[发明专利]一种圆环形阵列稳健旁瓣控制超指向性波束形成方法

说明书

技术领域

本发明属于一种波束形成方法，涉及一种圆环形阵列稳健旁瓣控制超指向性波束形成方法，适用于圆环形阵列的低信噪比目标检测以及目标方位的高分辨率估计，属于水声学、阵列信号处理和声纳技术等领域。 

背景技术

常规波束形成方法对各通道信号进行延时求和处理以提取所需信息，其操作简单，性能稳健，故而得到了广泛的应用。但该方法所能提供的阵增益和空间指向性十分有限，尤其在较低频段更是如此。对于检测低信噪比目标，例如现代化的安静型潜艇，需要扩大阵列孔径才能达到要求，而这样的阵列往往达到几十米甚至上百米，造价昂贵且布放回收十分不便。另外估计目标方位时存在“瑞利限”，难以较好地分辨低频目标。相比之下，超指向性波束形成方法在同等条件下具有更高的阵增益、指向性和空间分辨率，可以显著减小阵列尺寸，且有更好的宽带性能，在声呐、雷达、天线设计、语音信号处理和通信等领域都具有重要意义。文献1“High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis.Proc IEEE,1969,vol.57(2),p.1408～1418”公开了一种超指向性波束形成方法。然而理论上的高性能却很难在实际中获得，主要是因为该方法对误差过于敏感。为提高超指向性的稳健性，人们提出了很多改进方法，但都存在各自的缺点，例如文献2“Covariance matrix estimation errors and diagonal loading in adaptive arrays,IEEE Trans Aerospace Electron Syst,1988,vol.24(4),p.397-401”和文献3“Robust adptive beamforming,IEEE Trans Acoust,Speech,Signal Processing,1987,vol.35(5),p.1365-1376”分别公开的对角加载和白噪声增益约束方法都能较好地改善稳健性，但对角加载量以及白噪声增益约束值都难以根据实际情况准确获得，其直接后果是稳健性仍然不足或者损失过多的指向性，不利于实际应用。文 献4“任意几何形状和阵元指向性的传感器阵列优化波束形成方法,声学学报,2005,vol.30(3),p.264-270”公开了一种基于二阶锥规划（SOCP：Second-Order Cone Programming）的白噪声增益约束方法，能得到较稳健的超指向性结果且旁瓣级（Sidelobe Level：SL）也能控制，但如何根据实际情况准确获得白噪声增益约束值仍然未作讨论。 

对于实际中应用较为广泛的圆环形阵列，文献5“Superdirective receiving arrays for underwater acoustics application,Defense Research Establishment Atlantic,Dartmouth,Nova Scotia,DREA CR/97/444,1997”公开了一种基于相位模态理论的超指向性波束形成方法。然而，实际中空域采样以及级数截断误差使得该方法本身具有难以消除的误差，不能得到超指向性的精确解。文献6“柱体表面圆环阵稳健高增益波束形成的模态域直接优化方法研究,声学学报,2012,vol.37(3),p.308-318”公开了一种模态域的稳健高增益波束形成方法，但仍然具有模态域本身的缺点且相关约束参数同样不易确定。文献7“Theoretical and practical solutions for high-order superdirectivity of circular sensor arrays,IEEE Trans Ind Electron,2013,Vol.60(1),p.203-209”公开了关于圆环形阵列的精确高阶超指向性解，通过一种降秩处理技术获得了不错的超指向性结果，然而其关于稳健性的讨论仍显不足，且未考虑超指向性波束旁瓣过高的问题。 

发明内容

要解决的技术问题 

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种圆环形阵列稳健旁瓣控制超指向性波束形成方法，解决现有技术稳健性参数不易确定和旁瓣级不能有效控制的不足。 

技术方案 

一种圆环形阵列稳健旁瓣控制超指向性波束形成方法，其特征在于步骤如下：