本發(fā)明涉及聲陣列測(cè)試的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多環(huán)同軸圓環(huán)陣穩(wěn)健超指向性波束形成方法。

背景技術(shù)：

聲陣列波束形成技術(shù)是識(shí)別運(yùn)動(dòng)噪聲源的常用手段，因其適于遠(yuǎn)場(chǎng)和中高頻噪聲測(cè)量，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火車、汽車等運(yùn)載工具的噪聲測(cè)試中。聲陣列波束的寬度表征了陣列識(shí)別聲源的分辨能力，波束寬度越寬，陣列的識(shí)別能力就越差，即陣列分辨相鄰聲源的能力就越差；陣列波束的最大主瓣與最大旁瓣幅值的比值或最大旁瓣級(jí)的大小表示了陣列抑制干擾或噪聲的能力，也就是在聲圖像上抑制‘鬼影’虛假聲源的能力。由此可見，如何形成一個(gè)主瓣窄，最大旁瓣級(jí)小，對(duì)背景噪聲不敏感的陣列波束是聲陣列波束形成技術(shù)的關(guān)鍵。

聲陣列波束形成的本質(zhì)是如何確定一個(gè)合理的陣列輸出加權(quán)函數(shù)，不同加權(quán)函數(shù)的選取方法產(chǎn)生了不同的波束形成方法。如以陣列輸出能量最大為目標(biāo)的傳統(tǒng)波束形成法、高分辨率的capon波束、以子空間為基礎(chǔ)的MUSIC算法、以頻譜為基礎(chǔ)加強(qiáng)分辨率法、參數(shù)估計(jì)方法等，這些方法能有效地形成陣列的輸出波束，實(shí)現(xiàn)靜止聲源的識(shí)別。而針對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源，因其聲場(chǎng)的多普勒效應(yīng)、指向性和運(yùn)動(dòng)耦合的特性，使得這些方法存在一定的局限，針對(duì)識(shí)別運(yùn)動(dòng)聲源的聲陣列波束的形成和波束性能的研究，存在如下問題亟待解決：

(1)聲陣列的運(yùn)動(dòng)聲源空間分辨率低：

因運(yùn)動(dòng)聲源輻射聲場(chǎng)的特殊性，聲陣列測(cè)量性能受聲陣列模式混疊、陣元互耦和旁瓣影響，不能清晰分辨出相距較近的多個(gè)噪聲源，相干聲源分辨力低，定位準(zhǔn)確性差；

(2)超指向性波束穩(wěn)健性差、噪聲敏感性強(qiáng)：

非規(guī)則聲陣列的輻射模式中旁瓣變得復(fù)雜，虛假聲源的抑制性變差；波束的穩(wěn)健性受測(cè)量聲源的頻率和信號(hào)的輸入信噪比影響大，測(cè)量頻率越寬，信噪比越小，波束形成及其穩(wěn)健性保證就越難；

(3)超指向性波束的形成過程復(fù)雜：

超指向性波束的形成與陣列輸出的加權(quán)方式、波束形成過程和陣元輸入信噪比等因素有關(guān)，找出一個(gè)合理的陣列加權(quán)方式和有效的形成過程，計(jì)算量大、效率低、盲目性強(qiáng)。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)穩(wěn)健超指向性的聲陣列波束形成方法，尚缺乏有效的方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種多環(huán)同軸圓環(huán)陣穩(wěn)健超指向性波束形成方法，其解決了現(xiàn)有測(cè)量聲陣列的聲源空間分辨精度低、虛假聲源抑制性和波束穩(wěn)健性差、波束形成過程盲目性強(qiáng)、效率低和經(jīng)濟(jì)性差等問題。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種多環(huán)同軸圓環(huán)陣穩(wěn)健超指向性波束形成方法，包括以下步驟：

步驟1以多環(huán)同軸圓環(huán)陣列作為基礎(chǔ)聲陣列，確定基礎(chǔ)聲陣列的環(huán)數(shù)和環(huán)上陣元數(shù)；

