用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器及頻域?qū)拵?shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器及 頻域帶寬實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 波束形成處理廣泛應(yīng)用于麥克風(fēng)陣列、聲響、雷達(dá)和無(wú)線(xiàn)通信等領(lǐng)域。一般的陣元 域波束形成的處理過(guò)程為：采用空間分布的傳感器陣列采集數(shù)據(jù)，然后對(duì)所采集的陣列數(shù) 據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性加權(quán)組合處理，得到一個(gè)標(biāo)量波束輸出。能夠?qū)崿F(xiàn)上述處理過(guò)程的裝置被稱(chēng)為 波束形成器。通過(guò)設(shè)計(jì)加權(quán)系數(shù)，陣列接收系統(tǒng)響應(yīng)具有方向性，因此波束形成器可用于進(jìn) 行空域?yàn)V波，提高信噪比。
[0003] 在已有的發(fā)明專(zhuān)利(參見(jiàn)參考文獻(xiàn)1;鄙社鋒等，用于球面陣的時(shí)域?qū)拵еC波域波 束形成器及波束形成方法，ZL201010186643. 1)中，提出了一種針對(duì)球形陣列的諧波分解與 濾波求和處理的時(shí)域?qū)拵Рㄊ纬善鲗?shí)現(xiàn)方法。該專(zhuān)利中詳盡的描述了諧波域波束形成器 在球形陣列上的設(shè)計(jì)步驟與最終的波束形成器的結(jié)構(gòu)。但是其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的結(jié)果只適用于 球形陣列。
[0004] 由于陣型簡(jiǎn)單，圓環(huán)形陣列在設(shè)計(jì)與布放等各方面都有著很廣泛的應(yīng)用。而基于 圓環(huán)形陣列的波束形成器，由于其對(duì)稱(chēng)的陣型，在陣列所在的水平面上有著全方向的觀(guān)測(cè) 能力，因此基于圓環(huán)形陣列的模態(tài)波束形成器成為近年的研究熱點(diǎn)之一。
[0005] 近年來(lái)，許多文獻(xiàn)中提到了針對(duì)圓環(huán)形陣列的模式波束形成方法，如參考文獻(xiàn)2: 比TeutschandW.Kellermann,"Acousticsourcedetectionandlocalizationbasedon wavefielddecompositionusingcircularmicrophonearrays,'，J.Acoust.Soc.Amer.， vol. 120,no. 5,pp. 2724 - 2736,Nov. 2006."，在該篇文獻(xiàn)中作者使用一個(gè)有擋板的圓環(huán)陣 列進(jìn)行聲場(chǎng)分解和聲源定位，給出了基于本征值的圓環(huán)陣列模態(tài)波束形成器的模型。但是 眾多文獻(xiàn)中并沒(méi)有考慮對(duì)所述波束形成器的參數(shù)巧日波束形成器的穩(wěn)健性、對(duì)干擾的抑制 能力、期望主瓣響應(yīng)誤差等）進(jìn)行約束波束優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致該些方法對(duì)傳感器陣列的各種適 配敏感，難W實(shí)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的了針對(duì)圓環(huán)形陣列的模式波束形成方法穩(wěn) 健性差導(dǎo)致實(shí)用性不高的缺陷，從而提供一種用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器及頻域帶寬 實(shí)現(xiàn)方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器，包括：采 樣緩存DFT單元（1)、圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2 )W及波束合成單元（3 );其中，所述采樣緩 存DFT單元（1)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，所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2)包含多個(gè)子單元，每一子單元都與所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變 換單元（2 )的M路相連；所述波束合成單元（3 )包括多個(gè)子帶波束合成器與一離散傅里葉逆 變換器，所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2)中的一個(gè)子單元對(duì)應(yīng)連接到波束合成單元（3)中 的一子帶波束合成器，各個(gè)子帶波束合成器都與所述離散傅里葉逆變換器連接；所述圓環(huán) 諧波數(shù)據(jù)變換單元（2)中的子單元的個(gè)數(shù)W及所述波束合成單元（3)中的子帶波束合成器 的個(gè)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)；其中，
[0008] 所述采樣緩存DFT單元（1)采集圓環(huán)形陣中的陣元所接收的信號(hào)，生成M路陣元 域子帶數(shù)據(jù)并輸入到所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2);所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2)的各 個(gè)子單元分別對(duì)M路陣元域子帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到并輸出圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)；所述圓環(huán)諧波 數(shù)據(jù)分別輸入所述波束合成單元（3)中的各子帶諧波域波束形成器，得到諧波域頻域子帶 數(shù)據(jù)，然后將各個(gè)諧波域頻域子帶數(shù)據(jù)做加權(quán)和，得到波束輸出頻域數(shù)據(jù)，最后由所述波束 合成單元（3)中的離散傅里葉逆變換器統(tǒng)一做離散傅里葉逆變換，得到波束輸出數(shù)據(jù)序列。
