一種基于模態(tài)分解與綜合的超指向性波束形成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于模態(tài)分解與綜合的超指向性波束形成方法，首先將波束形成理論的最優(yōu)解進行分解并表達為矩陣形式；隨后利用Gram-Schmidt正交變換，給出了相關矩陣的求解表達式；接著利用最優(yōu)解的矩陣形式將最優(yōu)波束分解為具有不同指向性和穩(wěn)健性的各階模態(tài)波束，最大指向性因子由各階模態(tài)波束指向性因子疊加得到。最后以均勻直線形陣列為例，通過選擇合適的模態(tài)波束綜合得到最終的穩(wěn)健超指向性波束。本發(fā)明利用了下述性質克服了現(xiàn)有技術不夠精確且使用范圍受限的不足：波束形成理論的最優(yōu)解不受陣列形式的限制，Gram-Schmidt正交變換有精確的遞推計算式。
【專利說明】一種基于模態(tài)分解與綜合的超指向性波束形成方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于一種波束形成方法，特別涉及一種基于模態(tài)分解與綜合的超指向性波束形成方法，適用于任意形式陣列的低信噪比目標檢測以及目標方位的高分辨率估計，屬于水聲學、陣列信號處理和聲納技術等領域。
【背景技術】
[0002]超指向性可以顯著改善傳感器陣列的角度分辨率、方位估計精度、噪聲抑制能力以及寬帶恒定束寬性能，并能大大減小陣列尺寸，縮短近場區(qū)域，因此受到了很多的關注。然而，由于對誤差十分敏感，理論上的優(yōu)異性能很難在實際中獲得。雖然超指向性對誤差的敏感性不可避免，但是更深入的理論研究以減小誤差的影響仍顯得十分必要。首當其沖的是，需要一個不涉及任何近似假設的精確數(shù)學模型，以消除理論誤差，給出誤差敏感性的清晰表達式，從而提供一種穩(wěn)健可行的超指向性實施方法。
[0003]關于超指向性已有大量成果發(fā)表，歸納起來主要有以下方法:
[0004]I).文獻 I “High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis.ProcIEEE, 1969, vol.57 (2)，p.1408?1418”公開的一種能獲得理論最優(yōu)的超指向性波束形成方法，然而其對誤差過于敏感，理論上的高性能很難在實際中獲得。
[0005]2).文獻 2 “Covariance matrix estimation errors and diagonal loading inadaptive arrays, IEEE Trans Aerospace Electron Syst, 1988，vol.24(4)，p.397-401”和文獻 3 “Robust adptive beamforming, IEEE Trans Acoust, Speech, Signal Processing,1987，vol.35(5)，p.1365-1376”分別公開的對角加載和白噪聲增益約束方法都能較好地改善穩(wěn)健性，但對角加載量以及白噪聲增益約束值都難以根據(jù)實際情況準確獲得，其直接后果是穩(wěn)健性仍然不足或者損失過多的指向性，不利于實際應用。
[0006]3).文 獻 4 “Superdirective beamforming robust against microphonemismatch, IEEETrans Audio Speech Lang Process, vol.15 (2)，2007，pp.617-631，，公開的根據(jù)誤差先驗信息提高穩(wěn)健性的方法，但該方法計算復雜，且需要誤差的統(tǒng)計規(guī)律，而這在實際中難以得到。
[0007]4).文獻5“Experimental analysis of the performance of a superdirectiveline array, in Proceedings of the Seventh European Conference on Underwater Acoustics, Delft, Holland, 2004, pp.1033-1038”公開的差分模型也能得到超指向性結果,但只適用于直線形陣列，且只有在頻率很低時才能獲得較準確的結果，難以推廣應用。
[0008]5).文獻 6 “Directionality of generalized acoustic sensors of arbitraryorder, J Acoust Soc Am, vol.121 (6)，2007，pp.3569-3578” 公開的一種可獲得任意階超指向性的一般化模型，但該模型只是基于泰勒級數(shù)近似，沒有得到精確的閉式解。
[0009]6).文獻 7 “Theoretical and practical solutions for high-ordersuperdirectivity of circular sensor arrays, IEEE Trans Industrial Electronics,vol.60 (I)，2013，pp.203-209”公開的一種稱之為特征波束分解與綜合的精確模型，很有啟發(fā)性，但該模型僅適用于圓環(huán)形傳感器陣列。對于其它陣形，噪聲協(xié)方差矩陣不再是循環(huán)矩陣，難以進行精確的特征波束分解，因此仍然需要建立新的具有普適性的超指向性模型。
[0010]總結起來，第I)至3)類方法適用于任意陣形，但未能給出一般化的超指向性模型，同時還有各自的缺點。第4)類方法只針對于直線形陣列，存在近似假設，不夠精確。第
5)類方法給出了一個一般化的模型，但該模型也存在近似，同樣不夠精確。第6)類方法提供了一種精確的超指向性模型，但僅適用于均勻圓環(huán)形陣列。

【發(fā)明內容】

[0011]要解決的技術問題
[0012]為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種基于模態(tài)分解與綜合的超指向性波束形成方法，解決現(xiàn)有技術不夠精確且使用范圍受限的不足。
[0013]技術方案
[0014]一種基于模態(tài)分解與綜合的超指向性波束形成方法，其特征在于步驟如下:
[0015]步驟1:采用最優(yōu)權值向量對聲納接收的陣列信號進行最優(yōu)處理，最優(yōu)權值向量
【權利要求】
1.一種基于模態(tài)分解與綜合的超指向性波束形成方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:采用最優(yōu)權值向量對聲納接收的陣列信號進行最優(yōu)處理，最優(yōu)權值向量
【文檔編號】G06F19/00GK103902831SQ201410146358
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權日:2014年4月11日
【發(fā)明者】楊益新, 汪勇, 馬遠良, 何正耀 申請人:西北工業(yè)大學