[發明專利]用于圓環形陣的模態波束形成器及頻域寬帶實現方法

有效

• 申請號: 201410001369.4
• 申請日: 2014-01-02
• 公開（公告）號: CN104768099B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 鄢社鋒;馬曉川;侯朝煥
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: H04R3/00
• 分類號: H04R3/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司11318
• 代理人: 楊小蓉,楊林

技術領域

本發明涉及陣列信號處理領域，特別涉及一種用于圓環形陣的模態波束形成器及頻域帶寬實現方法。

背景技術

波束形成處理廣泛應用于麥克風陣列、聲吶、雷達和無線通信等領域。一般的陣元域波束形成的處理過程為：采用空間分布的傳感器陣列采集數據，然后對所采集的陣列數據進行線性加權組合處理，得到一個標量波束輸出。能夠實現上述處理過程的裝置被稱為波束形成器。通過設計加權系數，陣列接收系統響應具有方向性，因此波束形成器可用于進行空域濾波，提高信噪比。

在已有的發明專利（參見參考文獻1：鄢社鋒等，用于球面陣的時域寬帶諧波域波束形成器及波束形成方法，ZL201010186643.1）中，提出了一種針對球形陣列的諧波分解與濾波求和處理的時域寬帶波束形成器實現方法。該專利中詳盡的描述了諧波域波束形成器在球形陣列上的設計步驟與最終的波束形成器的結構。但是其設計與實現的結果只適用于球形陣列。

由于陣型簡單，圓環形陣列在設計與布放等各方面都有著很廣泛的應用。而基于圓環形陣列的波束形成器，由于其對稱的陣型，在陣列所在的水平面上有著全方向的觀測能力，因此基于圓環形陣列的模態波束形成器成為近年的研究熱點之一。

近年來，許多文獻中提到了針對圓環形陣列的模式波束形成方法，如參考文獻2：H.Teutsch and W.Kellermann,“Acoustic source detection and localization based on wavefield decomposition using circular microphone arrays,”J.Acoust.Soc.Amer.，vol.120,no.5,pp.2724–2736,Nov.2006.”，在該篇文獻中作者使用一個有擋板的圓環陣列進行聲場分解和聲源定位，給出了基于本征值的圓環陣列模態波束形成器的模型。但是眾多文獻中并沒有考慮對所述波束形成器的參數（如波束形成器的穩健性、對干擾的抑制能力、期望主瓣響應誤差等）進行約束波束優化設計，導致這些方法對傳感器陣列的各種適配敏感，難以實用。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的了針對圓環形陣列的模式波束形成方法穩健性差導致實用性不高的缺陷，從而提供一種用于圓環形陣的模態波束形成器及頻域帶寬實現方法。

為了實現上述目的，本發明提供了一種用于圓環形陣的模態波束形成器，包括：采樣緩存DFT單元（1）、圓環諧波數據變換單元（2）以及波束合成單元（3）；其中，所述采樣緩存DFT單元（1）包括M路，每一路中至少包括有一模數轉換器、一緩存、一離散傅里葉變換器，所述圓環諧波數據變換單元（2）包含多個子單元，每一子單元都與所述圓環諧波數據變換單元（2）的M路相連；所述波束合成單元（3）包括多個子帶波束合成器與一離散傅里葉逆變換器，所述圓環諧波數據變換單元（2）中的一個子單元對應連接到波束合成單元（3）中的一子帶波束合成器，各個子帶波束合成器都與所述離散傅里葉逆變換器連接；所述圓環諧波數據變換單元（2）中的子單元的個數以及所述波束合成單元（3）中的子帶波束合成器的個數都與模態波束形成器的工作頻帶的子帶數目有關；其中，

所述采樣緩存DFT單元（1）采集圓環形陣中的陣元所接收的信號，生成M路陣元域子帶數據并輸入到所述圓環諧波數據變換單元（2）；所述圓環諧波數據變換單元（2）的各個子單元分別對M路陣元域子帶數據進行處理，得到并輸出圓環諧波數據；所述圓環諧波數據分別輸入所述波束合成單元（3）中的各子帶諧波域波束形成器，得到諧波域頻域子帶數據，然后將各個諧波域頻域子帶數據做加權和，得到波束輸出頻域數據，最后由所述波束合成單元（3）中的離散傅里葉逆變換器統一做離散傅里葉逆變換，得到波束輸出數據序列。

本發明還提供了基于所述的用于圓環形陣的模態波束形成器所實現的頻域寬帶實現方法，包括：

步驟1）、對圓環形陣所輸入的信號做時間采樣，對所得到的時間采樣數據進行離散傅里葉變換處理，獲得陣元域頻域數據，再對陣元域頻域數據進行圓傅里葉變換，得到圓環形陣頻域諧波域數據，進而從中選取工作頻帶范圍內的圓環形陣頻域諧波域子帶數據；

步驟2）、構造用于圓環形陣的模態波束形成器的性能參數與模態波束形成子帶加權向量之間的關系表達式；

步驟3）、針對步驟1）中所選取的各圓環形陣頻域諧波域子帶數據，確定多個指標，將其中任意一個指標作為代價函數，其余指標作為約束值，構造子帶諧波域波束形成器優化設計表達式；