一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法技术

本发明专利技术涉及一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，针对均匀圆环形阵列提出一种简单而精确的恒定束宽波束形成器设计方法。该方法利用循环矩阵的特性，给出了圆环阵最小平方误差波束图综合问题的精确解，并将最终合成的波束以及最小平方误差简单地表示为子分量叠加之和。当期望波束转换为适当形式时，可得到恒定束宽波束形成器权值向量的闭式表达式。本发明专利技术克服了现有技术操作复杂和不够精确的不足：最优解精确地表示为子分量的叠加和，且有闭式的表达式。

A design method of ring array constant beamwidth beamformer

The invention relates to a method for designing a ring array constant beamwidth beamformer. For a uniform circular ring array, a simple and accurate method for designing a constant beamwidth beamformer is presented. The characteristics of cyclic matrix, gives the exact solutions of the least square error ring array beam pattern synthesis problem, and ultimately the beamforming and least square error is simply expressed as the sum of the sub component. When the desired beam transition is taken as a proper form, the closed form expression of the weight vector of the constant beamwidth beamformer can be obtained. The invention overcomes the shortcomings of the prior art that the operation is complicated and not accurate enough: the optimal solution is accurately represented as a superposition of the sub components and has closed expressions.

【技术实现步骤摘要】
一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法
本专利技术属于一种波束形成器设计方法，涉及一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，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，属于水声学、阵列信号处理和声纳技术等领域。
技术介绍
圆环形阵列由于阵型简单，没有左右舷模糊且能够在全周向范围内形成基本恒定的波束，因此在声纳、雷达、通信以及语音工程等领域应用广泛。关于该阵列的信号处理方法也是层出不穷，其中宽带波束形成方法更是受到了极大的关注。由于常规阵列输出的波束是随频率变化的，尤其当信号从主瓣其它方向入射时，不同频率信号频谱就会发生畸变，好像进行了低通滤波一样，不利于后续处理。为解决这一问题，需要设计恒定束宽波束形成器，即波束不随频率改变，特别是保证主瓣在给定的带宽内恒定不变。此类方法已经提出很多，主要基于两类思想：(1)利用波束形成中频率和孔径的关系，通过改变阵列的有效孔径使得不同频率对应的波束恒定不变，典型的有文献1“Constantbeamwidthreceivingarraysforbroadbandsonarsystems,Acustica,1970,vol.23(1),p.21-26”公开的组合阵方法，但该方法要求阵形严格满足扩展结构，基阵尺寸较大，需要阵元数目多。(2)在某种准则下使得需要合成的波束与期望波束逼近，例如文献2“任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成新方法,声学学报，2001,vol.26(1),p.55-58”公开的Bessel级数方法以及文献3“基于二阶锥规划的任意传感器阵列时域恒定束宽波束形成,声学学报，2005,vol.30(4),p.309-316”公开的凸优化方法。虽然这类方法很多都适用于任意阵型，但它们未能充分利用圆环形阵列的特性，没有给出精确解析解。文献4“Onthedesignofdigitalbroadbandbeamformerforuniformcirculararraywithfrequencyinvariantcharacteristics,IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems(ISCAS),2002,vol.1,p.I-693-I-696”专门针对圆环阵公开了一种简单的恒定束宽波束形成方法，基本原理是利用相位模态理论，将不随频率改变的量分离出来，然后拟合期望波束，得到所需要的恒定束宽波束。