[0009] 本發(fā)明還提供了基于所述的用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器所實(shí)現(xiàn)的頻域?qū)拵?實(shí)現(xiàn)方法，包括：
[0010] 步驟1)、對(duì)圓環(huán)形陣所輸入的信號(hào)做時(shí)間采樣，對(duì)所得到的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離 散傅里葉變換處理，獲得陣元域頻域數(shù)據(jù)，再對(duì)陣元域頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行圓傅里葉變換，得到圓 環(huán)形陣頻域諧波域數(shù)據(jù)，進(jìn)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)；
[0011] 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(dá)式；
[0012] 步驟3)、針對(duì)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(gè)指 標(biāo)，將其中任意一個(gè)指標(biāo)作為代價(jià)函數(shù)，其余指標(biāo)作為約束值，構(gòu)造子帶諧波域波束形成器 優(yōu)化設(shè)計(jì)表達(dá)式；
[0013] 步驟4)、針對(duì)每個(gè)頻率子帶，對(duì)步驟3)中構(gòu)造的子帶諧波域波束形成器優(yōu)化設(shè)計(jì) 表達(dá)式進(jìn)行求解，計(jì)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；
[0014] 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(duì)步驟1) 得到的諧波域頻域子帶數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和處理，獲得波束輸出頻域數(shù)據(jù)；
[0015] 步驟6)、對(duì)步驟5)得到的波束輸出頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT變換，獲得波束輸出數(shù)據(jù)序 列。
[0016] 上述技術(shù)方案中，所述模態(tài)波束形成子帶加權(quán)向量為Wh，其定義為：
[0017] Wh全[W-
[0018] 其中，[? ]T表示轉(zhuǎn)置，Ww表示模態(tài)波束形成加權(quán)系數(shù)。
[0019] 上述技術(shù)方案中，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，
[0020] 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(dá)式包括：
[0021] 根據(jù)圓環(huán)陣模型得到圓環(huán)陣的各階模態(tài)C"(kr)，其中r是圓環(huán)半徑，fe二表示 波數(shù)，C表示聲速，f表示頻率；然后根據(jù)模態(tài)C。(kr)構(gòu)造圓環(huán)諧波系數(shù)P"(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(dá)式8巧r,夢(mèng))；所述波束響應(yīng)表達(dá)式為：
[0022]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于圓環(huán)形陣的模態(tài)波束形成器，其特征在于，包括：采樣緩存DFT單元（1)、 圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2)以及波束合成單元（3);其中，所述采樣緩存DFT單元（1)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，所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù) 變換單元（2)包含多個(gè)子單元，每一子單元都與所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2)的M路相 連；所述波束合成單元（3)包括多個(gè)子帶波束合成器與一離散傅里葉逆變換器，所述圓環(huán) 諧波數(shù)據(jù)變換單元（2)中的一個(gè)子單元對(duì)應(yīng)連接到波束合成單元（3)中的一子帶波束合成 器，各個(gè)子帶波束合成器都與所述離散傅里葉逆變換器連接；所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元 (2)中的子單元的個(gè)數(shù)以及所述波束合成單元（3)中的子帶波束合成器的個(gè)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)；其中， 所述采樣緩存DFT單元（1)采集圓環(huán)形陣中的陣元所接收的信號(hào)，生成M路陣元域子 帶數(shù)據(jù)并輸入到所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2);所述圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)變換單元（2)的各個(gè) 子單元分別對(duì)M路陣元域子帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到并輸出圓環(huán)諧波數(shù)據(jù)；所述圓環(huán)諧波數(shù) 據(jù)分別輸入所述波束合成單元（3)中的各子帶諧波域波束形成器，得到諧波域頻域子帶數(shù) 據(jù)，然后將各個(gè)諧波域頻域子帶數(shù)據(jù)做加權(quán)和，得到波束輸出頻域數(shù)據(jù)，最后由所述波束合 成單元（3)中的離散傅里葉逆變換器統(tǒng)一做離散傅里葉逆變換，得到波束輸出數(shù)據(jù)序列。
2. 基于權(quán)利要求