一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，它解决了现有测量声阵列的声源空间分辨精度低、虚假声源抑制性和波束稳健性差、波束形成过程盲目性强、效率低和经济性差等问题，具有提高了阵列的输出信噪比，保证了超指向波束的稳健性，便于实现结构和性能优化条件的精确单独控制的有益效果，其技术方案为：包括以下步骤：以多环同轴圆环阵列作为基础声阵列，确定基础声阵列的环数和环上阵元数；设置声阵列中阵元信噪比加权方式；建立声阵列超指向性波束模型。

【技术实现步骤摘要】
一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法
本专利技术涉及声阵列测试的
，特别是涉及一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法。
技术介绍
声阵列波束形成技术是识别运动噪声源的常用手段，因其适于远场和中高频噪声测量，被广泛应用于飞机、火车、汽车等运载工具的噪声测试中。声阵列波束的宽度表征了阵列识别声源的分辨能力，波束宽度越宽，阵列的识别能力就越差，即阵列分辨相邻声源的能力就越差；阵列波束的最大主瓣与最大旁瓣幅值的比值或最大旁瓣级的大小表示了阵列抑制干扰或噪声的能力，也就是在声图像上抑制‘鬼影’虚假声源的能力。由此可见，如何形成一个主瓣窄，最大旁瓣级小，对背景噪声不敏感的阵列波束是声阵列波束形成技术的关键。声阵列波束形成的本质是如何确定一个合理的阵列输出加权函数，不同加权函数的选取方法产生了不同的波束形成方法。如以阵列输出能量最大为目标的传统波束形成法、高分辨率的capon波束、以子空间为基础的MUSIC算法、以频谱为基础加强分辨率法、参数估计方法等，这些方法能有效地形成阵列的输出波束，实现静止声源的识别。而针对运动声源，因其声场的多普勒效应、指向性和运动耦合的特性，使得这些方法存在一定的局限，针对识别运动声源的声阵列波束的形成和波束性能的研究，存在如下问题亟待解决：(1)声阵列的运动声源空间分辨率低：因运动声源辐射声场的特殊性，声阵列测量性能受声阵列模式混叠、阵元互耦和旁瓣影响，不能清晰分辨出相距较近的多个噪声源，相干声源分辨力低，定位准确性差；(2)超指向性波束稳健性差、噪声敏感性强：非规则声阵列的辐射模式中旁瓣变得复杂，虚假声源的抑制性变差；波束的稳健性受测量声源的频率和信号的输入信噪比影响大，测量频率越宽，信噪比越小，波束形成及其稳健性保证就越难；(3)超指向性波束的形成过程复杂：超指向性波束的形成与阵列输出的加权方式、波束形成过程和阵元输入信噪比等因素有关，找出一个合理的阵列加权方式和有效的形成过程，计算量大、效率低、盲目性强。综上所述，现有技术对稳健超指向性的声阵列波束形成方法，尚缺乏有效的方案。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，其解决了现有测量声阵列的声源空间分辨精度低、虚假声源抑制性和波束稳健性差、波束形成过程盲目性强、效率低和经济性差等问题。本专利技术采用如下技术方案：一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，包括以下步骤：步骤1以多环同轴圆环阵列作为基础声阵列，确定基础声阵列的环数和环上阵元数；步骤2设置声阵列中阵元信噪比加权方式；步骤3建立声阵列超指向性波束模型。进一步的，所述的步骤1中根据被测量运动声场的频率范围确定基础声阵列的环数和环上阵元数，包括以下步骤：步骤(1-1)根据被测量运动声场的频率范围确定基础声阵列孔径的大小，即同轴圆环阵列的环数和最大环半径；步骤(1-2)根据阵列测量运动声源及抗空间混叠和栅瓣性能要求，获得阵元的周向和径向间距；步骤(1-3)根据阵元的周向和径向间距获得同轴圆环阵列的环数和各环上的阵元数。进一步的，所述的步骤2中同轴圆环阵的不同环阵元和同环阵元分别设置加权方式；不同环阵元的权值由延时叠加法确定，同环阵元的权值由阵元输入信噪比确定。进一步的，所述的不同环阵元的权值确定方法为：不同环上的权值wm由延时叠加法确定，设一窄带波波长为λ，入射方向(φ0,θ0)，第m环的权值表示为：W＝[w1,w2…wM]T其中，m＝1,2…M，φmi＝2π(i-1)/Nm；Nm为第m环上的阵元数，M为阵列环数，φ为阵元的方位角，θ为俯仰角，[·]T表示转置。进一步的，所述的同环阵元的权值根据阵元的输入信噪比和阵元与声源间的欧式距离确定，其确定方法为：设权函数hi是阵元i的信噪比SNRi和阵元与声源间欧式距离rsi的函数：第m环上的Nm个阵元的权值表示为：进一步的，当信噪比SNRi不为0时阵元权值为hi，信噪比SNRi为0时阵元权值为0。进一步的，所述的步骤3中超指向波束模型的建立方法为：设一窄带信号入射到同轴圆环阵，波束形成输出表示为：其中，xmn(t)和vmn分别表示第m环上第n个阵元的信号和权值。进一步的，所述的波束形成输出以向量形式表示为：z(t)＝VHX(t)其中，X(t)表示阵元接收信号向量，大小均为K×1，K为阵列的阵元数量，H表示共轭转置；V表示阵元权值向量，大小为K×M，M为阵列环数量。