CN106910493B

CN106910493B - 一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法

Info

Publication number: CN106910493B
Application number: CN201710097054.8A
Authority: CN
Inventors: 刘志红; 李燕超; 仪垂杰; 王万凯; 王文明
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2037-02-22
Also published as: CN106910493A

Abstract

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。

Description

一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法

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；

步骤(1-3)根据阵元的周向和径向间距获得同轴圆环阵列的环数和各环上的阵元数。

进一步的，所述的步骤2中同轴圆环阵的不同环阵元和同环阵元分别设置加权方式；不同环阵元的权值由延时叠加法确定，同环阵元的权值由阵元输入信噪比确定。

进一步的，所述的不同环阵元的权值确定方法为：

不同环上的权值w_m由延时叠加法确定，设一窄带波波长为λ，入射方向(φ₀,θ₀)，第m环的权值表示为：

W＝[w₁,w₂…w_M]^T

其中，

m＝1,2…M，φ_mi＝2π(i-1)/N_m；N_m为第m环上的阵元数，M为阵列环数，φ为阵元的方位角，θ为俯仰角，[·]^T表示转置。

进一步的，所述的同环阵元的权值根据阵元的输入信噪比和阵元与声源间的欧式距离确定，其确定方法为：

设权函数h_i是阵元i的信噪比SNR_i和阵元与声源间欧式距离r_si的函数：

第m环上的N_m个阵元的权值表示为：

进一步的，当信噪比SNR_i不为0时阵元权值为h_i，信噪比SNR_i为0时阵元权值为0。

进一步的，所述的步骤3中超指向波束模型的建立方法为：

设一窄带信号入射到同轴圆环阵，波束形成输出表示为：

其中，x_mn(t)和v_mn分别表示第m环上第n个阵元的信号和权值。

进一步的，所述的波束形成输出以向量形式表示为：

z(t)＝V^HX(t)

其中，X(t)表示阵元接收信号向量，大小均为K×1，K为阵列的阵元数量，H表示共轭转置；V表示阵元权值向量，

大小为K×M，M为阵列环数量。同轴圆环阵中，每个环都是一个独立的阵列，因此，对权值的设计分成两部分，一是同环各阵元的权值，表示各阵元对此圆环阵模式的贡献；二是不同环的权值，表征不同环对整个同轴环阵的贡献。

进一步的，当圆环阵列的权值确定，M环同轴圆环阵的三维阵列响应模式为：

其中，ρ_m表示第m环半径；v_m表示m环各阵元的权值。

进一步的，圆环阵列的超指向性波束表示为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明以多环同轴圆环阵列为基础声阵列方式，能够保证有效的孔径、频宽和辐射角度，同时为采用分步加权奠定了结构基础；

2、本发明采用分步加权方式，针对不同位置的阵元附加相应的权重，大大提高了超指向波束形成速度，增强了阵列测量性能，提高其经济性；

3、本发明采用不同环阵元的权值由延时叠加法确定，同环阵元的权值由阵元输入信噪比确定的阵元信噪比加权方式，大大提高了阵列的输出信噪比，保证了超指向波束的稳健性，同时指向性指数可有效实现波束超指向性的定量评价；

4、本发明的多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法总体分为三步，这三步相互联系又相互独立，便于实现结构和性能优化条件的精确单独控制；同时可针对不同声源类型及频率特征，修改相应约束和参数，提高了该方法应用的普适性和适用性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体方法流程图；

图2为实施例1声阵列结构示意图；

图3为实施例1超指向性波束示意图；

图4为实施例1超指向性波束稳健性对比图；

图5为实施例2声阵列结构示意图；

图6为实施例2超指向性波束示意图；

图7为实施例2超指向性波束稳健性对比图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在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不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种多环同轴圆环阵稳健超指向性波束形成方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了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：

一、以多环同轴圆环阵列作为基础声阵列，确定被测量运动声场的频率范围，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，具体步骤为：

步骤(1)根据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(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；

具体确定原则为：

设基础声阵列测量入射波的最小波长和最大波长分别为λ_min和λ_max，阵列孔径为P个半波长入射波，表示阵列可测量频率范围内任意波长数量为P/2个，P取整数。在同轴圆环阵上采用周向等间隔、径向非等间隔的方式进行非规则网格划分，为进一步抑制阵列栅瓣，周向间隔d、径向第1环半径ρ₁、最外环半径ρ_out和相邻环半径差ρ_Δ满足以下条件：