步驟2設(shè)置聲陣列中陣元信噪比加權(quán)方式；

步驟3建立聲陣列超指向性波束模型。

進(jìn)一步的，所述的步驟1中根據(jù)被測(cè)量運(yùn)動(dòng)聲場(chǎng)的頻率范圍確定基礎(chǔ)聲陣列的環(huán)數(shù)和環(huán)上陣元數(shù)，包括以下步驟：

步驟(1-1)根據(jù)被測(cè)量運(yùn)動(dòng)聲場(chǎng)的頻率范圍確定基礎(chǔ)聲陣列孔徑的大小，即同軸圓環(huán)陣列的環(huán)數(shù)和最大環(huán)半徑；

步驟(1-2)根據(jù)陣列測(cè)量運(yùn)動(dòng)聲源及抗空間混疊和柵瓣性能要求，獲得陣元的周向和徑向間距；

步驟(1-3)根據(jù)陣元的周向和徑向間距獲得同軸圓環(huán)陣列的環(huán)數(shù)和各環(huán)上的陣元數(shù)。

進(jìn)一步的，所述的步驟2中同軸圓環(huán)陣的不同環(huán)陣元和同環(huán)陣元分別設(shè)置加權(quán)方式；不同環(huán)陣元的權(quán)值由延時(shí)疊加法確定，同環(huán)陣元的權(quán)值由陣元輸入信噪比確定。

進(jìn)一步的，所述的不同環(huán)陣元的權(quán)值確定方法為：

不同環(huán)上的權(quán)值w_m由延時(shí)疊加法確定，設(shè)一窄帶波波長(zhǎng)為λ，入射方向(φ₀,θ₀)，第m環(huán)的權(quán)值表示為：

W＝[w₁,w₂…w_M]^T

其中，m＝1,2…M，φ_mi＝2π(i-1)/N_m；N_m為第m環(huán)上的陣元數(shù)，M為陣列環(huán)數(shù)，φ為陣元的方位角，θ為俯仰角，[·]^T表示轉(zhuǎn)置。

進(jìn)一步的，所述的同環(huán)陣元的權(quán)值根據(jù)陣元的輸入信噪比和陣元與聲源間的歐式距離確定，其確定方法為：

設(shè)權(quán)函數(shù)h_i是陣元i的信噪比SNR_i和陣元與聲源間歐式距離r_si的函數(shù)：

第m環(huán)上的N_m個(gè)陣元的權(quán)值表示為：

進(jìn)一步的，當(dāng)信噪比SNR_i不為0時(shí)陣元權(quán)值為h_i，信噪比SNR_i為0時(shí)陣元權(quán)值為0。

進(jìn)一步的，所述的步驟3中超指向波束模型的建立方法為：

設(shè)一窄帶信號(hào)入射到同軸圓環(huán)陣，波束形成輸出表示為：

其中，x_mn(t)和v_mn分別表示第m環(huán)上第n個(gè)陣元的信號(hào)和權(quán)值。

進(jìn)一步的，所述的波束形成輸出以向量形式表示為：

z(t)＝V^HX(t)

其中，X(t)表示陣元接收信號(hào)向量，大小均為K×1，K為陣列的陣元數(shù)量，H表示共軛轉(zhuǎn)置；V表示陣元權(quán)值向量，大小為K×M，M為陣列環(huán)數(shù)量。同軸圓環(huán)陣中，每個(gè)環(huán)都是一個(gè)獨(dú)立的陣列，因此，對(duì)權(quán)值的設(shè)計(jì)分成兩部分，一是同環(huán)各陣元的權(quán)值，表示各陣元對(duì)此圓環(huán)陣模式的貢獻(xiàn)；二是不同環(huán)的權(quán)值，表征不同環(huán)對(duì)整個(gè)同軸環(huán)陣的貢獻(xiàn)。

