[发明专利]一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法

说明书

本发明公开了一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，它解决了现有测量声阵列的声源空间分辨精度低、虚假声源抑制性和波束稳健性差、波束形成过程盲目性强、效率低和经济性差等问题，具有提高了阵列的输出信噪比，保证了超指向波束的稳健性，便于实现结构和性能优化条件的精确单独控制的有益效果，其技术方案为：包括以下步骤：以多环同轴圆环阵列作为基础声阵列，确定基础声阵列的环数和环上阵元数；设置声阵列中阵元信噪比加权方式；建立声阵列超指向性波束模型。

技术领域

本发明涉及声阵列测试的技术领域，特别是涉及一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法。

背景技术

声阵列波束形成技术是识别运动噪声源的常用手段，因其适于远场和中高频噪声测量，被广泛应用于飞机、火车、汽车等运载工具的噪声测试中。声阵列波束的宽度表征了阵列识别声源的分辨能力，波束宽度越宽，阵列的识别能力就越差，即阵列分辨相邻声源的能力就越差；阵列波束的最大主瓣与最大旁瓣幅值的比值或最大旁瓣级的大小表示了阵列抑制干扰或噪声的能力，也就是在声图像上抑制‘鬼影’虚假声源的能力。由此可见，如何形成一个主瓣窄，最大旁瓣级小，对背景噪声不敏感的阵列波束是声阵列波束形成技术的关键。

声阵列波束形成的本质是如何确定一个合理的阵列输出加权函数，不同加权函数的选取方法产生了不同的波束形成方法。如以阵列输出能量最大为目标的传统波束形成法、高分辨率的capon波束、以子空间为基础的MUSIC算法、以频谱为基础加强分辨率法、参数估计方法等，这些方法能有效地形成阵列的输出波束，实现静止声源的识别。而针对运动声源，因其声场的多普勒效应、指向性和运动耦合的特性，使得这些方法存在一定的局限，针对识别运动声源的声阵列波束的形成和波束性能的研究，存在如下问题亟待解决：

(1)声阵列的运动声源空间分辨率低：

因运动声源辐射声场的特殊性，声阵列测量性能受声阵列模式混叠、阵元互耦和旁瓣影响，不能清晰分辨出相距较近的多个噪声源，相干声源分辨力低，定位准确性差；

(2)超指向性波束稳健性差、噪声敏感性强：

非规则声阵列的辐射模式中旁瓣变得复杂，虚假声源的抑制性变差；波束的稳健性受测量声源的频率和信号的输入信噪比影响大，测量频率越宽，信噪比越小，波束形成及其稳健性保证就越难；

(3)超指向性波束的形成过程复杂：

超指向性波束的形成与阵列输出的加权方式、波束形成过程和阵元输入信噪比等因素有关，找出一个合理的阵列加权方式和有效的形成过程，计算量大、效率低、盲目性强。

综上所述，现有技术对稳健超指向性的声阵列波束形成方法，尚缺乏有效的方案。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，其解决了现有测量声阵列的声源空间分辨精度低、虚假声源抑制性和波束稳健性差、波束形成过程盲目性强、效率低和经济性差等问题。

本发明采用如下技术方案：

一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法，包括以下步骤：

步骤1以多环同轴圆环阵列作为基础声阵列，确定基础声阵列的环数和环上阵元数；

步骤2设置声阵列中阵元信噪比加权方式；

步骤3建立声阵列超指向性波束模型。

进一步的，所述的步骤1中根据被测量运动声场的频率范围确定基础声阵列的环数和环上阵元数，包括以下步骤：

步骤(1-1)根据被测量运动声场的频率范围确定基础声阵列孔径的大小，即同轴圆环阵列的环数和最大环半径；

步骤(1-2)根据阵列测量运动声源及抗空间混叠和栅瓣性能要求，获得阵元的周向和径向间距；