用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器及波束形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及阵列信号处理领域，尤其涉及一种用于环形阵的时域宽带谐波域波束 形成器及波束形成方法。
【背景技术】
[0002] 波束形成处理广泛应用于麦克风阵列、声响、雷达和无线通信等领域，一般的阵元 域波束形成的处理过程为；采用空间分布的传感器阵列采集数据，然后对所采集的阵列数 据进行线性加权组合处理后得到一个标量波束输出，该处理过程由波束形成器完成。通过 设计加权系数，阵列接收系统响应具有方向性，因此波束形成器可用于进行空域滤波，提高 信噪比。
[0003] 在已有的发明专利号为化201010186643. 1的公布文件中，提出了一种针对球形 阵列的谐波分解与滤波求和处理的时域宽带波束形成器实现方法。该专利中详尽的描述了 谐波域波束形成器在球形阵列上的设计步骤与最终的波束形成器的结构。但是其设计与实 现的结果只适用于球形阵列。
[0004] 环形阵由于其对称的阵形，在阵列所在的水平面上有着全方向的观测能力，而且 由于环形阵列比球形阵列的阵形简单，在只需要对水平面进行观测的应用中非常实用，故 环形阵列在设计与布放等各方面上都有着很广泛的应用。因此基于环形阵列的模态波束形 成器成为近年来的研究热点之一。
[0005] 近年来，许多文献中提到了针对环形阵列的模态域波束形成方法，其中如： 比TeutschandW.Kellermann,"Acousticsourcedetectionandlocalizationbasedon wavefiielddecompositionusingcircularmicrophonearrays,"J.Acoust.Soc.Amer.， vol. 120,no. 5,pp. 2724-2736,Nov. 2006."，在该篇文献中作者使用一个有挡板的圆环阵列 进行声场分解和声源定位，给出了基于本征值的圆环阵列模态域波束形成器的模型。但是 在众多文献中并没有涉及对所述波束形成器的参数（如；波束形成器的稳健性、对干扰的 抑制能力、主瓣空间响应差异等）进行约束波束的优化设计，导致该些方法对传感器阵列 的各种适配敏感，难W实用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，为解决现有的宽带谐波域波束形成器及频域处理方法不适用 于环形阵列的实时信号处理的技术问题，提供了用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器 及波束形成方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器，所 述的波束形成器包括：谐波变换模块和波束图合成模块；所述的谐波变换模块，用于对环 形传感器阵列接收的数据采样进行圆环谐波变换，得到圆环谐波域数据，并对圆环谐波域 数据进行加权求和处理；所述的波束图合成模块为基于FIR滤波器的波束图合成模块，用 于将谐波变换模块输出的各阶圆环谐波域数据分别与FIR滤波器的系数进行卷积处理，再 对各FIR滤波器输出求和，获得时域宽带谐波域波束。所述FIR滤波器根据构造的时域宽 带谐波域波束形成器的各性能参数相对于FIR滤波器系数的表达式，通过约束优化求解各 FIR滤波器的系数。
[0008] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的谐波变换模块，对环形传感器阵列接收 的数据采样进行圆环谐波变换的表达式为：
[0009]
【主权项】
1. 一种用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器，其特征在于，所述的波束形成器包 括：谐波变换模块和波束图合成模块；所述的谐波变换模块，用于对环形传感器阵列接收 的数据采样进行圆环谐波变换，得到圆环谐波域数据，并对圆环谐波域数据进行加权求和 处理；所述的波束图合成模块为基于FIR滤波器的波束图合成模块，用于将谐波变换模块 输出的各阶圆环谐波域数据分别与FIR滤波器的系数进行卷积处理，再对各FIR滤波器输 出求和，获得时域宽带谐波域波束；所述FIR滤波器根据构造的时域宽带谐波域波束形成 器的各性能参数相对于FIR滤波器系数的表达式，通过约束优化求解各FIR滤波器的系数。
2. 根据权利要求1所述的用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器，其特征在于，所 述的谐波变换模块，对环形传感器阵列接收的数据采样进行圆环谐波变换的表达式为：
其中，4(4。)友示输出圆环谐波域数据，η表示谐波阶数，1表示数据点序号，Φπ表示 圆环阵第m个阵元的方位位置，M表示阵元个数，Po表示来波方向，Xm(I)表示环形传感器 阵列接收的采样数据，其表示为： ^m(0 _ ^-wiCO It=JTs 其中，xm(t)表示第m个阵元接收到的宽带信号连续波形，m = 1，. . .，M，TS表示采样周 期，t表示时间。
3. 根据权利要求1所述的用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器，其特征在于，所 述的环形阵为无挡板环形阵或有挡板环形阵。
4. 根据权利要求3所述的用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器，其特征在于，所 述的FIR滤波器根据环形阵基阵模型的各阶模态，构造时域宽带谐波域波束形成器的各性 能参数，包括：波束响应、波束输出功率、白噪声增益、宽带主瓣响应随频率一致性和旁瓣大 小； 所述的环形阵基阵模型得到各阶模态C"(kr)表示为：