進(jìn)一步的，當(dāng)圓環(huán)陣列的權(quán)值確定，M環(huán)同軸圓環(huán)陣的三維陣列響應(yīng)模式為：

其中，ρ_m表示第m環(huán)半徑；v_m表示m環(huán)各陣元的權(quán)值。

進(jìn)一步的，圓環(huán)陣列的超指向性波束表示為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明以多環(huán)同軸圓環(huán)陣列為基礎(chǔ)聲陣列方式，能夠保證有效的孔徑、頻寬和輻射角度，同時(shí)為采用分步加權(quán)奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；

2、本發(fā)明采用分步加權(quán)方式，針對(duì)不同位置的陣元附加相應(yīng)的權(quán)重，大大提高了超指向波束形成速度，增強(qiáng)了陣列測(cè)量性能，提高其經(jīng)濟(jì)性；

3、本發(fā)明采用不同環(huán)陣元的權(quán)值由延時(shí)疊加法確定，同環(huán)陣元的權(quán)值由陣元輸入信噪比確定的陣元信噪比加權(quán)方式，大大提高了陣列的輸出信噪比，保證了超指向波束的穩(wěn)健性，同時(shí)指向性指數(shù)可有效實(shí)現(xiàn)波束超指向性的定量評(píng)價(jià)；

4、本發(fā)明的多環(huán)同軸圓環(huán)陣穩(wěn)健超指向性波束形成方法總體分為三步，這三步相互聯(lián)系又相互獨(dú)立，便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化條件的精確單獨(dú)控制；同時(shí)可針對(duì)不同聲源類型及頻率特征，修改相應(yīng)約束和參數(shù)，提高了該方法應(yīng)用的普適性和適用性。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明的整體方法流程圖；

圖2為實(shí)施例1聲陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例1超指向性波束示意圖；

圖4為實(shí)施例1超指向性波束穩(wěn)健性對(duì)比圖；

圖5為實(shí)施例2聲陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為實(shí)施例2超指向性波束示意圖；

圖7為實(shí)施例2超指向性波束穩(wěn)健性對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本發(fā)明提供進(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在測(cè)量聲陣列的聲源空間分辨精度低、虛假聲源抑制性和波束穩(wěn)健性差、波束形成過程盲目性強(qiáng)、效率低和經(jīng)濟(jì)性差等不足，為了解決如上的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種多環(huán)同軸圓環(huán)陣穩(wěn)健超指向性波束形成方法。

本發(fā)明的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1所示，提供了一種多環(huán)同軸圓環(huán)陣穩(wěn)健超指向性波束形成方法，包括以下步驟：

一、以多環(huán)同軸圓環(huán)陣列作為基礎(chǔ)聲陣列，確定被測(cè)量運(yùn)動(dòng)聲場(chǎng)的頻率范圍，根據(jù)被測(cè)量運(yùn)動(dòng)聲場(chǎng)的頻率范圍確定基礎(chǔ)聲陣列的環(huán)數(shù)和環(huán)上陣元數(shù)，具體步驟為：

步驟(1)根據(jù)測(cè)量運(yùn)動(dòng)聲場(chǎng)的頻率范圍確定基礎(chǔ)聲陣列孔徑的大小，即同軸圓環(huán)陣列的環(huán)數(shù)和最大環(huán)半徑；

步驟(2)根據(jù)陣列測(cè)量運(yùn)動(dòng)聲源及抗空間混疊和柵瓣性能要求，獲得陣元的周向和徑向間距；

具體確定原則為：

設(shè)基礎(chǔ)聲陣列測(cè)量入射波的最小波長(zhǎng)和最大波長(zhǎng)分別為λ_min和λ_max，陣列孔徑為P個(gè)半波長(zhǎng)入射波，表示陣列可測(cè)量頻率范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)數(shù)量為P/2個(gè)，P取整數(shù)。在同軸圓環(huán)陣上采用周向等間隔、徑向非等間隔的方式進(jìn)行非規(guī)則網(wǎng)格劃分，為進(jìn)一步抑制陣列柵瓣，周向間隔d、徑向第1環(huán)半徑ρ₁、最外環(huán)半徑ρ_out和相鄰環(huán)半徑差ρ_Δ滿足以下條件：

