用于圆环形阵的模态波束形成器及频域宽带实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及阵列信号处理领域，特别涉及一种用于圆环形阵的模态波束形成器及 频域带宽实现方法。
【背景技术】
[0002] 波束形成处理广泛应用于麦克风阵列、声响、雷达和无线通信等领域。一般的阵元 域波束形成的处理过程为：采用空间分布的传感器阵列采集数据，然后对所采集的阵列数 据进行线性加权组合处理，得到一个标量波束输出。能够实现上述处理过程的装置被称为 波束形成器。通过设计加权系数，阵列接收系统响应具有方向性，因此波束形成器可用于进 行空域滤波，提高信噪比。
[0003] 在已有的发明专利(参见参考文献1;鄙社锋等，用于球面阵的时域宽带谐波域波 束形成器及波束形成方法，ZL201010186643. 1)中，提出了一种针对球形阵列的谐波分解与 滤波求和处理的时域宽带波束形成器实现方法。该专利中详尽的描述了谐波域波束形成器 在球形阵列上的设计步骤与最终的波束形成器的结构。但是其设计与实现的结果只适用于 球形阵列。
[0004] 由于阵型简单，圆环形阵列在设计与布放等各方面都有着很广泛的应用。而基于 圆环形阵列的波束形成器，由于其对称的阵型，在阵列所在的水平面上有着全方向的观测 能力，因此基于圆环形阵列的模态波束形成器成为近年的研究热点之一。
[0005] 近年来，许多文献中提到了针对圆环形阵列的模式波束形成方法，如参考文献2: 比TeutschandW.Kellermann,"Acousticsourcedetectionandlocalizationbasedon wavefielddecompositionusingcircularmicrophonearrays,'，J.Acoust.Soc.Amer.， vol. 120,no. 5,pp. 2724 - 2736,Nov. 2006."，在该篇文献中作者使用一个有挡板的圆环阵 列进行声场分解和声源定位，给出了基于本征值的圆环阵列模态波束形成器的模型。但是 众多文献中并没有考虑对所述波束形成器的参数巧日波束形成器的稳健性、对干扰的抑制 能力、期望主瓣响应误差等）进行约束波束优化设计，导致该些方法对传感器阵列的各种适 配敏感，难W实用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中的了针对圆环形阵列的模式波束形成方法稳 健性差导致实用性不高的缺陷，从而提供一种用于圆环形阵的模态波束形成器及频域带宽 实现方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供了一种用于圆环形阵的模态波束形成器，包括：采 样缓存DFT单元（1)、圆环谐波数据变换单元（2 )W及波束合成单元（3 );其中，所述采样缓 存DFT单元（1)包括M路，每一路中至少包括有一模数转换器、一缓存、一离散傅里叶变换 器，所述圆环谐波数据变换单元（2)包含多个子单元，每一子单元都与所述圆环谐波数据变 换单元（2 )的M路相连；所述波束合成单元（3 )包括多个子带波束合成器与一离散傅里叶逆 变换器，所述圆环谐波数据变换单元（2)中的一个子单元对应连接到波束合成单元（3)中 的一子带波束合成器，各个子带波束合成器都与所述离散傅里叶逆变换器连接；所述圆环 谐波数据变换单元（2)中的子单元的个数W及所述波束合成单元（3)中的子带波束合成器 的个数都与模态波束形成器的工作频带的子带数目有关；其中，
[0008] 所述采样缓存DFT单元（1)采集圆环形阵中的阵元所接收的信号，生成M路阵元 域子带数据并输入到所述圆环谐波数据变换单元（2);所述圆环谐波数据变换单元（2)的各 个子单元分别对M路阵元域子带数据进行处理，得到并输出圆环谐波数据；所述圆环谐波 数据分别输入所述波束合成单元（3)中的各子带谐波域波束形成器，得到谐波域频域子带 数据，然后将各个谐波域频域子带数据做加权和，得到波束输出频域数据，最后由所述波束 合成单元（3)中的离散傅里叶逆变换器统一做离散傅里叶逆变换，得到波束输出数据序列。
