球面麦克风阵列可以有效地处理三维声场信息,因此近年来在音频与语音信号处理中得到了广泛的应用。采用球面麦克风阵列进行宽带波束形成器设计,主要分为阵元域和模态域两类设计方法。相比阵元域方法,模态域方法易于实现三维空间中的波束指向调节,因此已成为球面阵宽带波束形成器主流设计方法。模态域方法可以采用时域或频域实现结构。与频域实现结构相比,时域结构的实时性更好,因此本文主要基于时域实现结构进行研究。球面阵模态域宽带波束形成器的性能易受到麦克风失配误差的影响,因此研究如何有效地提高球面阵模态域宽带波束形成器的稳健性能具有重要意义。基于此,本文对时域实现结构球面阵的最差性能最优化稳健宽带波束形成器设计进行了研究。此外,现有的波束指向可调的模态域时域实现结构所设计的波束图形状只能是轴对称的,不适用于形状任意的波束图,为此本文提出了新的时域实现结构。本文的主要工作和贡献如下:1、针对球面阵模态域宽带波束形成器对麦克风失配误差敏感的问题,本文研究了时域实现结构球面阵的最差性能最优化稳健宽带波束形成器设计。揭示了波束响应误差上界的保守性是影响现有最差性能最优化方法性能的主要原因,进而提出了一种波束响应误差上界更为紧凑的优化设计方法,并从理论上进行了证明。针对最差性能最优化设计方法存在的波束指向方向上阵列响应波动偏大的问题,还给出了一种改善频率不变性的约束方法。仿真分析结果表明:在相同麦克风失配误差条件下,所提出的设计方法要优于现有方法,得到的波束图具有更低的旁瓣级。2、现有的波束指向可调的模态域时域实现结构波束形成器只适用于轴对称的波束图。为了克服这一缺点,本文提出了一种新的波束指向可调的模态域波束形成器的时域实现结构。该结构基于Wigner-D函数进行设计,适用于任意形状的波束图。针对这一结构,从理论上推导了波束响应和宽带白噪声增益公式:根据波束响应公式给出了波束形成器权值设计、Wigner-D函数的旋转角度与期望波束指向之间的对应关系;由宽带白噪声增益公式指出,所提结构波束形成器的稳健性能与波束的指向无关。仿真结果验证了所提时域结构的有效性。