0.25≤d≤0.5；

ρ₁＝λ_min/2；

ρ_out＝λ_max/2；

0.5≤ρ_Δ＜1。

從而確定同軸圓環(huán)陣的環(huán)數(shù)；其中，周向間隔d、徑向第1環(huán)半徑ρ₁、最外環(huán)半徑ρ_out和相鄰環(huán)半徑差ρ_Δ均以波長(zhǎng)為單位；環(huán)上陣元數(shù)由表1確定。

表1相鄰環(huán)上陣元數(shù)增量與環(huán)半徑增量關(guān)系

步驟(3)根據(jù)步驟(2)中獲得的同軸圓環(huán)陣的環(huán)數(shù)和環(huán)上陣元數(shù)，進(jìn)一步獲得各環(huán)上的陣元數(shù)量。

二、設(shè)置聲陣列中陣元信噪比加權(quán)方式，針對(duì)多環(huán)同軸圓環(huán)陣列的不同環(huán)陣元和同環(huán)陣元分別設(shè)置加權(quán)方式；不同環(huán)的權(quán)值由延時(shí)疊加法確定，同環(huán)上的權(quán)值由陣元輸入信噪比確定。

上述的不同環(huán)陣元的權(quán)值確定方法為：

不同環(huán)上的權(quán)值w_m由延時(shí)疊加法確定，設(shè)一窄帶波波長(zhǎng)為λ，入射方向(φ₀,θ₀)，第m環(huán)的權(quán)值表示為：

W＝[w₁,w₂…w_M]^T

其中，m＝1,2…M，φ_mi＝2π(i-1)/N_m；

N_m為第m環(huán)上的陣元數(shù)量，M為陣列環(huán)數(shù)，φ為陣元的方位角，θ為俯仰角，[·]^T表示轉(zhuǎn)置。

上述的同環(huán)陣元的權(quán)值根據(jù)陣元的輸入信噪比和陣元與聲源間的歐式距離確定，其確定方法為：

設(shè)權(quán)函數(shù)h_i是陣元i的信噪比SNR_i和陣元與聲源間歐式距離r_si的函數(shù)：

第m環(huán)上的N_m個(gè)陣元的權(quán)值表示為：

當(dāng)信噪比不為0陣元權(quán)值為h_i，信噪比為0的陣元權(quán)值為0；

三、采用陣列增益的輸出表達(dá)方式，建立聲陣列超指向性波束模型。

超指向波束形成方法為：

設(shè)一窄帶信號(hào)入射到同軸圓環(huán)陣，波束形成輸出表示為：

其中，x_mn(t)和v_mn分別表示第m環(huán)上第n個(gè)陣元的信號(hào)和權(quán)值。

上述的波束形成輸出以向量形式表示為：

z(t)＝V^HX(t)

其中，X(t)表示陣元接收信號(hào)向量，大小均為K×1，K為陣列的陣元數(shù)量，H表示共軛轉(zhuǎn)置；V表示陣元權(quán)值向量，大小為K×M，M為陣列環(huán)數(shù)量。同軸圓環(huán)陣中，每個(gè)環(huán)都是一個(gè)獨(dú)立的陣列，因此，對(duì)權(quán)值的設(shè)計(jì)分成兩部分，一是同環(huán)各陣元的權(quán)值，表示各陣元對(duì)此圓環(huán)陣模式的貢獻(xiàn)；二是不同環(huán)的權(quán)值，表征不同環(huán)對(duì)整個(gè)同軸環(huán)陣的貢獻(xiàn)。

