一種被動聲傳感器陣列的波束形成方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于聲探測領(lǐng)域，提供了一種被動聲傳感器陣列的波束形成方法及系統(tǒng)。該方法及系統(tǒng)是利用二階錐規(guī)劃算法使得檢測指數(shù)最大，從而得到優(yōu)化的加權(quán)系數(shù)矩陣，之后將優(yōu)化后的加權(quán)系數(shù)矩陣施加到常規(guī)的波束形成器，以在噪聲源方向形成凹槽，抑制噪聲輸出，從而增強了聲傳感器陣列對離散噪聲干擾的抑制能力，提高了聲傳感器陣列的輸出信噪比。相對于現(xiàn)有技術(shù)，無需針對帶寬內(nèi)每一頻點單獨設(shè)計加權(quán)系數(shù)，而僅需優(yōu)化某一子帶的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)即可，工程上實現(xiàn)簡單，有利于工程應(yīng)用，特別適合應(yīng)用在車載、機載以及復(fù)雜環(huán)境噪聲背景下的聲探測領(lǐng)域，具有重要的工程應(yīng)用價值。
【專利說明】一種被動聲傳感器陣列的波束形成方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聲探測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種被動聲傳感器陣列的波束形成方法及 系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在聲探測技術(shù)中，普遍采用聲傳感器陣列實現(xiàn)目標(biāo)探測。聲傳感器陣列是指利用 多個聲傳感器布置在空間的不同位置組成傳感器陣列。聲傳感器陣列接收空間聲音信號， 之后通過對接收到的陣列信號的處理，實現(xiàn)靈活的波束控制，獲得高的信號增益和較強的 抗干擾能力以及好的空間分辨能力。
[0003] 波束形成技術(shù)是陣列信號處理的一個重要環(huán)節(jié)，該技術(shù)可對特定方向的有用信號 形成波束，使之輸出最大并衰減其它方向的干擾信號。一般地，波束形成過程是：聲傳感 器陣列接收到的信號首先經(jīng)過陣列接收機進行預(yù)處理，之后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信 號，該數(shù)字信號輸入如圖1所示的波束形成器，波束形成器首先利用加權(quán)系數(shù)對各個陣元 輸出的信號進行幅度加權(quán)，之后通過一個時延濾波器補償各陣元之間的時間延遲后，相加 得到時域輸出。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，各個陣元輸出的信號的不同頻率分量獲得的是相同的幅度加權(quán)，這 種標(biāo)準加權(quán)并不適合陣列上有特殊噪聲的情況，不能獲得良好的噪聲抑制性能。作為一 種優(yōu)化方式，可在整個寬帶內(nèi)劃分子帶，針對每一頻點單獨設(shè)計加權(quán)系數(shù)，得到多組加權(quán)系 數(shù)，但該種方式實現(xiàn)復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例的目的在于提供一種被動聲傳感器陣列的波束形成方法，旨在解決 現(xiàn)有技術(shù)采用將寬帶劃分子帶并針對每一頻點單獨設(shè)計來獲得加權(quán)系數(shù)，存在實現(xiàn)復(fù)雜， 不利于工程應(yīng)用的問題。
[0006] 本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種被動聲傳感器陣列的波束形成方法，所述方法 包括以下步驟：
[0007] 將被動聲傳感器陣列接收到的目標(biāo)信號的工作頻帶劃分為若干子帶；
[0008] 針對劃分得到的一個子帶，根據(jù)預(yù)存的被動聲傳感器陣列對噪聲源的響應(yīng)的互相 關(guān)矩陣，生成優(yōu)化約束方程；
[0009] 將所述優(yōu)化約束方程轉(zhuǎn)換為二階錐形式，并利用二階錐規(guī)劃數(shù)值方法，得到最優(yōu) 加權(quán)系數(shù)；
[0010] 輸出所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)給波束形成器，由所述波束形成器根據(jù)所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù) 得到時域?qū)拵Рㄊ?br> [0011] 本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種被動聲傳感器陣列的波束形成系統(tǒng)，所述 系統(tǒng)包括波束形成器和加權(quán)系數(shù)生成單元，所述加權(quán)系數(shù)生成單元包括：
[0012] 劃分模塊，用于將被動聲傳感器陣列接收到的目標(biāo)信號的工作頻帶劃分為若干子 帶；
