[發明專利]一種基于迭代最小二乘-預濾波的最優主動時反聚焦方法

有效

• 申請號: 200910089437.6
• 申請日: 2009-07-17
• 公開（公告）號: CN101645264A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 馬登永;楊軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G10K11/26
• 分類號: G10K11/26;G10K11/32;H03H21/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊小蓉

1.一種基于迭代最小二乘-預濾波的最優主動時反聚焦方法，該方法包括步驟：

1)按常規主動時反過程，由導引聲源發射源信號，時反陣列進行接收、時反、 重發操作后，在聲源位置點獲得聚焦信號；所述源信號為寬帶脈沖信號，其帶寬為 20Hz～200KHz，其頻段在可聽聲或超聲頻帶范圍內；

2)聯合源信號和聚焦信號，利用迭代的最小二乘準則，估計出多個級聯的預濾 波器時域響應，用于對源信號進行濾波處理；

3)重新按照常規時反過程，由導引聲源發射預濾波后的源信號，時反陣列進行 接收、時反、重發操作后，在聲源位置獲得最優的聚焦信號波形。

2.根據權利要求1所述的基于迭代最小二乘-預濾波的最優主動時反聚焦方法， 其特征在于，所述的導引聲源為多個聲源。

3.根據權利要求1所述的基于迭代最小二乘-預濾波的最優主動時反聚焦方法， 其特征在于，所述的時反陣列為常規的線陣列或弧面陣列；也可以為隨機陣列。

4.根據權利要求1所述的基于迭代最小二乘-預濾波的最優主動時反聚焦方法， 其特征在于，所述的時反陣列具有發射和接收兩種功能，其每個陣元可以是具有發 射和接收兩種工作方式的單個換能器，也可以由處于同一位置上的發射換能器和接 收換能器組合而成。

5.根據權利要求1所述的基于迭代最小二乘-預濾波的最優主動時反聚焦方法， 其特征在于，所述步驟1)或/和步驟3)中，所述常規時反過程包括前向傳輸和后向 傳輸兩個過程；在前向傳輸中，由導引聲源發射脈沖信號，由時反陣列接收信號后， 進行時域反轉；在后向傳輸過程中，由時反陣列重新發射時反后的信號，在聲源位 置點處可以獲得聚焦信號。

6.根據權利要求1所述的基于迭代最小二乘-預濾波的最優主動時反聚焦方法， 其特征在于，

所述步驟1)中，具體步驟如下：

假設導引聲源發出的源信號時域序列矢量為：

s＝[s(0)?s(1)?…?s(N-1)]^T

其中，N是源信號時域離散序列的采樣點數；

假設J元時反陣列的第p個陣元與聲源之間的格林函數時域沖激響應序列矢量 表示為：

g_p＝[g_p(0)?g_p(1)?…?g_p(L-1)]^T

其中，L是格林函數時域響應的序列長度，那么由該陣元接收的時域信號序列 矢量表示為：

r_1，p＝[r_1，p(0)?r_1，p(1)?…?r_1，p(N-1)]^T

?????＝G_R，ps

其中，格林函數矩陣G_R，p是對應于第p個陣元的N×N維信道傳輸矩陣，其表 達式如下：

由J元陣列接收的時域信號序列的數據矩陣可以表示為：

其中，I_J是J×J維的單位矩陣，是Kronecker積運算符，G_R是J元時反陣 列與聲源之間的信道傳輸矩陣；

J元時反陣列在采集到接收信號的數據以后，需要對各陣元采集的信號序列進行 時域反轉操作；

假設對第p個陣元的接收信號序列進行時域反轉處理，得到的時反信號序列矢 量表示為：

r1,ptr=r1,p(N-1)r1,p(N-2)...r1,p(0)T]]>

=GL,ps]]>

其中，G_L，p表示第p個陣元在進行時反操作之后的反轉信道傳輸矩陣，其表達 式如下：

J元時反陣列的接收數據矩陣在進行時反操作之后，可以表示為：

R1tr=r1,1trr1,2tr...r1,Jtr]]>

=GL,1GL,2...GL,J·IJ⊗s]]>

=GL·IJ⊗s]]>

將J元時反陣列的時反數據矩陣的J個列矢量，合并成一個JN×1維的列矢量， 其表達式如下：

r1,JNtr=r1,1trTr1,2trT...r1,JtrTT]]>

=GL,1TGL,2T...GL,JTT·s]]>

=GL′T·s]]>

其中，

當J元時反陣列再次發射時反信號時，在聲源位置點處獲得的聚焦信號的時域 序列矢量可以表示為：

r2=r2(0)r2(1)...r2(N-1)T]]>

=GR·r1,JNtr]]>

=GRGL′T·s]]>

=Σp=1JGR,pGL,p·s]]>

所述步驟2)中的利用迭代最小二乘準則估計級聯預濾波器響應的過程，具體步 驟包括：21)在第1次迭代時，假定待求的預濾波器時域脈沖響應序列的長度為M， 那么該響應序列矢量表示為：

w_F＝[w_F(0)?w_F(1)?…?w_F(M-1)]^T

根據預濾波器的待求時域響應，對聚焦信號進行濾波處理后，得到聲源位置點 處的最優聚焦信號時域仿真結果為：

r2,opts=r2,opts(0)r2,opts(1)...r2,opts(M-1)T]]>

=WFr2]]>

其中，W_F是N×N維的預濾波器響應矢量構造的響應矩陣，其表達式為：

22)結合源信號s和聚焦信號的仿真結果r_2，opts，根據最小二乘準則，計算出使源 信號s和r_2，opts之間的誤差功率取最小值時的預濾波器脈沖響應矢量，作為第1次迭代 時，設計的最優預濾波器響應矢量的估計值，其表達式為：

w^F=argminwF||r2,opts-s||2]]>

=argminwF||RN×MwF-s||2]]>

=(RN×MTRN×M)-1RN×MTs]]>

其中，R_N×M是N×M維的數據矩陣，其表達式為：

23)對估計的預濾波器響應矢量進行歸一化處理，得到：

w^NF=w^Fw^FT·w^F/M2]]>

24)由預濾波器響應矢量的估計值，可以構造預濾波器響應矩陣的估計值其表達式為：

25)再由預濾波器響應矩陣的估計值，可以計算出聲源位置點最優聚焦信號的 仿真結果為：

r2,opts=r2,opts(0)r2,opts(1)...r2,opts(N-1)T]]>

=W^Fr2.]]>