當(dāng)圓環(huán)陣列的權(quán)值確定，M環(huán)同軸圓環(huán)陣的三維陣列響應(yīng)模式為：

其中，ρ_m表示第m環(huán)半徑；v_m表示m環(huán)各陣元的權(quán)值。

則圓環(huán)陣列的超指向性波束表示為：

獲取超指向性波束后，并對(duì)其穩(wěn)健性進(jìn)行評(píng)價(jià)，即以測(cè)量頻段內(nèi)輸入信噪比變化與指向性指數(shù)的大小關(guān)系。

圓環(huán)陣列超指向性定量參數(shù)為指向性指數(shù)DI可表示為：

其中，J₀(·)為零階貝塞爾函數(shù)，k為入射波的波數(shù)，即k＝2πf/c，c為聲在空氣中的傳播速度，f為入射波頻率。

本發(fā)明的另一種實(shí)施例中，如圖2-圖4所示，測(cè)量一個(gè)聲源的超指向性波束形成如下：

(1)測(cè)量對(duì)象為：運(yùn)動(dòng)點(diǎn)聲源，頻率500Hz，直線勻速運(yùn)動(dòng)，速度為120km/h，取同軸圓環(huán)聲陣列為基礎(chǔ)陣，陣元周向間隔1/2波長(zhǎng)，徑向環(huán)半徑分別為：0.5，1.0，2.0，2.5個(gè)波長(zhǎng)，環(huán)數(shù)設(shè)為4環(huán)，陣元數(shù)為24個(gè)，中心設(shè)置1個(gè)陣元，共25個(gè)陣元，陣元類型一致。各環(huán)上的陣元數(shù)分別為：2，4，6，12個(gè)，陣列與聲源的垂直距離為5米，如圖2所示。

(2)根據(jù)陣列同環(huán)和不同環(huán)的權(quán)重函數(shù)，計(jì)算出每個(gè)陣元的權(quán)值。

(3)根據(jù)超指向波束的形成方法，生成指向性波束，并計(jì)算相應(yīng)的指向性指數(shù)。同時(shí)變化輸入信噪比大小，得出相應(yīng)的指向性指數(shù)的變化情況，如圖3和圖4(a)-圖4(c)所示，其中，圖4(a)中設(shè)置SNR＝20，DI＝1.5，圖4(b)中SNR＝10，DI＝1.2，圖4(c)中SNR＝5，DI＝0.5，其中x軸表示位置。

本發(fā)明的又一種實(shí)施例中，提供一種測(cè)量一個(gè)運(yùn)動(dòng)聲源的超指向性波束形成方法，如圖5-圖7所示，本實(shí)施例測(cè)量?jī)蓚€(gè)聲源的超指向性波束形成如下：

(1)測(cè)量對(duì)象：聲源頻率：高頻4000Hz，陣元取同軸圓環(huán)陣為基礎(chǔ)陣，陣元周向1/4波長(zhǎng)，徑向環(huán)半徑分別為：0.5，1.0，1.6，2.4，4.5，5.0個(gè)波長(zhǎng)，環(huán)數(shù)設(shè)為6環(huán)，陣元數(shù)為32個(gè)，陣元類型一致。各環(huán)上的陣元數(shù)：4，4，4，4，8，8。陣列與聲源的垂直距離為2.5米，如圖5所示。

(2)根據(jù)陣列同環(huán)和不同環(huán)的權(quán)重函數(shù)，計(jì)算出每個(gè)陣元的權(quán)值。

(3)根據(jù)超指向波束的形成方法，生成指向性波束，并計(jì)算相應(yīng)的指向性指數(shù)。同時(shí)變化輸入信噪比大小，得出相應(yīng)的指向性指數(shù)的變化情況，如圖6和圖7(a)-圖7(c)所示，其中，圖7(a)中設(shè)置SNR＝20，DI＝1.5，圖7(b)中SNR＝10，DI＝1.2，圖7(c)中SNR＝5，DI＝0.5。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。