[0013] 生成模塊，用于針對劃分得到的一個子帶，根據(jù)預(yù)存的被動聲傳感器陣列對噪聲 源的響應(yīng)的互相關(guān)矩陣，生成優(yōu)化約束方程；
[0014] 求解模塊，用于將所述優(yōu)化約束方程轉(zhuǎn)換為二階錐形式，并利用二階錐規(guī)劃數(shù)值 方法，得到最優(yōu)加權(quán)系數(shù)；
[0015] 輸出模塊，用于輸出所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)給所述波束形成器，由所述波束形成器根 據(jù)所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)得到時域?qū)拵Рㄊ?br> [0016] 本發(fā)明實施例提出的被動聲傳感器陣列的波束形成方法及系統(tǒng)是利用二階錐規(guī) 劃算法使得檢測指數(shù)最大，從而得到優(yōu)化的加權(quán)系數(shù)矩陣，之后將優(yōu)化后的加權(quán)系數(shù)矩陣 施加到常規(guī)的波束形成器，以在噪聲源方向形成凹槽，抑制噪聲輸出，從而增強了聲傳感器 陣列對離散噪聲干擾的抑制能力，提高了聲傳感器陣列的輸出信噪比。該方法及系統(tǒng)優(yōu)化 的僅僅是加權(quán)系數(shù)，而無需改變現(xiàn)有波束形成器的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)方式簡單。相對于現(xiàn)有技術(shù)， 無需針對帶寬內(nèi)每一頻點單獨設(shè)計加權(quán)系數(shù)，而僅需優(yōu)化某一子帶的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)即可， 工程上實現(xiàn)簡單，有利于工程應(yīng)用，特別適合應(yīng)用在車載、機載以及復(fù)雜環(huán)境噪聲背景下的 聲探測領(lǐng)域，具有重要的工程應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明實施例提供的被動聲傳感器陣列的波束形成方法的流程圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明實施例中，圓形傳聲器陣列實例的示意圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明實施例中，圓形傳聲器陣列實例在噪聲信號為窄帶信號情況下，常 規(guī)波束圖與優(yōu)化設(shè)計波束圖的比較示意圖；
[0020] 圖4a是本發(fā)明實施例中，圓形傳聲器陣列實例在噪聲信號為寬帶信號情況下，常 規(guī)波束圖的示意圖；
[0021] 圖4b是本發(fā)明實施例中，圓形傳聲器陣列實例在噪聲信號為寬帶信號情況下，優(yōu) 化設(shè)計波束圖的示意圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明實施例提供的被動聲傳感器陣列的波束形成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖6是圖5中，波束形成器的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0025] 針對現(xiàn)有波束形成器的加權(quán)系數(shù)優(yōu)化方式存在的問題，本發(fā)明提出了一種被動聲 傳感器陣列的波束形成方法及系統(tǒng)。首先分析該方法及系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)：
[0026] 假設(shè)一聲傳感器陣列（如傳聲器陣列等），其接收存在噪聲情況下的未知頻譜的 弱信號，并假定目標(biāo)源發(fā)出的目標(biāo)信號在聲傳感器陣列端的大小與噪聲大小相當(dāng)，且目標(biāo) 信號與噪聲相互統(tǒng)計獨立。其中，噪聲對聲傳感器的響應(yīng)包含了各種成分，例如環(huán)境噪聲、 結(jié)構(gòu)噪聲、電噪聲以及目標(biāo)源在非期望方向上的成分。
[0027] 在標(biāo)準的假設(shè)檢驗理論中，針對目標(biāo)信號加噪聲和只有噪聲的情況，通常假設(shè)聲 傳感器陣列接收到的信號均為高斯隨機變量。在低信噪比的情況下，定義檢測指數(shù)d為： i/ = /s、&，其中，μSN為目標(biāo)信號加噪聲的幅度平均值，μA噪聲的幅度平均值，σA uN 噪聲的標(biāo)準偏差。
