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基于传声器阵列技术的阵列声成像研究主要包括阵列优化设计和稳健的声源定位研究。阵列的阵型决定了阵列波束主瓣宽度和旁瓣级，表征了阵列空间分辨能力和抗干扰能力，因此优化设计阵形提高阵列性能，成为阵列研究中的重要内容。虽然存在各种高分辨率算法，但实际工作环境由于混响和干扰的影响，高分辨率算法性能急剧下降而无法使用，因此计算量较小便于实时实现的稳健波束形成算法成为一项重要研究内容。球面传声器阵列具有三维均匀探测能力，阵列波束可以灵活地指向空间任意方向，得到广泛应用。基于球谐函数函数理论的球面阵列处理，在阵元位置无法满足正交关系时，阵列波束将产生严重变形，因此如何设计理想稳健波束，以及在干扰和噪声环境中最优波束的设计是球面阵列研究的重要内容。
声信号的处理主要包括信号显示分析以及阵列信号处理，其中信号显示包括波形显示和频谱分析。阵列信号处理提供了成像频带选择、算法选择、阵形选择，选择不同的参数传输给DLL进行声像计算。声信号经过DFT变换，将频域信号传输给算法程序，频带选择限定了声源的成像频率范围，根据需要可以选择不同的带宽进行分析。选择时域的时延相加波束形成、频域的相移相加波束形成、改进的SRO-PHAT算法等。通过选择阵形，可以获得不同阵元坐标，结合成像距离选定信号类型，获得阵列的导向矢量，供算法调用。算法最终获得能量的二维分布，经过归一化转化为RGB色阶的二维矩阵，而视频信号也同时转化为RGB色阶的二维矩阵，经过图像融合处理，获得最终的声成像结果。阵列性能指标主要包括空间分辨率、旁瓣抑制能力和阵列测量频率上下限。再降低频率两个声源无法分离，此时的频率即为声成像测量系统的测量频率下限。通常以阵列视角出现虚像的频率作为阵列的测量上限，声源虚像是指声场视角内出现的略小于声源或与声源相当但实际并不存在的声像。将一个声源放置于视频边缘不断提高声源频率直到视角边缘出现虚像，此时的频率即为阵列的测量频率上限。阵列的半功率波束宽度表征了阵列的空间分辨率。阵列的旁瓣级表征了阵列的干扰抑制能力。本章根据阵列优化结果设计了声成像硬件系统和软件系统，并根据实时性要求基于GPU在CUBA编程框架下实现了阵列算法，对阵列声成像系统性能进行了研究，包括测量频率下限、测量频率上限、系统空间分辨率、干扰抑制能力和抗混响性能。
采用粒子群算法进行传声器阵型的优化设计。采用实数粒子群算法优化平面螺旋阵列和同心圆环阵列，得到旁瓣级最低的优化阵形；提出改进的实数粒子群算法，兼顾波束主瓣宽度和旁瓣级，获得优化的八星立体阵列；研究了二进制粒子群算法及布尔粒子群算法，稀疏优化平面矩形阵列，并提出改进的二进制粒子群算法，进一步提高收敛速度和优化性能。仿真结果验证了采用不同粒子群算法优化阵形的有效性，可以获得在不同的优化条件下的最优设计结果。
传声器定位算法大体分为三类：一是基于最大输出功率的可控波束形成定位算法；二是基于高分辨率的谱估计定位技术；三是基于到达声达时间差的定位技术，可控波束形成的声源定位算法，基本思想就是把各路传声器接受到的声源信号进行一系列运算，通过搜索声源的可能位置来引导该波束，在整个接收空间内扫描，波束输出功率最大的点即为声源的方位。时延估计是声源定位领域的一项关键技术，时间延迟是指传声器阵列中不同传感器接收到同源信号之间由于传输距离不同而引起的时间差。每个时间差唯一的对应一个双曲面，多个传感器对就可以得到多个双曲面，根据这些双曲面的交集就可以对声源进行定位。时延估计算法很多，其中广泛应用的是广义互相关方法和自适应最小均方方法。广义互相关法，通过求两信号之间的互功率谱，并在频率内给与一定的加权，来抑制噪声和混响的影响，然后再反变换到时域，得到两信号之间的互相关函数，其峰值位置即为两信号之间的相对时延，自适应滤波是基于最小均方误差准则，在收敛的情况下给出时延估计。
实时阵列成像定位要求算法具有较小的计算量和较高的稳健性，因此研究了能够在中度混响和中低噪声环境下正常工作的可控响应功率算法。针对声场中弱声源被强声源掩蔽而无法定位的问题提出了时延加权可控响应功率两步法定位弱声源，仿真结果验证了改进算法对非相干弱声源定位的有效性。研究了移动声源中多普勒频移对声源定位的影响，并采用多普勒补偿降低定位误差，获得更好的定位结果。
实际应用中，球面阵元通常无法满足正交特性，导致波束畸变而无法使用，因此对非正交阵列的正交误差，采用最小误差范数法，利用凸优化工具，获得正交误差最小化条件下的正交系数，在高频信号或低阶模态时获得了理想的波束，但低频信号高阶模态时波束畸变仍然严重，因此推到了波束误差，并采用最小误差范数法和加权向量范数约束法获得稳健的球面阵列加权并限制白噪声增益，得到不同频率不同模态的理想波束。采用粒子群算法设计球面阵列波束，设计得到与加权方法一致的等旁瓣切比雪夫波束，采用同样的方法设计了旁瓣递减的泰勒波束凹槽旋转对称的波束以抵抗干扰。同时提出改进的切比雪夫加权，在低频段兼顾白噪声增益和空间分辨率，解决高阶模态白噪声增益大小，低阶模态空间分辨率过低的问题。为获得灵活的波束设计，在白噪声增益、波束旁瓣、零陷凹槽、波束方向等约束条件下使得波束输出功率最小，采用凸优化工具获得稳健阵列加权，设计零点约束的期望波束以抵抗干扰与噪声。
基于以上的阵列优化结果和阵列定位算法，设计了阵列声成像测量定位系统，并对系统性能进行了实验研究，利用系统对不同设备进行了噪声测量定位实验，验证了声成像系统进行成像定位的有效性。