1所述的用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器所實現(xiàn)的頻域?qū)拵崿F(xiàn)方 法，包括： 步驟1)、對圓環(huán)形陣所輸入的信號做時間采樣，對所得到的時間采樣數(shù)據(jù)進行離散傅 里葉變換處理，獲得陣元域頻域數(shù)據(jù)，再對陣元域頻域數(shù)據(jù)進行圓傅里葉變換，得到圓環(huán)形 陣頻域諧波域數(shù)據(jù)，進而從中選取工作頻帶范圍內(nèi)的圓環(huán)形陣頻域諧波域子帶數(shù)據(jù)； 步驟2)、構造用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器的性能參數(shù)與模態(tài)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(huán)形陣頻域諧波域子帶數(shù)據(jù)，確定多個指標，將 其中任意一個指標作為代價函數(shù)，其余指標作為約束值，構造子帶諧波域波束形成器優(yōu)化 設計表達式； 步驟4)、針對每個頻率子帶，對步驟3)中構造的子帶諧波域波束形成器優(yōu)化設計表達 式進行求解，計算出模態(tài)波束形成子帶加權向量，即得到子帶諧波域波束形成器； 步驟5)、根據(jù)步驟4)得到的各頻率子帶的模態(tài)波束形成子帶加權向量對步驟1)得到 的諧波域頻域子帶數(shù)據(jù)進行加權求和處理，獲得波束輸出頻域數(shù)據(jù)； 步驟6)、對步驟5)得到的波束輸出頻域數(shù)據(jù)進行IFFT變換，獲得波束輸出數(shù)據(jù)序列。
3. 根據(jù)權利要求2所述的頻域?qū)拵崿F(xiàn)方法，其特征在于，所述模態(tài)波束形成子帶加 權向量為wh，其定義為：
其中，[· ]τ表示轉(zhuǎn)置，Wn表示模態(tài)波束形成加權系數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的頻域?qū)拵崿F(xiàn)方法，其特征在于，在所述步驟2)中，所述性能 參數(shù)包括波束響應、波束輸出功率、白噪聲增益；其中， 構造所述波束響應與模態(tài)波束形成子帶加權向量wh之間的關系表達式包括： 根據(jù)圓環(huán)陣模型得到圓環(huán)陣的各階模態(tài)Cn(kr)，其中r是圓環(huán)半徑
表示波數(shù)， C表示聲速，f表示頻率；然后根據(jù)模態(tài)Cn (kr)構造圓環(huán)諧波系數(shù)Pn (kr)，利用圓環(huán)諧波系 數(shù)Pn (kr)構造出圓環(huán)諧波域流形矢量ph (kr)，繼而根據(jù)圓環(huán)諧波域流形矢量ph (kr)、模態(tài) 波束形成子帶加權向量wh構造波束響應表達式所述波束響應表達式為：
其中，（·）H表示共軛轉(zhuǎn)置，所述圓環(huán)諧波域系數(shù)Pn表示為：A C"(fcr)e_tn<Ps，fs表示來波方向；所述圓環(huán)諧波域流形矢量Ph表示為：p h ：§： 1_...為,,",?|￥]7';各階模態(tài)(；〇^)的表達式如下 ：
其中i = jn與hn分別是η階球Bessel與Hankel函數(shù)，jn'與h n'分別是它們的 導數(shù)； 構造波束輸出功率與模態(tài)波束形成子帶加權向量Wh之間的關系表達式包括： 由步驟1)所得到的圓環(huán)陣諧波域數(shù)據(jù)計算圓環(huán)陣接收到的數(shù)據(jù)諧波域協(xié)方差矩陣 Rh(kr)，進而構造波束輸出功率Pwt (kr)與數(shù)據(jù)諧波域協(xié)方差矩陣Rh(kr)、模態(tài)波束形成子 帶加權向量Wh之間的關系表達式；該關系表達式如下：
其中，L是數(shù)據(jù)長度，Xh(kr，1)是圓環(huán)陣諧波域數(shù)據(jù)Xh(kr)的第1個數(shù)據(jù)點，即快拍序 號； 構造白噪聲增SGw(kr)與模態(tài)波束形成子帶加權向量Wh之間的關系表達式如下：
5.根據(jù)權利要求4所述的頻域?qū)拵崿F(xiàn)方法，其特征在于，在步驟3)中，所述多個設計 指標波束包括：輸出功率、穩(wěn)健性、旁瓣級、期望主瓣響應及逼近精度； 所述將其中任意一個指標作為代價函數(shù)，其余指標作為約束值，構造子帶諧波域波束 形成器優(yōu)化設計表達式包括： 以波束輸出功率最小化為代價函數(shù)，構造諧波域波束形成器優(yōu)化設計表達式：
將其余指標作為約束值增加到該優(yōu)化表達式中，