同轴圆环阵中，每个环都是一个独立的阵列，因此，对权值的设计分成两部分，一是同环各阵元的权值，表示各阵元对此圆环阵模式的贡献；二是不同环的权值，表征不同环对整个同轴环阵的贡献。进一步的，当圆环阵列的权值确定，M环同轴圆环阵的三维阵列响应模式为：其中，ρm表示第m环半径；vm表示m环各阵元的权值。进一步的，圆环阵列的超指向性波束表示为：与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术以多环同轴圆环阵列为基础声阵列方式，能够保证有效的孔径、频宽和辐射角度，同时为采用分步加权奠定了结构基础；2、本专利技术采用分步加权方式，针对不同位置的阵元附加相应的权重，大大提高了超指向波束形成速度，增强了阵列测量性能，提高其经济性；3、本专利技术采用不同环阵元的权值由延时叠加法确定，同环阵元的权值由阵元输入信噪比确定的阵元信噪比加权方式，大大提高了阵列的输出信噪比，保证了超指向波束的稳健性，同时指向性指数可有效实现波束超指向性的定量评价；4、本专利技术的多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法总体分为三步，这三步相互联系又相互独立，便于实现结构和性能优化条件的精确单独控制；同时可针对不同声源类型及频率特征，修改相应约束和参数，提高了该方法应用的普适性和适用性。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的整体方法流程图；图2为实施例1声阵列结构示意图；图3为实施例1超指向性波束示意图；图4为实施例1超指向性波束稳健性对比图；图5为实施例2声阵列结构示意图；图6为实施例2超指向性波束示意图；图7为实施例2超指向性波束稳健性对比图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在测量声阵列的声源空间分辨精度低、虚假声源抑制性和波束稳健性差、波束形成过程盲目性强、效率低和经济性差等不足，为了解决如上的技术问题，本专利技术提出了一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法。本专利技术的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，包括以下步骤：一、以多环同轴圆环阵列作为基础声阵列，确定被测量运动声场的频率范围，根据被测量运动声场的频率范围确定基础声阵列的环数和环上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1 以多环同轴圆环阵列作为基础声阵列，确定基础声阵列的环数和环上阵元数；步骤2 设置声阵列中阵元信噪比加权方式；步骤3 建立声阵列超指向性波束模型。

【技术特征摘要】
1.一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1以多环同轴圆环阵列作为基础声阵列，确定基础声阵列的环数和环上阵元数；步骤2设置声阵列中阵元信噪比加权方式；步骤3建立声阵列超指向性波束模型。2.根据权利要求1所述的一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，其特征在于：所述的步骤1中根据被测量运动声场的频率范围确定基础声阵列的环数和环上阵元数，包括以下步骤：步骤(1-1)根据被测量运动声场的频率范围确定基础声阵列孔径的大小，即同轴圆环阵列的环数和最大环半径；步骤(1-2)根据阵列测量运动声源及抗空间混叠和栅瓣性能要求，获得阵元的周向和径向间距；步骤(1-3)根据阵元的周向和径向间距获得同轴圆环阵列的环数和各环上的阵元数。3.根据权利要求1所述的一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，其特征在于：所述的步骤2中同轴圆环阵的不同环阵元和同环阵元分别设置加权方式；不同环阵元的权值由延时叠加法确定，同环阵元的权值由阵元输入信噪比确定。4.根据权利要求3所述的一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，其特征在于：所述的不同环阵元的权值确定方法为：不同环上的权值wm由延时叠加法确定，设一窄带波波长为λ，入射方向(φ0,θ0)，第m环的权值表示为：W＝[w1,w2…wM]T其中，m＝1,2…M，φmi＝2π(i-1)/Nm；Nm为第m环上的阵元数，M为阵列环数，φ为阵元的方位角，θ为俯仰角，[·]T表示转置。5.根据权利要求3所述的一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，其特征在于：所述的同环阵元的权值根据阵元的输入信噪比和阵元与声源间的欧式距离确定，其确定方法为：设权函数hi是阵元i的信噪比SNRi和阵元与声源间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志红，李燕超，仪垂杰，王万凯，王文明，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37