该方法虽然简单，但相位模态理论涉及空域采样和级数截断，得到的最终结果不是精确的。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，解决现有技术操作复杂和不够精确的不足。技术方案一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：确定期望波束为水平范围内的二维波束，由圆环形阵列在参考频率理论计算得到，其表达式为：其中M为阵元个数，(·)*表示求共轭，ps(ka,φ)为第s个阵元接收到的从方向φ入射的单位幅度平面波信号，ωm(krar)为给定的期望权值向量元素，且需满足m＝1,2,...，M/2-1；所述式中：ar为参考圆环形阵列的半径，kr＝2π/λr，λr表示参考入射平面波的波长,φs＝sβ，β＝2π/M；所述步骤2：计算期望波束与合成波束的最小均方误差：其中：和λm分别为循环矩阵ρ在参考频率krar和所要计算频率ka时的特征值，为循环矩阵的特征值，满足关系和所述所述所述式中：J0(·)是第0阶柱形Bessel函数，Δrsr＝2arsin(sβ/2)和Δrs＝2asin(sβ/2)分别是参考圆环阵和所要研究的圆环阵各自第m和m'个传感器之间的距离，s＝|m-m′|；步骤3：计算恒定束宽波束形成器在确定的频带范围内的权值向量，权值向量的第m个元素表达式为：构成权值向量为ω＝[ω0,ω1,…,ωM-1]T，上标T表示转置；步骤4：根据权值向量的不同形式，采用以下两种方法合成最终波束：1、直接计算：2、阵元域计算：其中w＝Vω，V＝[v0,v1,…,vM-1]，P(ka,φ)＝[p0(ka,φ),p1(ka,φ),…,pM-1(ka,φ)]T为阵列流形向量，vm＝M-1/2[1eimβ…ei(M-1)mβ]T为循环矩阵特征向量且满足关系ka在波束的频率范围内取值，该频率范围根据设计精度，由步骤2得到的最小均方误差曲线δ(ka)确定。有益效果本专利技术提出的一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，针对均匀圆环形阵列提出一种简单而精确的恒定束宽波束形成器设计方法。该方法利用循环矩阵的特性，给出了圆环阵最小平方误差波束图综合问题的精确解，并将最终合成的波束以及最小平方误差简单地表示为子分量叠加之和。当期望波束转换为适当形式时，可得到恒定束宽波束形成器权值向量的闭式表达式。本专利技术克服了现有技术操作复杂和不够精确的不足：最优解精确地表示为子分量的叠加和，且有闭式的表达式。有益效果体现在：1.本专利技术无需太大的阵列孔径，阵元数也不要求很多，比文献1的方法简单。2.本专利技术给出了使合成波束与期望波束的平方误差最小的精确解，在原理上未作任何近似，没有人为地引入其它误差，比文献4的模态域方法更精确更可靠。3.当期望波束变换为适当形式，本专利技术得到了恒定束宽波束形成器权值向量以及最终误差的闭式表达式，而其它文献均难以得到这样的结果。附图说明图1：圆环形阵列示意图。图2：期望波束图。图3：期望波束与合成波束的最小平方误差随频率的变化关系。图4：合成的恒定束宽宽带波束图之波束图随频率的变化。图5：合成的恒定束宽宽带波束图之叠加显示。图6：常规和合成的恒定束宽波束的指向性指数。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术适用于均匀圆环形阵列的恒定束宽波束形成器设计方法，给出了均匀圆环阵的最小平方误差波束图综合问题的精确解，并将期望波束转换为适当形式，得到了恒定束宽波束形成器权值向量的闭式表达式。其过程为：(1)给定期望波束。由于圆环形阵列更多关注的是水平面内波束形成的性能，所以期望波束仅取为水平范围内的二维波束。期望波束由圆环形阵列在参考频率理论计算得到，其表达式为：其中M为阵元个数，(·)*表示求共轭，ps(krar,φ)为第m个阵元接收到的从方向φ入射的单位幅度平面波信号，表达式为：式中ar为参考圆环形阵列的半径，kr＝2π/λr，λr表示参考入射平面波的波长。另外有：β＝2π/M,φs＝sβ。ωm(krar)为给定的期望权值向量元素，且需满足...

【技术保护点】
一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：确定期望波束为水平范围内的二维波束，由圆环形阵列在参考频率理论计算得到，其表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：确定期望波束为水平范围内的二维波束，由圆环形阵列在参考频率理论计算得到，其表达式为：其中M为阵元个数，(·)*表示求共轭，pn(krar,φ)为第n个阵元接收到的从方向φ入射的单位幅度平面波信号，ωm(krar)为给定的期望权值向量元素，且需满足m＝1,2,…,M/2-1；所述式中：ar为参考圆环形阵列的半径，kr＝2π/λr，λr表示参考入射平面波的波长,φn＝nβ，β＝2π/M；所述步骤2：计算期望波束与合成波束的最小均方误差：其中：和λm分别为循环矩阵ρ在参考频率krar和所要计算频率ka时的特征值，为循环矩阵的特征值，满足关系λm＝λM-m和所述ρs(krar)＝J0(kr·Δrsr)；所述ρs(ka)＝J0(k·Δrs)；所述式中：J0(·)是第0阶柱形Bessel函数，Δrsr＝2arsin(sβ/2)和Δrs＝2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨益新，汪勇，马远良，何正耀，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61