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(gòu)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(quán)向 量之間的關(guān)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(gòu)造子帶諧波域波束形成器優(yōu)化 設(shè)計表達式； 步驟4)、針對每個頻率子帶，對步驟3)中構(gòu)造的子帶諧波域波束形成器優(yōu)化設(shè)計表達 式進行求解，計算出模態(tài)波束形成子帶加權(quán)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(quán)向量對步驟1)得到 的諧波域頻域子帶數(shù)據(jù)進行加權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)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(yīng)、波束輸出功率、白噪聲增益；其中， 構(gòu)造所述波束響應(yīng)與模態(tài)波束形成子帶加權(quán)向量wh之間的關(guān)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(gòu)造圓環(huán)諧波系數(shù)Pn (kr)，利用圓環(huán)諧波系 數(shù)Pn (kr)構(gòu)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(quán)向量wh構(gòu)造波束響應(yīng)表達式所述波束響應(yīng)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(dǎo)數(shù)； 構(gòu)造波束輸出功率與模態(tài)波束形成子帶加權(quán)向量Wh之間的關(guān)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(gòu)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(quán)向量Wh之間的關(guān)系表達式；該關(guān)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(gòu)造白噪聲增SGw(kr)與模態(tài)波束形成子帶加權(quán)向量Wh之間的關(guān)系表達式如下：
5.根據(jù)權(quán)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(shè)計 指標波束包括：輸出功率、穩(wěn)健性、旁瓣級、期望主瓣響應(yīng)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(gòu)造子帶諧波域波束 形成器優(yōu)化設(shè)計表達式包括： 以波束輸出功率最小化為代價函數(shù)，構(gòu)造諧波域波束形成器優(yōu)化設(shè)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(yīng)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(yīng)的波束旁瓣幅度；ε是旁瓣響應(yīng)的上邊界； 約束式（Ie)是設(shè)計波束主瓣與期望波束間誤差約束，用于使波束主瓣響應(yīng)逼近于期 望響應(yīng)，其中IlB (kr，OJ-Bd (kr，6V) Ilq表示波束主瓣響應(yīng)與期望響應(yīng)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(shè)計波束主瓣響應(yīng)，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(yīng)向量；ζ是主瓣響應(yīng)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(quán)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(quán)向量Wh : a) 設(shè)計模態(tài)域最小方差無失真響應(yīng)波束形成器，該波束形成器所對應(yīng)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(quán)向 量W h的計算式如下所述：
b) 設(shè)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(yīng)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(quán)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(gòu)造一個對角元素為括號中的元素的對角矩陣； c) 設(shè)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(yīng)波束形成器，該 波束形成器所對應(yīng)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(quán)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(shè)計最大白噪聲增益波束形成器，該波束形成器所對應(yīng)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(quán)向量Wh的計算式如 下所述：
7.根據(jù)權(quán)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(quán)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(quán)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(yīng)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(guān)。
【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(xué)院聲學(xué)研究所
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2014年1月2日