Il B(kr, ?^-B^kr, Θ^) || q ^ ζ , (Ie) 其中，約束式（Ic)表示波束寬帶白噪聲增益約束，用于提高波束穩(wěn)健性，其中ξ是用 戶自定義參數(shù)； 約束式（Id)表示旁瓣響應約束，將旁瓣區(qū)域Φ%離散化為供e<DSL(i = 1,...,]?)時， |wg(fcr)ph(fcr,<pt〇丨表示扒方位對應的波束旁瓣幅度；ε是旁瓣響應的上邊界； 約束式（Ie)是設計波束主瓣與期望波束間誤差約束，用于使波束主瓣響應逼近于期 望響應，其中IlB (kr，OJ-Bd (kr，6V) Ilq表示波束主瓣響應與期望響應誤差，該式中下 標q=2或c?，分別表示向量的均方值或最大值，B(kr，Θ0是設計波束主瓣響應，定義為 B(fcr,0Mi) = [βΟτ*,^),…,5(fcr,物其中朽 e = 是主瓣區(qū)域離散 化方位；Bd(kr，Θ0是期望波束主瓣響應向量；ζ是主瓣響應誤差的上邊界； 在上述的優(yōu)化表達式（1)中，等式約束（Ib)是必選的，其他三個不等式約束（Ic) (Id) (Ie)可以根據(jù)需要選擇使用，且式（la)中的代價函數(shù)可與（Ic) (Id) (Ie)三個不等式約束 函數(shù)相互替換。
6.根據(jù)權利要求2所述的頻域?qū)拵崿F(xiàn)方法，其特征在于，在所述的步驟4)中，分情況 計算模態(tài)波束形成子帶加權向量Wh : a) 設計模態(tài)域最小方差無失真響應波束形成器，該波束形成器所對應的優(yōu)化表達式為 以式（Ib)作為代價函數(shù)，以式（la)作為約束式，根據(jù)該優(yōu)化表達式，模態(tài)波束形成加權向 量W h的計算式如下所述：
b) 設計在球面各向同性噪聲場環(huán)境下的最大指向性增益波束形成器，該波束形成器所 對應的優(yōu)化表達式為以式（Ib)作為代價函數(shù)，以式（la)作為約束式，且數(shù)據(jù)諧波域協(xié)方差 矩陣R h(kr)用球面各向同性噪聲諧波域協(xié)方差矩陣Phsph(kr)代替，根據(jù)該優(yōu)化表達式，模 態(tài)波束形成加權向量w h的計算式如下所述：
上式中P hsPh(kr)=diag(Q_N，. . .，Q。，…，Qn)是球面各向同性噪聲諧波域協(xié)方差矩陣， 其中
：這里diag{·}表 示構造一個對角元素為括號中的元素的對角矩陣； c) 設計在圓柱面各向同性噪聲場環(huán)境下的模態(tài)域最小方差無失真響應波束形成器，該 波束形成器所對應的優(yōu)化表達式為以式（Ib)作為代價函數(shù)，以式（la)作為約束式，且數(shù)據(jù) 諧波域協(xié)方差矩陣R h (kr)用圓柱面各向同性噪聲諧波域協(xié)方差矩陣Pteyl (kr)代替，根據(jù) 該優(yōu)化表達式，模態(tài)波束形成加權向量wh的計算式如下所述：
上式中 Phcyi(kr)=diag{|C_N(k;r)|2,…，ICoGcr)! 2,…，|CN(kr)|2}; d) 設計最大白噪聲增益波束形成器，該波束形成器所對應的優(yōu)化表達式為以式（lc) 為代價函數(shù)，以式（lb)為約束式，根據(jù)該優(yōu)化表達式，模態(tài)波束形成加權向量Wh的計算式如 下所述：
7.根據(jù)權利要求2所述的頻域?qū)拵崿F(xiàn)方法，其特征在于，所述模態(tài)波束形成子帶加 權向量為dn(kr)，其定義為：
其中H^sym(Icr)表示模態(tài)波束形成加權系數(shù)， dn(kr)=d_n(kr),表達式中（·Γ表示共軛。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器，包括：采樣緩存DFT單元、圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元以及波束合成單元；其中，采樣緩存DFT單元包括M路，每一路中至少包括有一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一緩存、一離散傅里葉變換器，圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元包含多個子單元，每一子單元都與圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元的M路相連；波束合成單元包括多個子帶波束合成器與一離散傅里葉逆變換器，圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元中的一個子單元對應連接到波束合成單元中的一子帶波束合成器，各個子帶波束合成器都與離散傅里葉逆變換器連接；圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元中的子單元的個數(shù)以及波束合成單元中的子帶波束合成器的個數(shù)都與模態(tài)波束形成器的工作頻帶的子帶數(shù)目有關。
【IPC分類】H04R3-00
【公開號】CN104768099
【申請?zhí)枴緾N201410001369
【發(fā)明人】鄢社鋒, 馬曉川, 侯朝煥
【申請人】中國科學院聲學研究所
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2014年1月2日