[发明专利]基于稀疏阵列的鲁棒频率不变波束形成方法

说明书

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于稀疏阵列的鲁棒频率不变波束形成方法，包括：1）构建基于一维均匀线性阵列的频率一致的波束图合成问题的数学模型，通过ADMM求解不同频率下的权重矩阵，进而得到不同频率下稀疏阵元位置和滤波器的权重系数；2）对权重矩阵进行群组稀疏处理，进而确定稀疏阵元在所有频率上的共同位置；3）确定共同的滤波器的权重向量并优化阵列的鲁棒性；4）结合步骤3）所得到的共同的滤波器的权重向量得到稀疏波束图。本发明提供了一种近似频率不变的波束形成、阵列的高方向性增益、阵列的良好鲁棒性以及更高阵元利用率的基于稀疏阵列的鲁棒频率不变波束形成方法。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于稀疏阵列的鲁棒频率不变波束形成方法，尤其涉及一种基于范数优化的稀疏阵列鲁棒频率不变波束形成方法。

背景技术

频率一致的宽带波束形成器的设计具有实用性，在信号处理技术中具有重要意义，这种技术实现了频不变和波束宽度指向信号感兴趣的宽带，这是在语音通信、雷达和声呐系统中抑制信号失真的可靠方法。除了频率不变性，阵列的其他性能指标，如阵列的方向性因子（全称directional factor，简称DF）、阵列的鲁棒性（白噪声增益，简称WNG）对阵列同样重要。

考虑到声学应用中的频率一致性，差分麦克风阵列（DMAs）是一个不可或缺的研究课题。差分麦克风阵列提供了一套完整的理论系统来选择目标波束图。毫无疑问，由差分麦克风阵列生成的锐心形波束图是参考波束图的不错选择，因为它具有高方向性因子，但差分麦克风阵列（DMAs）受到白噪声放大的影响，因此改善其鲁棒性有着重要意义。

到目前为止，稀疏麦克风阵列设计的最热门研究集中在应用范数和随机优化技术来确定宽带稀疏阵列配置，应用范数是有效的，但不能保证最优稀疏解，并且随机优化方法有着大量计算负担，这是低效的。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述问题，本发明提供了一种近似频率不变的波束形成、阵列的高方向性增益、阵列的良好鲁棒性以及更高阵元利用率的基于稀疏阵列的鲁棒频率不变波束形成方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于稀疏阵列的鲁棒频率不变波束形成方法，其特征在于：所述基于稀疏阵列的鲁棒频率不变波束形成方法包括以下步骤：

1）构建基于一维均匀线性阵列的频率一致的波束图合成问题的数学模型，通过ADMM求解不同频率下的权重矩阵，进而得到不同频率下稀疏阵元位置和滤波器的权重系数；

2）对权重矩阵进行群组稀疏处理，进而确定稀疏阵元在所有频率上的共同位置；

3）确定共同的滤波器的权重向量并优化阵列的鲁棒性；

4）结合步骤3）所得到的共同的滤波器的权重向量得到稀疏波束图。

作为优选，本发明所采用的步骤1）的具体实现方式是：

1.1）构建基于一维均匀线性阵列的频率一致的波束图合成问题的数学模型，所述数学模型的表达式是：

；

其中：

和分别是在频率下，引入的两组实值辅助变量；

为在频率下，包含波束形成器复系数的大小为的加权向量；

为在频率下，声信号的导向矢量；

矩阵和分别为在频率为下，包含了主瓣角度区域和旁瓣上的导向矢量的矩阵，大小分别为和；

和分别为目标波束图包含主瓣和旁瓣区域的长度为和的向量；

和分别是设计的主瓣和副瓣和目标波束图间的正值误差容限参数；