一种基于嵌套阵的多倍频程恒等束宽波束形成方法及系统技术方案

本发明专利技术是一种基于嵌套阵的多倍频程恒等束宽波束形成方法及系统，所述方法包含：使用不同孔径的子阵列嵌套而成的传感器阵列接收全频带信号；使用每个子频带所对应的长短阵列信号进行该子频带上的恒定束宽的处理，得到各子频带内的恒定束宽的波束形成信号，子频带为将原始信号整个的频带划分得到的；其中，所述的恒定束宽处理包含：将最高频率对应的子频带除外的其余各子频带依这些子频带各自对应的最高频率进行某一倍率的降采样处理；对得到的每个子频带的恒定束宽的波束形成信号进行与降采样相同倍率的升采样处理；合成升采样处理后的各个子频带输出的恒定束宽的波束形成信号，从而得到整个处理带宽上波束宽度恒定的波束形成信号。

【技术实现步骤摘要】
一种基于嵌套阵的多倍频程恒定束宽波束形成方法及系统
本专利技术涉及阵列信号处理领域，具体涉及一种基于嵌套阵的多倍程恒定束宽波束形成方法及系统。
技术介绍
现有技术采用具有一定空间分布尺度的传感器阵列接收信号能够获取空间处理增益，从而提高接收信号的信噪比。但是传感器阵列的使用也带来一些问题，例如：如果信号频带较宽时，使用固定间距和尺度的传感器阵列进行常规波束形成不能保证在整个频带上波束宽度恒定，这会引起宽带信号的频域失真，因此如何设计宽带恒定束宽波束形成算法的问题就成为亟待解决的技术问题。目前，现有技术的恒定束宽波束形成算法可以在频域或时域实现。频域实现方法为：在傅里叶变换后将信号在频域上划分为若干个子频带，对不同的子频带使用窄带方法进行波束形成，最后将各子频带的波束输出相加，得到宽频带上的波束输出。由于上述频域处理方法基于数据块，而数据块的划分割裂了时域信号的连续性，因此这种频域实现方法不能给出连续保真的时域波形，所以对于一些诸如测试测量等要求较高的信号处理领域使用基于时域的处理方法更为合适。时域实现方法有如下两种思路：第一种思路，是把宽带信号划分为若干子频带，针对每个子频带的中心频率设计滤波器，这样可以保证在子频带的中心频率处波束恒定，其它频率处存在误差。若要减小误差，就需要将频带不断细分。从这种思路延伸，发展出对多频点设计波束与期望波束之间的误差进行最优化设计分析的问题。这种处理算法的缺点是要么需要忍受在非中心频率处的误差，要么需要将频带进行足够的细分，后者无疑会明显增加信号处理的计算量。第二种思路，是对不同的子频带使用不同孔径的子阵列组合进行处理，每个子频带上都分别进行恒定束宽的控制，最后合成各个子频带从而实现整个宽带上波束的恒定。这种算法实现比较复杂，阵列结构也相对复杂，但其控制精度较好，物理意义明确。本专利技术是针对第二种思路发展出的一种快速算法，因此下面对现有技术的第二种设计思路予以详细说明。图1给出了一个倍频程带宽内的嵌套阵恒定束宽波束形成示意图，其中短子阵的阵元间距为d，长子阵的阵元间距为2d，长子阵的几何长度是短子阵的两倍。从图1中知，有些阵元是共用的，此即嵌套阵的涵义所在。对于图1所示的嵌套阵，子阵(正横方向上接收)的方向性函数为：其中，c0是所测量物理场的传播速度，bn为阵元加权值，对于短子阵dj＝d，对于长子阵dj＝2d，并且这里假设N＝4。按照“半波长间距”的要求，两个子阵波束形成的设计中心频率相差一倍。对于给定子阵的方向性函数是频率的函数，不同的频率波束形成输出不同，主瓣和旁瓣特性也有所变化，当显著偏离设计中心频率时还会出现副主瓣。长子阵补偿滤波器(低通)的传输函数为R1(f)，对应的方向性为D1(θ,f)；短子阵补偿滤波器(高通)的传输函数为R2(f)，对应的方向性为D2(θ,f)，这样两个补偿滤波器之后的输出相加得到整个的方向性为D(θ,f)＝R1(f)D1(θ,f)+R2(f)D2(θ,f)(3.2)补偿滤波器的作用是为了克服半波长间距以外频带上的副主瓣泄漏、补偿不同频率的波束形成差异，这样就实现了一个倍频程上的恒定束宽波束形成。如果有多个倍频程(子频带)，可以仿照上述过程在每个倍频程内分别实现，最后组合各个倍频程得到。对于M个倍频程的宽度，可以用“M+1”个嵌套阵组合实现，其中每个倍频程的形成原理同上。通过低、高通滤波器补偿和相加后的信号再经过带通滤波器，第m个带通滤波器只允许第m个倍频程频段内的信号通过，然后把M个带通滤波器输出信号相加，则为整个频段范围内的基阵恒定束宽波束形成输出信号。在实际的工程实现中，阵列信号处理是在模拟信号数字化之后，需要使用数字滤波器。如果直接使用无限冲击响应(IIR)滤波器，虽然设计简单、滤波器阶数低、计算速度快的优势，但是在通带内相位不能保持线性，因此会导致滤波后的信号失真。所以，必须选用具有线性相位特性的有限冲击响应(FIR)滤波器。为了达到同样的滤波效果，FIR滤波器的阶数会高出很多，因此对处理系统的计算能力是一个挑战。上述多倍程应用中宽带恒定束宽处理的核心是滤波器算法，因此计算量大小由各种滤波器算法的效率决定。现有技术的多倍频程定束宽处理算法从滤波算法的角度如图2-a所示。这个算法在较低频率的倍频程上需要使用阶数极高的FIR滤波器才能实现(具体分析如下公式中做了阐述)。以带通滤波器为例，相对于信号带宽来说，在越低的倍频程上，通带的宽度相对越窄，要在越来越窄的通带上保证良好的滤波效果，就必须要使用高阶的滤波器，其计算量几乎是呈几何级数增长。