一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法技术

本发明专利技术涉及一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法，直接计算波束形成过程中所需要的噪声协方差矩阵，以波束形成的加权向量：w＝C

A beamforming method of end fire linear array composed of directional acoustic sensor

The invention relates to a beamforming method of end firing linear array composed of directional acoustic sensor, which directly calculates the noise covariance matrix required in the beamforming process, and uses the weighted vector of beamforming: w = C

【技术实现步骤摘要】
一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法
本专利技术属于声学阵列信号处理、声纳信号处理等领域，涉及一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法，适用于目标信号检测、噪声消除等领域。
技术介绍
由具有指向性的声传感器(比如声矢量传感器)组成的阵列(比如直线阵、圆环阵、平面阵和立体阵等)在雷达、声纳、空气中传声器等系统中具有广泛的应用，常被用来进行定向声信号增强、噪声抑制、微弱目标检测等。早期的由指向性的声传感器组成阵列的研究有：(1)文献1“HawkesM,NehoraiA,etal.Acousticvector-sensorcorrelationsinambientnoise[J].IEEEJ.Ocean.Eng.,2001,26(3):337-347.”公开的方法，计算了声矢量传感器各个分量的空间相关性，只给出了质点振速传感器直线阵的波束形成方法，没有给出与声压分量的联合估计；(2)文献2“D’SpainGL,LubyJC,WilsonGR,etal.Vectorsensorsandvectorsensorlinearrays:Commentsonoptimalarraygainanddetection[J].J.Acoust.Soc.Am,2006,120(1):171-185.”在文献1的基础上进一步分析了矢量传感器各个分量的空间相关性，给出了相关性的解析表达式，但是仅仅停留在单自由度的矢量传感器(比如质点振速传感器)的分析。(3)文献3“王绪虎,陈建峰,韩晶等.环境噪声场中二阶组合水听器的空间相关性[J].振动与冲击,2013,32(21).”给出了矢量水听器的一阶、二阶各个分量之间的相关性，但其表达式涉及到多个夹角，较为复杂不易计算，并且未涉及关于具有指向性的声传感器的空间相关性和波束形成。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法，解决指向性声传感器阵列在波束形成中的空间噪声相关性计算复杂、只能通过积分求解且没有解析解的缺陷。本方法具有较为简单直接的关于空间噪声相关性计算方式，并且波束形成能够有效抑制栅瓣以及非期望方向到达的干扰和噪声信号。本专利技术假设多个指向性声传感器位于坐标系的z轴上，同时指向轴线方向，即可组成端射线列阵，这在麦克风、声纳系统等实际应用具有广泛的使用。技术方案一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法，其特征在于步骤如下：步骤1：声传感器等间距组成的直线阵在空间均匀噪声场中由噪声相关性组成的噪声协方差矩阵R，其第m行、第m'列的元素为：其中,m≥m'，a、b为实数且a+b＝1，0<a<1，0<b<1，表示虚数单位，x＝k·(m-m')·d，k＝2πf/c(f为信号频率，c为声速，π为圆周率)为波数，d为相邻两个传感器间的距离；步骤2：当m＜m'时，噪声协方差矩阵的第m行、第m'列的元素为：步骤3：计算波束形成的加权向量：w＝CTD-2C·P(θ0)其中：上标“T”表示转置，θ0表示入射信号的俯仰角，且θ0＝0°；P(θ0)＝[p1(θ0),p2(θ0),...,pm(θ0),...,pM(θ0)]T为指向θ0的阵列流形向量，M为阵元个数，pm(θ0)＝(a+bcosθ0)·exp[-jk(m-1)dcosθ0]，D为一个M×M对角矩阵，D-2用来对输入噪声进行归一化，C是一个正交变换矩阵；所述C＝[c0c1…ck…cM-1]T其中：ck＝[ck0ck1…ckk0…0]T其中，上标“*”表示共轭，步骤4：计算直线阵的波束形成响应即波束图：B(θ)＝wHP(θ)其中：上标“H”表示共轭转置，P(θ)＝[p1(θ),p2(θ),...,pm(θ),...,pM(θ)]T为指向角度θ的阵列流形向量，θ表示入射信号的俯仰角，pm(θ)＝(a+bcosθ)·exp[-jk(m-1)dcosθ]。