一种被动声传感器阵列的波束形成方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于声探测领域，提供了一种被动声传感器阵列的波束形成方法及系统。该方法及系统是利用二阶锥规划算法使得检测指数最大，从而得到优化的加权系数矩阵，之后将优化后的加权系数矩阵施加到常规的波束形成器，以在噪声源方向形成凹槽，抑制噪声输出，从而增强了声传感器阵列对离散噪声干扰的抑制能力，提高了声传感器阵列的输出信噪比。相对于现有技术，无需针对带宽内每一频点单独设计加权系数，而仅需优化某一子带的最优加权系数即可，工程上实现简单，有利于工程应用，特别适合应用在车载、机载以及复杂环境噪声背景下的声探测领域，具有重要的工程应用价值。
【专利说明】一种被动声传感器阵列的波束形成方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于声探测【技术领域】，尤其涉及一种被动声传感器阵列的波束形成方法及 系统。
【背景技术】
[0002] 在声探测技术中，普遍采用声传感器阵列实现目标探测。声传感器阵列是指利用 多个声传感器布置在空间的不同位置组成传感器阵列。声传感器阵列接收空间声音信号， 之后通过对接收到的阵列信号的处理，实现灵活的波束控制，获得高的信号增益和较强的 抗干扰能力以及好的空间分辨能力。
[0003] 波束形成技术是阵列信号处理的一个重要环节，该技术可对特定方向的有用信号 形成波束，使之输出最大并衰减其它方向的干扰信号。一般地，波束形成过程是：声传感 器阵列接收到的信号首先经过阵列接收机进行预处理，之后通过模/数转换器得到数字信 号，该数字信号输入如图1所示的波束形成器，波束形成器首先利用加权系数对各个阵元 输出的信号进行幅度加权，之后通过一个时延滤波器补偿各阵元之间的时间延迟后，相加 得到时域输出。
[0004] 现有技术中，各个阵元输出的信号的不同频率分量获得的是相同的幅度加权，这 种标准加权并不适合阵列上有特殊噪声的情况，不能获得良好的噪声抑制性能。作为一 种优化方式，可在整个宽带内划分子带，针对每一频点单独设计加权系数，得到多组加权系 数，但该种方式实现复杂，不利于工程应用。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例的目的在于提供一种被动声传感器阵列的波束形成方法，旨在解决 现有技术采用将宽带划分子带并针对每一频点单独设计来获得加权系数，存在实现复杂， 不利于工程应用的问题。
[0006] 本发明实施例是这样实现的，一种被动声传感器阵列的波束形成方法，所述方法 包括以下步骤：
[0007] 将被动声传感器阵列接收到的目标信号的工作频带划分为若干子带；
[0008] 针对划分得到的一个子带，根据预存的被动声传感器阵列对噪声源的响应的互相 关矩阵，生成优化约束方程；
[0009] 将所述优化约束方程转换为二阶锥形式，并利用二阶锥规划数值方法，得到最优 加权系数；
[0010] 输出所述最优加权系数给波束形成器，由所述波束形成器根据所述最优加权系数 得到时域宽带波束。
[0011] 本发明实施例的另一目的在于提供一种被动声传感器阵列的波束形成系统，所述 系统包括波束形成器和加权系数生成单元，所述加权系数生成单元包括：
[0012] 划分模块，用于将被动声传感器阵列接收到的目标信号的工作频带划分为若干子 带；
[0013] 生成模块，用于针对划分得到的一个子带，根据预存的被动声传感器阵列对噪声 源的响应的互相关矩阵，生成优化约束方程；
[0014] 求解模块，用于将所述优化约束方程转换为二阶锥形式，并利用二阶锥规划数值 方法，得到最优加权系数；
[0015] 输出模块，用于输出所述最优加权系数给所述波束形成器，由所述波束形成器根 据所述最优加权系数得到时域宽带波束。
[0016] 本发明实施例提出的被动声传感器阵列的波束形成方法及系统是利用二阶锥规 划算法使得检测指数最大，从而得到优化的加权系数矩阵，之后将优化后的加权系数矩阵 施加到常规的波束形成器，以在噪声源方向形成凹槽，抑制噪声输出，从而增强了声传感器 阵列对离散噪声干扰的抑制能力，提高了声传感器阵列的输出信噪比。该方法及系统优化 的仅仅是加权系数，而无需改变现有波束形成器的结构，实现方式简单。相对于现有技术， 无需针对带宽内每一频点单独设计加权系数，而仅需优化某一子带的最优加权系数即可， 工程上实现简单，有利于工程应用，特别适合应用在车载、机载以及复杂环境噪声背景下的 声探测领域，具有重要的工程应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例提供的被动声传感器阵列的波束形成方法的流程图；
[0018] 图2是本发明实施例中，圆形传声器阵列实例的示意图；
[0019] 图3是本发明实施例中，圆形传声器阵列实例在噪声信号为窄带信号情况下，常 规波束图与优化设计波束图的比较示意图；
[0020] 图4a是本发明实施例中，圆形传声器阵列实例在噪声信号为宽带信号情况下，常 规波束图的示意图；
[0021] 图4b是本发明实施例中，圆形传声器阵列实例在噪声信号为宽带信号情况下，优 化设计波束图的示意图；
