[發明專利]用于環形陣的時域寬帶諧波域波束形成器及波束形成方法

有效

• 申請號: 201410001519.1
• 申請日: 2014-01-02
• 公開（公告）號: CN104768100B
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 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

1.一種用于環形陣的時域寬帶諧波域波束形成器，其特征在于，所述的波束形成器包括：諧波變換模塊和波束圖合成模塊；所述的諧波變換模塊，用于對環形傳感器陣列接收的數據采樣進行圓環諧波變換，得到圓環諧波域數據，并對圓環諧波域數據進行加權求和處理；所述的波束圖合成模塊為基于FIR濾波器的波束圖合成模塊，用于將諧波變換模塊輸出的各階圓環諧波域數據分別與FIR濾波器的系數進行卷積處理，再對各FIR濾波器輸出求和，獲得時域寬帶諧波域波束；所述FIR濾波器根據構造的時域寬帶諧波域波束形成器的各性能參數相對于FIR濾波器系數的表達式，通過約束優化求解各FIR濾波器的系數；

所述的諧波變換模塊，對環形傳感器陣列接收的數據采樣進行圓環諧波變換的表達式為：

其中，表示輸出圓環諧波域數據，n表示諧波階數，l表示數據點序號，φ_m表示圓環陣第m個陣元的方位位置，M表示陣元個數，表示來波方向，x_m(l)表示環形傳感器陣列接收的采樣數據，其表示為：

xm(l)=xm(t)|t=lTs]]>

其中，x_m(t)表示第m個陣元接收到的寬帶信號連續波形，m＝1，...，M，T_s表示采樣周期，t表示時間。

2.根據權利要求1所述的用于環形陣的時域寬帶諧波域波束形成器，其特征在于，所述的環形陣為無擋板環形陣或有擋板環形陣。

3.根據權利要求2所述的用于環形陣的時域寬帶諧波域波束形成器，其特征在于，所述的FIR濾波器根據環形陣基陣模型的各階模態，構造時域寬帶諧波域波束形成器的各性能參數，包括：波束響應、波束輸出功率、白噪聲增益、寬帶主瓣響應隨頻率一致性和旁瓣大小；

所述的環形陣基陣模型得到各階模態C_n(kr)表示為：

其中，k＝2πf/c表示波數，c表示聲速，f表示頻率，j_n與h_n分別是n階球Bessel與Hankel函數，j_n’和h_n’分別是j_n與h_n的導數；r表示圓環半徑；

根據各階模態C_n(kr)獲得圓環模態流形向量a，其中，

a＝[a₀，...，a_n，...，a_N]^T，

an(kr,ψ)=Pn→η,]]>

Pn→=C0(kr),n=02Cn(kr)cos nψ,n≠0]]>

上式中，表示圓環模態域流形因子，匹配系數T₀＝-(L-1)T_s/2，L是FIR濾波器長度，ψ是來波方向與觀測方向在環形陣所在平面上的夾角，即N表示圓諧波模態的最高階數；

構造寬帶諧波域陣列時域流形向量u(kr，ψ)，其中，表示Kronecker積，e(f)為濾波器響應系數向量，表示為：

e(f)=[1,e-i2πfTs,...,e-i(L-1)2πfTs]T,]]>

其中，T_s表示采樣周期，(·)^T表示轉置；

構造FIR濾波器的波束響應表達式：

其中，是(N+1)L×1維列向量，h_n＝[h_n1，h_n2，...，h_nL]^T是第n階諧波對應的FIR濾波器加權系數，L是濾波器長度；

構造相對于濾波器系數h的單位功率寬帶柱面各向同性噪聲協方差矩陣表示為：

上式中，k_L與k_U分別是對應于頻率的信號下、上邊界波數，表示相對于濾波器系數h的子帶噪聲協方差矩陣，(·)^H表示共軛轉置，I_(N+1)×(N+1)表示N+1維單位矩陣，表示子帶噪聲協方差矩陣，diag{·}表示構造一個對角元素為括號中的元素的對角矩陣；

構造寬帶柱面各向同性噪聲波束輸出功率表示為：

構造寬帶白噪聲增益表示為：

Gw↔=MhTh]]>

其中，為了提取N階圓環諧波，需要滿足M＞2N；

主瓣空間響應差異向量γ_MSRV是N_MLN_k×1列向量，N_ML表示將主瓣方位角進行離散化時所取的離散個數，N_k表示將工作頻帶離散化所取的離散個數；表示為：

[γMSRV]j+(l-1)Nk=γMSRV(kjr,ψl),]]>

其中，上式滿足將工作波數帶[k_L，k_U]范圍內的主瓣域Φ_ML進行離散化為k_j∈[k_L，k_U](j＝1，2，...，N_k)，ψ_l∈Φ_ML(l＝1，...，N_ML)，γ_MSRV(k_jr，ψ_l)＝h^Tu(k_jr，ψ_l)-h^Tu(k₀r，ψ_l)，k₀為選擇的參考波數；

旁瓣性能向量B_SL是N_SLK×1列向量，N_SL表示將旁瓣方位角進行離散化時所取的離散個數；表示為：

[BSL]j+(l-1)NSL=hTu(kjr,ψi),]]>

其中，ψ_i是將旁瓣域離散的有限個網格點，即ψ_i∈Φ_SL(i＝1，2，...，N_SL)，其中Φ_SL表示旁瓣域。