一種圓環(huán)形陣列穩(wěn)健旁瓣控制超指向性波束形成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種圓環(huán)形陣列穩(wěn)健旁瓣控制超指向性波束形成方法，首先將衡量穩(wěn)健性的誤差敏感度函數(shù)表示為各階特征波束誤差敏感度函數(shù)之和，通過各階實(shí)際特征波束的表現(xiàn)，估計出最大階數(shù)，進(jìn)而得到最大誤差敏感度函數(shù)值，求出白噪聲增益約束值。利用偶數(shù)陣元的圓環(huán)形陣列具有的一些對稱性質(zhì)，將穩(wěn)健旁瓣控制超指向性波束形成方法表述成一個較簡單的優(yōu)化問題，結(jié)合二階錐規(guī)劃算法能夠十分容易地計算出最終結(jié)果。本發(fā)明克服了穩(wěn)健性參數(shù)不易確定和旁瓣級不能有效控制的不足：各階特征波束誤差敏感度函數(shù)隨階數(shù)升高而變大，最大誤差敏感度函數(shù)近似等于最高階特征波束的誤差敏感度函數(shù)；構(gòu)造出的優(yōu)化問題可以在多個指標(biāo)之間取得最佳的折中。
【專利說明】一種圓環(huán)形陣列穩(wěn)健旁瓣控制超指向性波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種波束形成方法，涉及一種圓環(huán)形陣列穩(wěn)健旁瓣控制超指向性波束形成方法，適用于圓環(huán)形陣列的低信噪比目標(biāo)檢測以及目標(biāo)方位的高分辨率估計，屬于水聲學(xué)、陣列信號處理和聲納技術(shù)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)波束形成方法對各通道信號進(jìn)行延時求和處理以提取所需信息，其操作簡單，性能穩(wěn)健，故而得到了廣泛的應(yīng)用。但該方法所能提供的陣增益和空間指向性十分有限，尤其在較低頻段更是如此。對于檢測低信噪比目標(biāo)，例如現(xiàn)代化的安靜型潛艇，需要擴(kuò)大陣列孔徑才能達(dá)到要求，而這樣的陣列往往達(dá)到幾十米甚至上百米，造價昂貴且布放回收十分不便。另外估計目標(biāo)方位時存在“瑞利限”，難以較好地分辨低頻目標(biāo)。相比之下，超指向性波束形成方法在同等條件下具有更高的陣增益、指向性和空間分辨率，可以顯著減小陣列尺寸，且有更好的寬帶性能，在聲吶、雷達(dá)、天線設(shè)計、語音信號處理和通信等領(lǐng)域都具有重要意義° 文獻(xiàn) I “High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis.Proc IEEE, 1969, vol.57 (2)，p.1408?1418”公開了一種超指向性波束形成方法。然而理論上的高性能卻很難在實(shí)際中獲得，主要是因?yàn)樵摲椒▽φ`差過于敏感。為提高超指向性的穩(wěn)健性，人們提出了很多改進(jìn)方法，但都存在各自的缺點(diǎn)，例如文獻(xiàn)2 “Covariance matrixestimation errors and diagonal loading in adaptive arrays, IEEE Trans AerospaceElectron Syst, 1988，vol.24 (4)，p.397-401，，和文獻(xiàn) 3“Robust adptive beamforming, IEEETrans Acoust, Speech, Signal Processing, 1987, vol.35 (5), p.1365-1376” 分別公開的對角加載和白噪聲增益約束方法都能較好地改善穩(wěn)健性，但對角加載量以及白噪聲增益約束值都難以根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確獲得，其直接后果是穩(wěn)健性仍然不足或者損失過多的指向性，不利于實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)4“任意幾何形狀和陣元指向性的傳感器陣列優(yōu)化波束形成方法，聲學(xué)學(xué)報，2005, vol.30 (3)，p.264-270” 公開了一種基于二階錐規(guī)劃(SOCP =Second-OrderCone Programming)的白噪聲增益約束方法，能得到較穩(wěn)健的超指向性結(jié)果且旁瓣級(Sidelobe Level:SL)也能控制，但如何根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確獲得白噪聲增益約束值仍然未作討論。
[0003]對于實(shí)際中應(yīng)用較為廣泛的圓環(huán)形陣列，文獻(xiàn)5 “Superdirective receivingarrays for underwater acoustics application, Defense Research EstablishmentAtlantic, Dartmouth, Nova Scotia, DREA CR/97/444, 1997” 公開了一種基于相位模態(tài)理論的超指向性波束形成方法。然而，實(shí)際中空域采樣以及級數(shù)截斷誤差使得該方法本身具有難以消除的誤差，不能得到超指向性的精確解。文獻(xiàn)6“柱體表面圓環(huán)陣穩(wěn)健高增益波束形成的模態(tài)域直接優(yōu)化方法研究，聲學(xué)學(xué)報，2012，vol.37 (3), p.308-318”公開了一種模態(tài)域的穩(wěn)健高增益波束形成方法，但仍然具有模態(tài)域本身的缺點(diǎn)且相關(guān)約束參數(shù)同樣不易確定。文獻(xiàn) 7“Theoretical and practical solutions for high-order superdirectivityof circular sensor arrays, IEEE Trans Ind Electron, 2013，Vol.60 (I)，p.203-209，，公開了關(guān)于圓環(huán)形陣列的精確高階超指向性解，通過一種降秩處理技術(shù)獲得了不錯的超指向性結(jié)果，然而其關(guān)于穩(wěn)健性的討論仍顯不足，且未考慮超指向性波束旁瓣過高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種圓環(huán)形陣列穩(wěn)健旁瓣控制超指向性波束形成方法，解決現(xiàn)有技術(shù)穩(wěn)健性參數(shù)不易確定和旁瓣級不能有效控制的不足。
[0006]技術(shù)方案
[0007]一種圓環(huán)形陣列穩(wěn)健旁瓣控制超指向性波束形成方法，其特征在于步驟如下:
[0008]步驟1:計算誤差敏感度函數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種圓環(huán)形陣列穩(wěn)健旁瓣控制超指向性波束形成方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:計算誤差敏感度函數(shù)
【文檔編號】G06F19/00GK103902830SQ201410146276
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】楊益新, 汪勇, 馬遠(yuǎn)良, 何正耀 申請人:西北工業(yè)大學(xué)