[发明专利]一种基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法

摘要

本发明涉及一种基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法，利用滑动频率窗平均处理法对蝙蝠头相关传输函数实测数据进行平滑滤波处理，去除频率响应函数中的高阶成分，保留蝙蝠头相关传输函数的主要特征；仿生阵列采用x、y方向阵元数目相同的均匀平面阵，并结合FIR滤波器建立仿生阵列宽带FIR滤波器波束形成模型；最后采用正则化最小二乘算法求解优化问题，得到仿生阵列最优权值。使用本发明的方法能够降低仿生阵列的结构复杂度和复现误差。本发明使用平滑滤波后的头相关传输函数进行仿生阵列设计，仿生阵列与蝙蝠头相关传输函数之间的全局平均误差为12.13％，谱失真为2.99。

主权项

1.一种基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：利用滑动频率窗平均处理法对蝙蝠头相关传输函数实测数据进行平滑滤波处理，滤除头相关传输函数中幅度谱的高阶成分，将处理后的头相关传输函数作为仿生阵列设计的复现样本；已知空间方向的蝙蝠头相关传输函数为H(f,θ,φ)，对于给定方向简记为H(f)，采用滑动频率窗对蝙蝠头相关传输函数实测数据进行平均：f₁‑f₀表示频率窗宽度，当取K＝1.25～2；步骤2：采用x、y方向阵元数目相同的均匀平面阵，采用半波长布阵，阵元间距为d＝c/(2*f_max)，f_max为接收声场的最大频率；阵元均匀分布于xoy平面上，沿x轴有N列，沿y轴有M列；方向目标的单位向量r＝(cosθsinφ,sinθ)，阵元i的位置向量为x_i＝((L_x‑1)d,(L_y‑1)d)，角度向量为x_i·r＝(L_x‑1)dcosθsinφ+(L_y‑1)dsinθ，其中(L_x,L_y)是不同阵元的位置索引；设n＝0,1,…,N‑1；m＝0,1,…,M‑1，其中表示波数，表示相位随距离的变化率；均匀平面阵的阵列流形矢量为：a_n(f_c,θ,φ)＝[V₀₀,…,V_nm,…,V_{(N‑1)(M‑1)}]宽带FIR滤波器波束形成器的阵列流形矢量为：为滤波器的响应向量，N为滤波器阶数，T表示滤波器时延间隔，T＝1/(2*f_max)；以宽带FIR波束形成器的输出来复现蝙蝠头相关传输函数，等效于求解最优化问题：其中w＝[w₁₀,...,w_1N,…,w_M0,...,w_MN]为阵列各阵元权值，h_d(f_c,θ,φ)为平滑滤波后的头相关传递函数；当w^Ha(f_c,θ,φ)≈h_d(f_c,θ,φ)时，上式取得最小值，即仿生阵列取得最优权值；对蝙蝠头相关函数进行频域、角度域离散化处理：D^Hw≈h_d其中：h_d＝[h_d(f₁,θ₁,φ₁),…,h_d(f_p,θ₁,φ₁),…,h_d(f_p,θ_Q,φ_R)]^HD＝[A(θ₁,φ₁),A(θ₂,φ₁),…,A(θ_Q,φ₁),A(θ₁,φ₂),…,A(θ_Q,φ_R)]D中的每一项A(θ_j,φ_k)＝[a(f₁,θ_j,φ_k),a(f₂,θ_j,φ_k),...a(f_P,θ_j,φ_k)]；步骤3：利用正则化最小二乘算法求解权值优化问题，得到仿生阵列的权值最优解，完成基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计；首先将复数等式进行实虚部分离：D_R^Hw≈h_dRD_I^Hw≈h_dI其中“R”，“I”分别代表实部分量和虚部分量；将转化为一个矩阵等式：Cw＝g；其中C＝[D_R,D_I]^T，g＝[h_dR,h_dI]^T；目标函数L为：其中,0＜β＜1，为正则化参数；对目标函数L进行偏微分求解，解得w＝(C^TC+βI)^‑1C^Tg，得到FIR波束形成器各阶权值w，完成基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计。