研究者总结出一些关于滤波器阶数的经验公式，以FIR低通滤波器设计为例，对于通带较宽的滤波器，阶数估计公式为：对于通带适中的滤波器，阶数估计公式为：对于通带较窄的滤波器，阶数估计公式为：上述各式中，ωs：阻带截止频率；ωp：通带截止频率；δs：阻带纹波；δp：通带纹波。通过以上公式可知：随着倍频程降低(ωs-ωp)会呈几何指数减小，从而滤波器阶数会呈几何指数增加。模拟试验表明，对于一个由8个子阵构成的嵌套阵列，为了达到滤波器的品质要求，8子阵中最低倍频程需要的滤波器阶数要在4000阶以上，这样的运算量不能被工程使用接受。直接将这个算法原理用数字算法实现，还有另外一个问题，各倍频程的滤波器系数完全不同，需要对每一个倍频程进行滤波器设计，尤其考虑到在频带衔接处需要进行的处理，这也是一个不小的设计工作量。根据以上描述可知在现有技术的多倍频程的应用中，上述原型算法非常复杂且计算量巨大。因此，上述算法的实际应用，往往受到计算资源的约束。
技术实现思路
本专利技术的目在于，为了克服上述问题，本专利技术提供一种基于嵌套阵的多倍程恒定波束宽波束形成方法及系统。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于嵌套阵的多倍频程恒定束宽波束形成方法，所述方法包含：步骤101)使用不同孔径的子阵列嵌套而成的传感器阵列接收全频带信号；步骤102)使用每个子频带所对应的长短阵列信号进行该子频带上的恒定束宽的处理，得到各子频带内的恒定束宽的波束形成信号，子频带为将原始信号整个的频带划分得到的；其中，所述的恒定束宽处理包含：将最高频率对应的子频带除外的其余各子频带依这些子频带各自对应的最高频率进行某一倍率的降采样处理，且降采样倍率的具体取值为：最高频率所在子频带的上限频率与各子频带的上限频率的比值；步骤103)对得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌套阵的多倍频程恒等束宽波束形成方法，所述方法包含：步骤101）使用不同孔径的子阵列嵌套而成的传感器阵列接收全频带信号；步骤102）使用每个子频带所对应的长短阵列信号进行该子频带上的恒定束宽的处理，得到各子频带内的恒定束宽的波束形成信号，子频带为将原始信号整个的频带划分得到的；其中，所述的恒定束宽处理包含：将最高频率对应的子频带除外的其余各子频带依这些子频带各自对应的最高频率进行某一倍率的降采样处理，且降采样倍率的具体取值为：最高频率所在子频带的上限频率与各子频带的上限频率的比值；步骤103）对得到的每个子频带的恒定束宽的波束形成信号进行与降采样相同倍率的升采样处理；步骤104）合成升采样处理后的各个子频带输出的恒定束宽的波束形成信号，从而得到整个处理带宽上波束宽度恒定的波束形成信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌套阵的多倍频程恒定束宽波束形成方法，所述方法包含：步骤101)使用不同孔径的子阵列嵌套而成的传感器阵列接收全频带信号；步骤102)使用每个子频带所对应的长短阵列信号进行该子频带上的恒定束宽的处理，得到各子频带内的恒定束宽的波束形成信号，子频带为将原始信号整个的频带划分得到的；其中，所述的恒定束宽处理包含：将最高频率对应的子频带除外的其余各子频带依这些子频带各自对应的最高频率进行某一倍率的降采样处理，且降采样倍率的具体取值为：最高频率所在子频带的上限频率与各子频带的上限频率的比值；步骤103)对得到的每个子频带的恒定束宽的波束形成信号进行与降采样相同倍率的升采样处理；步骤104)合成升采样处理后的各个子频带输出的恒定束宽的波束形成信号，从而得到整个处理带宽上波束宽度恒定的波束形成信号；所述步骤103)的升采样采用级联升采样，即采用某一设定阶数升采样级联的方式实现相应倍数的升采样处理；所述步骤103)的升采样为：将各个子频带进行从大到小的排序，将较低频率的子频带经过带通滤波之后，经过一级2倍升采样之后，就将信号加入相邻的较高频率的子频带，两个子频带合并后的信号经过一级2倍升采样之后，再加入下一个更高频率的子频带，如此递进完成各子阵的升采样处理。2.根据权利要求1所述的基于嵌套阵的多倍频程恒定束宽波束形成方法，其特征在于，步骤102)所述的恒定束宽处理进一步包含：步骤102-1)依据最高频率对应子频带的上限频率与各子频带的上限频率的比值确定各子频带的降采样倍数；步骤102-2)根据得到的降采样倍数，分别对各子频带对应的长阵和短阵输出的信号进行相应倍数的降采样处理；其中，对于被两个相邻的子频带共用的子阵会对应两个不同的降采样倍数值；步骤102-3)将各子频带降采样处理后的长阵信号经过高通滤波器进行处理、短阵信号经过低通滤波器进行处理，然后合成信号，并经过对应该子频带的带通滤波器后...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈守虎，吴国清，马力，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11