[發(fā)明專利]一種被動(dòng)聲傳感器陣列的波束形成方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410795608.8
• 申請(qǐng)日: 2014-12-18
• 公開（公告）號(hào): CN104483665A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊博;李志宇;侯志國;孫志潔;袁彥;張思凡;周印龍;蔡文義
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所
• 主分類號(hào): G01S7/52
• 分類號(hào): G01S7/52
• 代理公司: 北京天盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11421
• 代理人: 陳紅燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于聲探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種被動(dòng)聲傳感器陣列的波束形成方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在聲探測技術(shù)中，普遍采用聲傳感器陣列實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測。聲傳感器陣列是指利用多個(gè)聲傳感器布置在空間的不同位置組成傳感器陣列。聲傳感器陣列接收空間聲音信號(hào)，之后通過對(duì)接收到的陣列信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)靈活的波束控制，獲得高的信號(hào)增益和較強(qiáng)的抗干擾能力以及好的空間分辨能力。

波束形成技術(shù)是陣列信號(hào)處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該技術(shù)可對(duì)特定方向的有用信號(hào)形成波束，使之輸出最大并衰減其它方向的干擾信號(hào)。一般地，波束形成過程是：聲傳感器陣列接收到的信號(hào)首先經(jīng)過陣列接收機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，之后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)輸入如圖1所示的波束形成器，波束形成器首先利用加權(quán)系數(shù)對(duì)各個(gè)陣元輸出的信號(hào)進(jìn)行幅度加權(quán)，之后通過一個(gè)時(shí)延濾波器補(bǔ)償各陣元之間的時(shí)間延遲后，相加得到時(shí)域輸出。

現(xiàn)有技術(shù)中，各個(gè)陣元輸出的信號(hào)的不同頻率分量獲得的是相同的幅度加權(quán)，這種標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)并不適合陣列上有特殊噪聲的情況，不能獲得良好的噪聲抑制性能。作為一種優(yōu)化方式，可在整個(gè)寬帶內(nèi)劃分子帶，針對(duì)每一頻點(diǎn)單獨(dú)設(shè)計(jì)加權(quán)系數(shù)，得到多組加權(quán)系數(shù)，但該種方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種被動(dòng)聲傳感器陣列的波束形成方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)采用將寬帶劃分子帶并針對(duì)每一頻點(diǎn)單獨(dú)設(shè)計(jì)來獲得加權(quán)系數(shù)，存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用的問題。

本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種被動(dòng)聲傳感器陣列的波束形成方法，所述方法包括以下步驟：

將被動(dòng)聲傳感器陣列接收到的目標(biāo)信號(hào)的工作頻帶劃分為若干子帶；

針對(duì)劃分得到的一個(gè)子帶，根據(jù)預(yù)存的被動(dòng)聲傳感器陣列對(duì)噪聲源的響應(yīng)的互相關(guān)矩陣，生成優(yōu)化約束方程；

將所述優(yōu)化約束方程轉(zhuǎn)換為二階錐形式，并利用二階錐規(guī)劃數(shù)值方法，得到最優(yōu)加權(quán)系數(shù)；

輸出所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)給波束形成器，由所述波束形成器根據(jù)所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)得到時(shí)域?qū)拵Рㄊ?/p>

本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于提供一種被動(dòng)聲傳感器陣列的波束形成系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括波束形成器和加權(quán)系數(shù)生成單元，所述加權(quán)系數(shù)生成單元包括：

劃分模塊，用于將被動(dòng)聲傳感器陣列接收到的目標(biāo)信號(hào)的工作頻帶劃分為若干子帶；

生成模塊，用于針對(duì)劃分得到的一個(gè)子帶，根據(jù)預(yù)存的被動(dòng)聲傳感器陣列對(duì)噪聲源的響應(yīng)的互相關(guān)矩陣，生成優(yōu)化約束方程；

求解模塊，用于將所述優(yōu)化約束方程轉(zhuǎn)換為二階錐形式，并利用二階錐規(guī)劃數(shù)值方法，得到最優(yōu)加權(quán)系數(shù)；

輸出模塊，用于輸出所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)給所述波束形成器，由所述波束形成器根據(jù)所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)得到時(shí)域?qū)拵Рㄊ?/p>

本發(fā)明實(shí)施例提出的被動(dòng)聲傳感器陣列的波束形成方法及系統(tǒng)是利用二階錐規(guī)劃算法使得檢測指數(shù)最大，從而得到優(yōu)化的加權(quán)系數(shù)矩陣，之后將優(yōu)化后的加權(quán)系數(shù)矩陣施加到常規(guī)的波束形成器，以在噪聲源方向形成凹槽，抑制噪聲輸出，從而增強(qiáng)了聲傳感器陣列對(duì)離散噪聲干擾的抑制能力，提高了聲傳感器陣列的輸出信噪比。該方法及系統(tǒng)優(yōu)化的僅僅是加權(quán)系數(shù)，而無需改變現(xiàn)有波束形成器的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方式簡單。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，無需針對(duì)帶寬內(nèi)每一頻點(diǎn)單獨(dú)設(shè)計(jì)加權(quán)系數(shù)，而僅需優(yōu)化某一子帶的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)即可，工程上實(shí)現(xiàn)簡單，有利于工程應(yīng)用，特別適合應(yīng)用在車載、機(jī)載以及復(fù)雜環(huán)境噪聲背景下的聲探測領(lǐng)域，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的被動(dòng)聲傳感器陣列的波束形成方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中，圓形傳聲器陣列實(shí)例的示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中，圓形傳聲器陣列實(shí)例在噪聲信號(hào)為窄帶信號(hào)情況下，常規(guī)波束圖與優(yōu)化設(shè)計(jì)波束圖的比較示意圖；

圖4a是本發(fā)明實(shí)施例中，圓形傳聲器陣列實(shí)例在噪聲信號(hào)為寬帶信號(hào)情況下，常規(guī)波束圖的示意圖；

圖4b是本發(fā)明實(shí)施例中，圓形傳聲器陣列實(shí)例在噪聲信號(hào)為寬帶信號(hào)情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)波束圖的示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的被動(dòng)聲傳感器陣列的波束形成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖6是圖5中，波束形成器的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。