Acoustic imaging with super-resolution techniques using non-equidistant planar antenna arrays

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper studies the possibility of using planar nonequidistant antenna arrays in problems of constructing acoustic images. Such antenna arrays can be used, for example, for diagnostics of various mechanisms in order to determine areas of increased noise emission. Numerical modeling was performed in the paper to determine the advantages of using nonequidistant antennas. Comparisons of modern classical super-resolution methods with one of the new methods developed at the IAP RAS are given. The obtained results were confirmed in the experiment. The results of the work allow us to conclude that planar sparse nonequidistant antenna arrays make it possible to reduce the number of microphones used or to expand the frequency range in problems of source selection and their resolution in space.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Rodionov

Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

Email: saveliev@ipfran.ru
Russian Federation, Ulyanova 46, Nizhny Novgorod, 603950

N. V. Savelev

Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

Author for correspondence.
Email: saveliev@ipfran.ru
Russian Federation, Ulyanova 46, Nizhny Novgorod, 603950

References

  1. Heilmann G., Meyer A. Time-domain Beamforming using 3D-microphone arrays // Proc. the Berlin Beamforming Conference. Berlin, Germany, 19–20 February, 2008. Art. No. 4.
  2. Зверев В.А. Формирование изображений акустических источников в мелком море. Федер. исслед. центр Ин-т приклад. физики РАН. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2019. 112 с.
  3. Leahy R.M., Jeffs B.D. // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1991. V. 39. No. 8. P. 1178. doi: 10.1109/8.97353
  4. Bucci O.M., D’Urso M., Isernia T., et al. // IEEE Trans. Antennas Propagat. 2010. V. 58. No. 6. P. 1949. https://doi.org/10.1109/TAP.2010.2046831
  5. Малышкин Г.С., Сидельников Г.Б. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов (обзор) // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 5. С. 526–545.
  6. Сазонтов А.Г., Малеханов А.И. Согласованная пространственная обработка сигналов в подводных звуковых каналах (обзор) // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 2. С. 233–253.
  7. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Елохин А.В., Купцов В.В. Метод минимального многочлена для оценки параметров сигналов, принимаемых антенной решеткой // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 1. С. 78–85.
  8. Van Trees H.L. Detection, Estimation, and Modulation Theory. Part IV. Optimum Array Processing. N.Y.: Wiley, 2002.
  9. Родионов А.А., Турчин В.И. Обработка сигналов в антенных решетках на основе модели помехи, включающей корреляционную матрицу неполного ранга // Изв. вузов. Радиофизика. 2017. Т. 60. № 1. С. 60–71.
  10. Родионов А.А., Семенов В.Ю., Савельев Н.В., Коновалов К.С. Локализация неподвижного источника звука с использованием некогерентного апертурного синтеза с одновременным подавлением помех // Изв. вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62. № 2. С. 126–135.
  11. Иваненков А.С., Родионов А.А., Савельев Н.В. Определение эффективного числа источников помехи в задаче адаптивной оценки временных форм узкополосных сигналов с помощью антенных решеток // Изв. вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62. № 3. С. 228–240.
  12. Иваненков А.С., Родионов А.А., Савельев Н.В. Сверхразрешение близких источников в задаче построения акустических изображений с помощью метода максимального правдоподобия // XXXII Сессия РАО, Москва 14-18 октября 2019 г.
  13. Иваненков А.С., Родионов А.А., Савельев Н.В. Построение акустических изображений с помощью гибких микрофонных антенных решеток с использованием сверхразрешающих методов // Изв. вузов. Радиофизика. 2021. Т. 64. № 7. С. 522–534.
  14. Турчин В.И., Родионов А.А. Обнаружение и пеленгация источников с использованием разреженных антенных решеток // Изв. Вузов. Радиофизика. 2018. Т. 61. № 2. C. 122–140.
  15. Родионов А.А., Савельев Н.В. Синтез планарных разреженных антенных решеток для обнаружения и пеленгации // Изв. вузов. Радиофизика. 2024. Т. 67. № 3. C. 236–245.
  16. Королюк В.С., Портенко Н.И., Скороход А.В. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М: Наука, 1985. 640 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Selection of elements for AR. Black circles indicate the initial equidistant AR, red circles indicate the selection of elements according to the above method, gray lines indicate the boundaries of sublattices

Download (127KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of the resolution probability on the SNR for different adaptive methods. The result for an equidistant 120-element array is shown.

Download (176KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of resolution probability on SNR for different adaptive methods

Download (158KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Acoustic portrait for the MPCS and MUSIC methods for a sparse equidistant AR

Download (165KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Acoustic portrait for the MPCS and MUSIC methods for a sparse non-equidistant AR

Download (156KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Acoustic portrait constructed using the MUSIC and MPCS methods (120-element equidistant AR)

Download (526KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Acoustic portrait constructed using the MUSIC and MPCS methods (30-element sparse equidistant AR)

Download (541KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Acoustic portrait constructed using the MUSIC and MPCS methods (30-element sparse non-equidistant AR)

Download (539KB)
Indexing metadata
10. Рис. 9. Акустический портрет, построенный с помощью методов MUSIC и МПКС (30-элементная разреженная неэквидистантная АР, уменьшенное по сравнению с рис. 8 расстояние между источниками)

Download (546KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 The Russian Academy of Sciences