[0022] 图5是本发明实施例提供的被动声传感器阵列的波束形成系统的结构图；
[0023] 图6是图5中，波束形成器的结构图。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0025] 针对现有波束形成器的加权系数优化方式存在的问题，本发明提出了一种被动声 传感器阵列的波束形成方法及系统。首先分析该方法及系统的理论基础：
[0026] 假设一声传感器阵列（如传声器阵列等），其接收存在噪声情况下的未知频谱的 弱信号，并假定目标源发出的目标信号在声传感器阵列端的大小与噪声大小相当，且目标 信号与噪声相互统计独立。其中，噪声对声传感器的响应包含了各种成分，例如环境噪声、 结构噪声、电噪声以及目标源在非期望方向上的成分。
[0027] 在标准的假设检验理论中，针对目标信号加噪声和只有噪声的情况，通常假设声 传感器阵列接收到的信号均为高斯随机变量。在低信噪比的情况下，定义检测指数d为： i/ = /s、&，其中，μSN为目标信号加噪声的幅度平均值，μA噪声的幅度平均值，σA uN 噪声的标准偏差。
[0028] 由信号检测理论可知，最佳阵列接收机实际上是一平方律检波器，则检测指数d 可以写成：
[0029]
【权利要求】
1. 一种被动声传感器阵列的波束形成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 将被动声传感器阵列接收到的目标信号的工作频带划分为若干子带； 针对划分得到的一个子带，根据预存的被动声传感器阵列对噪声源的响应的互相关矩 阵，生成优化约束方程； 将所述优化约束方程转换为二阶锥形式，并利用二阶锥规划数值方法，得到最优加权 系数； 输出所述最优加权系数给波束形成器，由所述波束形成器根据所述最优加权系数得到 时域宽带波束。
2. 如权利要求1所述的被动声传感器阵列的波束形成方法，其特征在于，所述被动声 传感器的阵元个数为M，所述优化约束方程为：
利用二阶锥规划数值方法，求解二阶锥形式的优化约束方程，得到所述矩阵y的最优 解后，取出所述最优解中的第个J+2?J+1+M个分量，即为得到的所述最优加权系数。
4. 如权利要求2或3所述的被动声传感器阵列的波束形成方法，其特征在于，在所述将 被动声传感器阵列接收到的目标信号的工作频带划分为若干子带的步骤之前，所述方法还 包括以下步骤： 在没有目标声源的条件下对感兴趣的K个离散噪声源进行单独测试，以得到KXM阶传 递函数矩阵H(co)以及KXK阶的噪声源自相关矩阵C(?)，之后根据公式M(?) =H#(?) C(?)H(?)，得到被动声传感器阵列对噪声源的响应的互相关矩阵M(?)并存储。
5. -种被动声传感器阵列的波束形成系统，其特征在于，所述系统包括波束形成器和 加权系数生成单元，所述加权系数生成单元包括： 划分模块，用于将被动声传感器阵列接收到的目标信号的工作频带划分为若干子带； 生成模块，用于针对划分得到的一个子带，根据预存的被动声传感器阵列对噪声源的 响应的互相关矩阵，生成优化约束方程； 求解模块，用于将所述优化约束方程转换为二阶锥形式，并利用二阶锥规划数值方法， 得到最优加权系数； 输出模块，用于输出所述最优加权系数给所述波束形成器，由所述波束形成器根据所 述最优加权系数得到时域宽带波束。
6. 如权利要求5所述的被动声传感器阵列的波束形成系统，其特征在于，所述被动声 传感器的阵元个数为M，所述优化约束方程为：
求解子模块，用于利用二阶锥规划数值方法，求解二阶锥形式的优化约束方程，得到所 述矩阵y的最优解后，取出所述最优解中的第个J+2?J+1+M个分量，即为得到的所述最优 加权系数。
8. 如权利要求6所述的被动声传感器阵列的波束形成系统，其特征在于，所述系统还 包括： 预存模块，用于在没有目标声源的条件下对感兴趣的K个离散噪声源进行单独测试， 以得到KXM阶传递函数矩阵H(co)以及KXK阶的噪声源自相关矩阵C(?)，之后根据 公式M(?) =H#(?)C(?)H(c〇)，得到被动声传感器阵列对噪声源的响应的互相关矩阵 M(?)并存储。
9. 如权利要求5至8任一项所述的被动声传感器阵列的波束形成系统，其特征在于，所 述波束形成器包括： 多个加权电路，所述多个加权电路与所述被动声传感器阵列中的多个阵兀分别 对 应，用于分别接收对应阵元经模/数转换器输出的数字信号以及所述加权系数生成单元输 出的对应的最优加权系数，并利用所述最优加权系数对所述数字信号进行幅度加权； 多个时延滤波器，所述多个时延滤波器与所述多个加权电路分别 对应，用于对对 应的所述加权电路输出的信号进行处理，以补偿各阵元之间的时间延迟； 叠加电路，用于将各个所述时延滤波器输出的信号相加，得到时域宽带波束。
【文档编号】G01S7/52GK104483665SQ201410795608
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】杨博, 李志宇, 侯志国, 孙志洁, 袁彦, 张思凡, 周印龙, 蔡文义 申请人:中国电子科技集团公司第三研究所