[0009] 本发明还提供了基于所述的用于圆环形阵的模态波束形成器所实现的频域宽带 实现方法，包括：
[0010] 步骤1)、对圆环形阵所输入的信号做时间采样，对所得到的时间采样数据进行离 散傅里叶变换处理，获得阵元域频域数据，再对阵元域频域数据进行圆傅里叶变换，得到圆 环形阵频域谐波域数据，进而从中选取工作频带范围内的圆环形阵频域谐波域子带数据；
[0011] 步骤2)、构造用于圆环形阵的模态波束形成器的性能参数与模态波束形成子带加 权向量之间的关系表达式；
[0012] 步骤3)、针对步骤1)中所选取的各圆环形阵频域谐波域子带数据，确定多个指 标，将其中任意一个指标作为代价函数，其余指标作为约束值，构造子带谐波域波束形成器 优化设计表达式；
[0013] 步骤4)、针对每个频率子带，对步骤3)中构造的子带谐波域波束形成器优化设计 表达式进行求解，计算出模态波束形成子带加权向量，即得到子带谐波域波束形成器；
[0014] 步骤5)、根据步骤4)得到的各频率子带的模态波束形成子带加权向量对步骤1) 得到的谐波域频域子带数据进行加权求和处理，获得波束输出频域数据；
[0015] 步骤6)、对步骤5)得到的波束输出频域数据进行IFFT变换，获得波束输出数据序 列。
[0016] 上述技术方案中，所述模态波束形成子带加权向量为Wh，其定义为：
[0017] Wh全[W-
[0018] 其中，[? ]T表示转置，Ww表示模态波束形成加权系数。
[0019] 上述技术方案中，在所述步骤2)中，所述性能参数包括波束响应、波束输出功率、 白噪声增益；其中，
[0020] 构造所述波束响应与模态波束形成子带加权向量Wh之间的关系表达式包括：
[0021] 根据圆环阵模型得到圆环阵的各阶模态C"(kr)，其中r是圆环半径，fe二表示 波数，C表示声速，f表示频率；然后根据模态C。(kr)构造圆环谐波系数P"(kr)，利用圆环谐 波系数Pn(kr)构造出圆环谐波域流形矢量Ph(kr)，继而根据圆环谐波域流形矢量Ph(kr)、 模态波束形成子带加权向量Wh构造波束响应表达式8巧r,梦)；所述波束响应表达式为：
[0022]
【主权项】
1. 一种用于圆环形阵的模态波束形成器，其特征在于，包括：采样缓存DFT单元（1)、 圆环谐波数据变换单元（2)以及波束合成单元（3);其中，所述采样缓存DFT单元（1)包括 M路，每一路中至少包括有一模数转换器、一缓存、一离散傅里叶变换器，所述圆环谐波数据 变换单元（2)包含多个子单元，每一子单元都与所述圆环谐波数据变换单元（2)的M路相 连；所述波束合成单元（3)包括多个子带波束合成器与一离散傅里叶逆变换器，所述圆环 谐波数据变换单元（2)中的一个子单元对应连接到波束合成单元（3)中的一子带波束合成 器，各个子带波束合成器都与所述离散傅里叶逆变换器连接；所述圆环谐波数据变换单元 (2)中的子单元的个数以及所述波束合成单元（3)中的子带波束合成器的个数都与模态波 束形成器的工作频带的子带数目有关；其中， 所述采样缓存DFT单元（1)采集圆环形阵中的阵元所接收的信号，生成M路阵元域子 带数据并输入到所述圆环谐波数据变换单元（2);所述圆环谐波数据变换单元（2)的各个 子单元分别对M路阵元域子带数据进行处理，得到并输出圆环谐波数据；所述圆环谐波数 据分别输入所述波束合成单元（3)中的各子带谐波域波束形成器，得到谐波域频域子带数 据，然后将各个谐波域频域子带数据做加权和，得到波束输出频域数据，最后由所述波束合 成单元（3)中的离散傅里叶逆变换器统一做离散傅里叶逆变换，得到波束输出数据序列。
2. 基于权利要求