有益效果本专利技术提出的一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法，直接计算波束形成过程中所需要的噪声协方差矩阵，具有简单易用、计算速度快的优点。该方法首先使两个传感器同时指向选取的典型方向(端射方向)，然后计算传感器间的空间相关性的函数，由此组成噪声协方差矩阵，最后进行波束形成进行输出。有益效果体现在：1.本专利技术公开的波束形成设计方法是针对具有指向性传感器之间的相关性，而文献1公开的方法只是处理无指向性的声压传感器。2.本专利技术公开的方法设计出的相关性计算方法是关于具有指向性的传感器，而文献2和文献3公开的方法只是针对单自由度的矢量传感器，并没有对更复杂的指向性传感器的描述。3.本专利技术公开的波束形成设计方法可对声传感器间的相关性通过简单的算数求得，具有解析解的形式，避免了繁琐的不精确的积分过程，而文献4的计算涉及到的关于矢量传感器的一阶、二阶相关性的计算较为复杂、参数过多，不能直接计算。附图说明图1是两个具有指向性的声传感器同时指向z轴的轴线方向的示意图。图2有指向性的声传感器阵元在不同a和b取值时的空间接收响应，图2(a)a＝0.2，b＝0.8；图2(b)a＝0.5，b＝0.5；图2(c)a＝0.8，b＝0.2。从图2中可以看出，阵元在不同a和b的取值时有不同的空间接收响应。图3是以第1号传感器为参考得到的两个传感器(第1号和第2号)指向z轴轴线(端射)方向的相关性的值，作为示例，a＝0.2，b＝0.8，图3(a)是相关性值的实部，图3(b)是相关性值的虚部。图4是以第1号传感器为参考得到的两个传感器(第1号和第2号)指向z轴轴线(端射)方向的相关性的值，作为示例，a＝b＝0.5，图4(a)是相关性值的实部，图4(b)是相关性值的虚部。图5是以第1号传感器为参考得到的两个传感器(第1号和第2号)指向z轴轴线(端射)方向的相关性的值，作为示例，a＝0.8，b＝02，图5(a)是相关性值的实部，图5(b)是相关性值的虚部。图6是由M＝7个声传感器阵元且x＝6时计算得到的波束图，图6(a)中：a＝0.2,b＝0.8；图6(b)中：a＝b＝0.5；图6(c)中a＝0.8,b＝0.2。虚线为传统声压直线阵，实线为阵元有指向性的直线阵图7是由M＝7个声传感器阵元计算得到的阵增益曲线，虚线为传统声压直线阵，实线为阵元有指向性的直线阵图7(a)中：a＝0.2,b＝0.8；图7(b)中：a＝b＝0.5；图7(c)中：a＝0.8,b＝0.2。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：具有指向性的声传感器组成的端射直线阵的波束形成方法步骤如下：步骤1、求声传感器等间距组成的直线阵在空间均匀噪声场中由噪声相关性组成的噪声协方差矩阵R，其第m行、第m'列的元素由下式计算：：其中,m≥m'，a、b为实数且a+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1：声传感器等间距组成的直线阵在空间均匀噪声场中由噪声相关性组成的噪声协方差矩阵R，其第m行、第m'列的元素为：/n

【技术特征摘要】
1.一种由指向性声传感器组成的端射直线阵波束形成方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：声传感器等间距组成的直线阵在空间均匀噪声场中由噪声相关性组成的噪声协方差矩阵R，其第m行、第m'列的元素为：



其中,m≥m'，a、b为实数且a+b＝1，0<a<1，0<b<1，表示虚数单位，x＝k·(m-m')·d，k＝2πf/c为波数：f为信号频率，c为声速，π为圆周率；d为相邻两个传感器间的距离；
步骤2：当m＜m'时，噪声协方差矩阵的第m行、第m'列的元素为：



步骤3：计算波束形成的加权向量：
w＝CTD-2C·P(θ0)
其中：上标“T”表示转置，θ0表示入射信号的俯仰角，且θ0＝0°；P(θ0)＝[p1(θ0),p2...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪勇，朱少豪，杨益新，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61