其中，i = V3!，Zc = 2rf//c:表示波数，C表示声速，f表示频率，jn与hn分别是η阶球 Bessel与Hankel函数，jn'和hn'分别是jn与h n的导数； 根据各阶模态Cn(kr)获得圆环模态流形向量a，其中， a = [a〇,. ? · j j · · · j &N ],
上式中，瓦表示圆环模态域流形因子，匹配系数J7 = e-i2#T。，％ = _(L _ 1)Γ5/2， L是FIR滤波器长度，Ψ是来波方向物与观测方向<P在环形阵所在平面上的夹角，即 xP = Ιψο-ψΙ· 构造宽带谐波域阵列时域流形向量u(fcr,i/〇，u(kr,i/0 = a(kr,i/〇(8>e(/·)，其中，?表示 Kronecker积，e(f)为滤波器响应系数向量，表示为： e(/) = [l,e~i2nfT^ ...,e_i(i_1)27r^]T, 其中，Ts表示采样周期，（·）τ表示转置； 构造FIR滤波器的波束响应表达式： Β〇?,φ) = hTu(kr,xp), 其中，h = [h【h【, 是（N+1)LX 1维列向量，hn = [hnl，hn2,…，hnJT是第η阶谐 波对应的FIR滤波器加权系数，L是滤波器长度； 构造相对于滤波器系数h的单位功率宽带柱面各向同性噪声协方差矩阵^；表示为： K^l = C 9^i(kr) dk, 上式中，匕与k"分别是对应于频率的信号下、上边界波数，= [I(W+1)X(JV+1) ? e(/)]-fJi^(/cr)[I(w+1)x(w+1) ? e(/")]H 表示相对于滤波器系数 h 的子带 噪声协方差矩阵，卜^表示共轭转置，I(N+1)X(N+1)表示N+1维单位矩阵，^(Zcr) = diag{|C0(/cr)|2.…,|心(/〇")|2}表示子带噪声协方差矩阵，diag{ · }表示构造一个对角元素为 括号中的元素的对角矩阵； 构造宽带柱面各向同性噪声波束输出功率^丨表示为：
构造宽带白噪声增益友示为： yr-* _ M = (Th 其中，M为麦克风个数，为了提取N阶圆环谐波，需要满足M > 2N ; 主瓣空间响应差异向量Ymskv是NaNkXl列向量，表示为： = y MSRV^F 其中，上式满足将工作波数带[kpkj范围内的主瓣域Φι进行离散化为h e [kpkj (J - 1，2，· · ·，Nji)，ΦΜ[(1 - 1，···，Nml)，γ J1srv (kji"，ψ ι) - h u (kji"，Ψ i) _h u (k〇r， V1)，1?为选择的参考波数； 旁瓣性能向量Ba是NaKX 1列向量,表示为： [BSL]j+a-i)iVsL = hTu(kjr,xpi), 其中，Vi是将旁瓣域离散的有限个网格点，即Vi e = 1，2，...，NSJ，其中Φ% 表示旁瓣域。
5. 根据权利要求4所述的用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器，其特征在于，所 述FIR滤波器的系数优化设计表达式为： minh hTp^h (la) subject to hTu (kj-r, 0) =1, j=l, 2, . . . , Nk (lb)
Lq { Y MSEV^ ^ (Ie) 其中，式（la)表示宽带柱面各向同性噪声波束输出功率的最小化，式（Ic)表示波束 宽带白噪音增益约束，S是自定义参数；式（Id)表示旁瓣响应约束，ε是旁瓣响应的上边 界，· }表示Euclidean(q = 2)与Chebyshev(q =°° )范数；式（Ie)表示主瓣空间响 应差异约束，ξ是主瓣偏差的上边界；其中，以式（Ia)作为代价函数，以式（Ib)、式（Ic)、 式（Id)和式（Ie)作为约束函数。
6. 根据权利要求5所述的用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器，其特征在于，采 用二阶锥规划方法对所述约束优化的表达式进行约束优化问题求解。
7. 根据权利要求1-6所述用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器所实现的波束形 成方法，其特征在于，所述的波束形成方法包括： 步骤1)对环形传感器阵列接收的数据采样，通过所述波束形成器中的谐波变换模块 进行圆环谐波变换，得到圆环谐波域数据； 步骤2)对步骤1)中获得的各阶圆环谐波域数据分别与FIR滤波器的系数进行卷积处 理，再对各FIR滤波器输出求和，获得时域宽带谐波域波束，所述FIR滤波器的系数根据构 造的时域宽带谐波域波束形成器的各性能参数通过约束优化计算得到。
8. 根据权利要求7所述的用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成方法，其特征在于， 所述步骤2)中对各FIR滤波器输出求和的表达式为 ：
其中，*表示卷积，1表示序号，1表示整数序号，y(l)表示时域宽带谐波域波束输出， 表示圆环谐波域数据，Po表示来波方向，hn表示第η阶谐波对应的FIR滤波器加权 系数。
【专利摘要】本发明提供了一种用于环形阵的时域宽带谐波域波束形成器及波束形成方法，所述的波束形成器包括：谐波变换模块和波束图合成模块。将阵元接收数据采样后通过谐波变换模块，再对谐波变换模块输出的各阶圆环谐波域数据通过对应的FIR滤波器后求和，获得波束输出。利用该波束形成方法使得到的时域宽带谐波域波束能够兼顾波束形成器多个性能指标，并可以适当减少需要兼顾的性能指标数目，即根据实际需要对代价函数与约束函数进行适当选择，不同的约束组合构成不同的波束优化准则，故具有很强的实用性和广泛应用的适应性；且将经典阵元域波束形成中的通道数M降为本发明中谐波域处理的N+1(其中M＞2N)，降低了计算量。
【IPC分类】H04R3-00
【公开号】CN104768100
【申请号】CN201410001519
【发明人】鄢社锋, 马晓川, 侯朝焕
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2014年1月2日