0.25≤d≤0.5；

ρ₁＝λ_min/2；

ρ_out＝λ_max/2；

0.5≤ρ_Δ＜1。

从而确定同轴圆环阵的环数；其中，周向间隔d、径向第1环半径ρ₁、最外环半径ρ_out和相邻环半径差ρ_Δ均以波长为单位；环上阵元数由表1确定。

表1相邻环上阵元数增量与环半径增量关系

步骤(3)根据步骤(2)中获得的同轴圆环阵的环数和环上阵元数，进一步获得各环上的阵元数量。

二、设置声阵列中阵元信噪比加权方式，针对多环同轴圆环阵列的不同环阵元和同环阵元分别设置加权方式；不同环的权值由延时叠加法确定，同环上的权值由阵元输入信噪比确定。

上述的不同环阵元的权值确定方法为：

W＝[w₁,w₂…w_M]^T

其中，

m＝1,2…M，φ_mi＝2π(i-1)/N_m；

N_m为第m环上的阵元数量，M为阵列环数，φ为阵元的方位角，θ为俯仰角，[·]^T表示转置。

上述的同环阵元的权值根据阵元的输入信噪比和阵元与声源间的欧式距离确定，其确定方法为：

第m环上的N_m个阵元的权值表示为：

当信噪比不为0阵元权值为h_i，信噪比为0的阵元权值为0；

三、采用阵列增益的输出表达方式，建立声阵列超指向性波束模型。

超指向波束形成方法为：

设一窄带信号入射到同轴圆环阵，波束形成输出表示为：

其中，x_mn(t)和v_mn分别表示第m环上第n个阵元的信号和权值。

上述的波束形成输出以向量形式表示为：

z(t)＝V^HX(t)

当圆环阵列的权值确定，M环同轴圆环阵的三维阵列响应模式为：

其中，ρ_m表示第m环半径；v_m表示m环各阵元的权值。

则圆环阵列的超指向性波束表示为：

获取超指向性波束后，并对其稳健性进行评价，即以测量频段内输入信噪比变化与指向性指数的大小关系。

圆环阵列超指向性定量参数为指向性指数DI可表示为：

其中，J₀(·)为零阶贝塞尔函数，k为入射波的波数，即k＝2πf/c，c为声在空气中的传播速度，f为入射波频率。

本发明的另一种实施例中，如图2-图4所示，测量一个声源的超指向性波束形成如下：

(1)测量对象为：运动点声源，频率500Hz，直线匀速运动，速度为120km/h，取同轴圆环声阵列为基础阵，阵元周向间隔1/2波长，径向环半径分别为：0.5，1.0，2.0，2.5个波长，环数设为4环，阵元数为24个，中心设置1个阵元，共25个阵元，阵元类型一致。各环上的阵元数分别为：2，4，6，12个，阵列与声源的垂直距离为5米，如图2所示。

(2)根据阵列同环和不同环的权重函数，计算出每个阵元的权值。

(3)根据超指向波束的形成方法，生成指向性波束，并计算相应的指向性指数。同时变化输入信噪比大小，得出相应的指向性指数的变化情况，如图3和图4(a)-图4(c)所示，其中，图4(a)中设置SNR＝20，DI＝1.5，图4(b)中SNR＝10，DI＝1.2，图4(c)中SNR＝5，DI＝0.5，其中x轴表示位置。

本发明的又一种实施例中，提供一种测量一个运动声源的超指向性波束形成方法，如图5-图7所示，本实施例测量两个声源的超指向性波束形成如下：

(1)测量对象：声源频率：高频4000Hz，阵元取同轴圆环阵为基础阵，阵元周向1/4波长，径向环半径分别为：0.5，1.0，1.6，2.4，4.5，5.0个波长，环数设为6环，阵元数为32个，阵元类型一致。各环上的阵元数：4，4，4，4，8，8。阵列与声源的垂直距离为2.5米，如图5所示。

(3)根据超指向波束的形成方法，生成指向性波束，并计算相应的指向性指数。同时变化输入信噪比大小，得出相应的指向性指数的变化情况，如图6和图7(a)-图7(c)所示，其中，图7(a)中设置SNR＝20，DI＝1.5，图7(b)中SNR＝10，DI＝1.2，图7(c)中SNR＝5，DI＝0.5。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。