AdaBeam

Adaptive Beamformingmethoden für die Arraypraxis

Ziel des Vorhabens AdaBeam war die Entwicklung von neuartigen, adaptiven Beamforming-Methoden. Diese zählen zu den erweiterten, von den statistischen Eigenschaften der aufgenommenen Daten dynamisch abhängigen Array-Methoden, die theoretisch gegenüber dem einfachen Delay-and-Sum-Be amforming Vorzüge wie eine deutlich höhere Ortsauflösung, gute Quelltrennung und hohe Dynamik in den akustischen Karten aufweisen. Aufgrund der fehlenden Robustheit gegenüber Störeinflüssen wie Reflexionen und Raummoden haben adaptive Beamformer bisher in der technischen Anwendung von Mikrofon-Arrays unter rauen industriellen Bedingungen keine weite Anwendung gefunden. Es war deshalb Ziel dieses Projekts, verbesserte adaptive Algorithmen zu schaffen, die auch unter Realbedingungen stabil funktionieren und von typischen Endanwendern akustischer Array-Technik ohne großen Parametrierungsaufwand leicht und intuitiv bedienbar sind.

Im Jahr 2020 konnte aufbauend auf den im ersten Projektjahr 2019 geleisteten Arbeiten und theoretischen Untersuchungen ein flexibles, adaptives Beamformingverfahren entwickelt werden, das mehrere erweiterte Methoden miteinander kombiniert. Unter Nutzung mathematischer Ansätze, die auf gewichteten Hölder-Mitteln beruhen, gelang eine elegante und abstrakte Beschreibung eines neuen, nunmehr als „Power Beamforming“ bezeichneten Algorithmus. Dabei wurden Modellaspekte des orthogonalen und des funktionalen Beamforming sowie des adaptiven Beamforming miteinander verbunden und mittels eines vereinfachten, einheitlichen Parameters beschreibbar und somit für Anwender einfacher nutz- bar gemacht. Im Projekt wurden sehr umfangreiche Arbeiten geleistet, um speziell eine möglichst stabile Bestimmung der adaptiven Parameter und eine gute Regularisierung der inversen Probleme zu garantieren.

Mit dem neuen Power-Beamforming können gegenüber Standard-Beamforming deutliche Kontrastverbesserungen erzielt werden, wie in den Bildern zu sehen ist. Der Bildkontrast beträgt hier jeweils 30 dB.

Mit den erzielten Vorhabensergebnissen werden den Anwendern in der Industrie-Praxis neue Werkzeuge an die Hand gegeben, um auch erweiterte Beamforming-Methoden und adaptive Algorithmen für die Lösung anspruchsvoller, akustischer Kartierungsaufgaben mit beherrschbarem Aufwand und mit stabilen Resultaten nutzen zu können, ohne dafür das bisher benötigte sehr hohe Qualifikationsniveau eines theoretisch geschulten Array-Experten besitzen zu müssen.