[发明专利]圆环阵最优频率不变响应超指向性波束形成方法

说明书

本发明涉及一种圆环阵最优频率不变响应超指向性波束形成方法，针对均匀圆环形阵列提出一种最优频率不变响应超指向性波束形成方法。该方法首先给出了一般化的期望波束表达式，并将不同频率处的权值向量表达成期望波束权值向量的函数，然后构建多约束优化问题，获得满足约束条件的最优期望波束，最后通过函数关系获得其它频率处的权值向量，合成得到宽带频率不变响应超指向性波束。可以灵活地控制波束形状，可以获得更宽频率范围内的频率不变响应超指向性波束，可以获得满足约束条件的最优期望波束。

技术领域

本发明属于声学阵列信号处理和声呐技术等领域，是一种波束形成方法，涉及一种圆环阵最优频率不变响应超指向性波束形成方法，特别涉及一种频率不变响应超指向性波束形成方法，适用于圆环形阵列的宽带目标检测以及宽带目标方位估计。

背景技术

在声呐、雷达、通信以及语音工程等领域，常用阵列接收宽带信号并进行处理，以实现目标检测、定位、分辨等目的。频率不变响应超指向性波束形成方法既能保证宽带信号无畸变，也能获得更好的空间指向性和信噪比增益，可显著提高阵列处理的相关性能，因此备受关注。

已有的频率不变响应超指向性波束形成方法主要有：文献1“Design of robustsuperdirective arrays with a tunable tradeoff between directivity andfrequency-invariance.IEEE Trans.Signal Process.,2011,59(5):2169-2181”公开的加权优化方法，该方法理论上可应用于任意阵型，但其形式较复杂，未能获得简易的闭式解，也难以灵活地控制波束形状。文献2“Design of circular differential microphonearrays.Springer topics in signal processing,ed.J.Benesty andW.Kellermann.vol.12.Berlin:Springer-Verlag,2015.”公开的差分方法，该方法有两种具体形式，一种是在满足相关无畸变和零点约束的条件下获得权值向量，另一种是基于有限阶Jacobi-Anger级数展开拟合期望波束。然而，这两种形式合成的波束仍然不够精确，其频率不变性能可以进一步提高。文献3“一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法.中国:CN103903609 B,2016”公开的期望波束拟合方法，该方法通过最小化合成波束和期望波束之间的均方误差，得到了圆环阵在不同频率上权值向量的精确闭式解，可方便地合成宽带频率不变响应波束。但该方法的期望波束是由相同阵元数的圆环阵合成得到，且只能事先给定，不能保证期望波束是满足需求的最佳选择。

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阵最优频率不变响应超指向性波束形成方法，克服了现有技术频率不变性能有限和难以给出最佳期望波束的不足：不同频率处的权值向量是一般化期望波束权值向量的函数。

技术方案

一种圆环阵最优频率不变响应超指向性波束形成方法，其特征在于适用于均匀圆环形阵列，步骤如下：

步骤1：建立均匀圆环形阵列的一般化期望波束的表达式：

其中：N0为最高阶数，φ是水平方位角，φ₀是波束主瓣方向，a＝[a_-N,...a₀,...,a_N]^T是由实数组成的向量，且满足a_-n＝a_n，上标T表示转置；

步骤2、计算最优期望波束权值向量：

构建多约束优化问题：