率范围内均满足要求。现有的阵列优化设计方法在设计过程中未能考虑到声传播相关性丢失问题，所给出的麦克风阵列设计在应用于民机气动噪声飞行试验时，阵列性能急剧降低，不能满足民机气动噪声飞行试验对阵列性能的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有方法的不足，提供了一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法，该方法针对民机飞行试验中声波经过长距离传播而出现的相关性丢失问题，建立相关性丢失模型，并基于此模型进行阵列旁瓣抑制水平和分辨率两个性能参数的评估，以相关性丢失问题影响下的阵列旁瓣抑制水平和分辨率为目标函数，利用非支配遗传算法Ⅱ多目标优化算法，优化阵列单元坐标。

本发明的技术方案是：一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法，包括下列步骤：

(1)设置遗传算法参数；随机产生父种群P_t内的阵列坐标，其中角标t表示遗传算法中的代数；设t的初始值为0，设子种群Q_t为空集；所述遗传算法参数包括：种群内个体数目N、选择概率、交叉概率、变异概率、最大迭代次数；

(2)合并父种群P_t和子种群Q_t得到种群U_t＝{P_t∪Q_t}，计算种群U_t内所有阵列在声传播相关性丢失问题影响下的分辨率和旁瓣抑制水平；

(3)计算种群U_t内阵列非支配排序的序值与阵列拥挤距离；

(4)判断种群U_t内阵列是否满足约束条件，将不满足约束条件的阵列的序值设置为2N；

(5)依据阵列的非支配排序的序值和拥挤距离裁剪出与父种群P_t种群数目相同的新种群P_t+1；