[0028] 由信號檢測理論可知，最佳陣列接收機實際上是一平方律檢波器，則檢測指數(shù)d 可以寫成：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種被動聲傳感器陣列的波束形成方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 將被動聲傳感器陣列接收到的目標(biāo)信號的工作頻帶劃分為若干子帶； 針對劃分得到的一個子帶，根據(jù)預(yù)存的被動聲傳感器陣列對噪聲源的響應(yīng)的互相關(guān)矩 陣，生成優(yōu)化約束方程； 將所述優(yōu)化約束方程轉(zhuǎn)換為二階錐形式，并利用二階錐規(guī)劃數(shù)值方法，得到最優(yōu)加權(quán) 系數(shù)； 輸出所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)給波束形成器，由所述波束形成器根據(jù)所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)得到 時域?qū)拵Рㄊ?br> 2. 如權(quán)利要求1所述的被動聲傳感器陣列的波束形成方法，其特征在于，所述被動聲 傳感器的陣元個數(shù)為M，所述優(yōu)化約束方程為：

利用二階錐規(guī)劃數(shù)值方法，求解二階錐形式的優(yōu)化約束方程，得到所述矩陣y的最優(yōu) 解后，取出所述最優(yōu)解中的第個J+2?J+1+M個分量，即為得到的所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的被動聲傳感器陣列的波束形成方法，其特征在于，在所述將 被動聲傳感器陣列接收到的目標(biāo)信號的工作頻帶劃分為若干子帶的步驟之前，所述方法還 包括以下步驟： 在沒有目標(biāo)聲源的條件下對感興趣的K個離散噪聲源進行單獨測試，以得到KXM階傳 遞函數(shù)矩陣H(co)以及KXK階的噪聲源自相關(guān)矩陣C(?)，之后根據(jù)公式M(?) =H#(?) C(?)H(?)，得到被動聲傳感器陣列對噪聲源的響應(yīng)的互相關(guān)矩陣M(?)并存儲。
5. -種被動聲傳感器陣列的波束形成系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括波束形成器和 加權(quán)系數(shù)生成單元，所述加權(quán)系數(shù)生成單元包括： 劃分模塊，用于將被動聲傳感器陣列接收到的目標(biāo)信號的工作頻帶劃分為若干子帶； 生成模塊，用于針對劃分得到的一個子帶，根據(jù)預(yù)存的被動聲傳感器陣列對噪聲源的 響應(yīng)的互相關(guān)矩陣，生成優(yōu)化約束方程； 求解模塊，用于將所述優(yōu)化約束方程轉(zhuǎn)換為二階錐形式，并利用二階錐規(guī)劃數(shù)值方法， 得到最優(yōu)加權(quán)系數(shù)； 輸出模塊，用于輸出所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)給所述波束形成器，由所述波束形成器根據(jù)所 述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)得到時域?qū)拵Рㄊ?br> 6. 如權(quán)利要求5所述的被動聲傳感器陣列的波束形成系統(tǒng)，其特征在于，所述被動聲 傳感器的陣元個數(shù)為M，所述優(yōu)化約束方程為：

求解子模塊，用于利用二階錐規(guī)劃數(shù)值方法，求解二階錐形式的優(yōu)化約束方程，得到所 述矩陣y的最優(yōu)解后，取出所述最優(yōu)解中的第個J+2?J+1+M個分量，即為得到的所述最優(yōu) 加權(quán)系數(shù)。
8. 如權(quán)利要求6所述的被動聲傳感器陣列的波束形成系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還 包括： 預(yù)存模塊，用于在沒有目標(biāo)聲源的條件下對感興趣的K個離散噪聲源進行單獨測試， 以得到KXM階傳遞函數(shù)矩陣H(co)以及KXK階的噪聲源自相關(guān)矩陣C(?)，之后根據(jù) 公式M(?) =H#(?)C(?)H(c〇)，得到被動聲傳感器陣列對噪聲源的響應(yīng)的互相關(guān)矩陣 M(?)并存儲。
9. 如權(quán)利要求5至8任一項所述的被動聲傳感器陣列的波束形成系統(tǒng)，其特征在于，所 述波束形成器包括： 多個加權(quán)電路，所述多個加權(quán)電路與所述被動聲傳感器陣列中的多個陣兀分別 對 應(yīng)，用于分別接收對應(yīng)陣元經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號以及所述加權(quán)系數(shù)生成單元輸 出的對應(yīng)的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)，并利用所述最優(yōu)加權(quán)系數(shù)對所述數(shù)字信號進行幅度加權(quán)； 多個時延濾波器，所述多個時延濾波器與所述多個加權(quán)電路分別 對應(yīng)，用于對對 應(yīng)的所述加權(quán)電路輸出的信號進行處理，以補償各陣元之間的時間延遲； 疊加電路，用于將各個所述時延濾波器輸出的信號相加，得到時域?qū)拵Рㄊ?br> 【文檔編號】G01S7/52GK104483665SQ201410795608
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】楊博, 李志宇, 侯志國, 孫志潔, 袁彥, 張思凡, 周印龍, 蔡文義 申請人:中國電子科技集團公司第三研究所