适用于任意阵型的稳健宽带导向最小方差波束形成方法
【专利摘要】本发明提供了一种适用于任意阵型的稳健宽带导向最小方差波束形成方法。将任意阵型阵列的接收数据进行子频带分解；生成各个子频带上声压互谱矩阵；实施空间方位角和俯仰角联合扫描；得到协方差矩阵；进行累加后得到宽带聚焦协方差矩阵；对进行Cholesky分解，得到分解因子；对单位矢量施加最差性能优化约束条件；将优化问题转化为实值形式，进而转化成二阶锥规划问题进行求解，得到最优权矢量；得在优化后的阵列平均输出功率；绘制稳健宽带导向最小方差波束形成空间谱图，通过空间谱的谱峰位置确定声源来波方向。本发明可解决任意阵型阵列在失配条件下的自适应波束形成性能退化问题，获得高空间分辨率的空间谱并增强背景起伏抑制能力。
【专利说明】适用于任意阵型的稳健宽带导向最小方差波束形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种稳健宽带自适应波束形成方法。
【背景技术】
[0002]在统计时间信号处理领域，使无偏估计量的方差最小的估计器称为最小方差估计器，利用最小方差估计器进行参数估计的方法一般称为最小方差法(Minimum VarianceMethod:MVM),也称为标准 Capon (Standard Capon Beamforming:SCB)或最小方差信号无崎变响应法(MinimumVariance Distort1nless Response:MVDR)，该方法在阵列信号处理中得到广泛应用，可在保持来波方向信号能量不变的前提下，使波束内其他方向的能量最小化，具有可同时获得较高的分辨力以及较强噪声干扰抑制的能力。
[0003]宽带阵列信号处理方法可分为相干处理和非相干处理，其中宽带导向最小方差波束形成(STMV:steered minimum variance beamforming)属于相干处理范畴，对于相干声源具有较强的适应能力，但在存在阵型失配或小快拍数的条件下不可避免出现明显的性能下降(陈阳，赵安邦等，瞬时频率方差加权导向最小方差波束形成检测器，哈尔滨工程大学学报，2011，32 (6): 730-735)。由于宽带阵列信号处理是以窄带处理方法为基础的，因此可以利用现有的窄带稳健波束形成方法来提高宽带自适应波束形成的稳健性。
[0004]目前，改进自适应波束形成稳健性的方法很多，典型算法包括:线性约束最小方差波束形成，基于对角加载的波束形成，以及基于特征子空间的波束形成等。基于最差性能优化的稳健波束形成(Worst-Case Performance Optimizat1n Robust Beamforming:WCRB)是近几年提出的稳健自适应波束形成算法(Vorobyov S A, Gershman A B, Luo Z Q.RobustAdaptive Beamforming Using Worst-Case Performance Optimizat1n:A Solut1n tothe Signal Mismatch Problem.1EEE Transact1ns on Signal Processing,2003,51 (2):313-324)，但该方法对于宽带导向最小方差波束形成的适应性和稳健性改进能力仍未有研究结果。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种可明显提高宽带自适应波束形成的稳健性的适用于任意阵型的稳健宽带导向最小方差波束形成方法。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
[0007](a)将任意阵型阵列的接收数据X，进行子频带分解，生成宽带频域信号矩阵Xj (fk)；
[0008](b)生成各个子频带上声压互谱矩阵R(fk);
[0009](c)在感兴趣的空间范围(O，Ψ)内，设置合适的步长，实施空间方位角和俯仰角联合扫描，对其中任意一个扫描角度0,#)?在子频带fk上构造导向矢量RA I成兩，并生
成相应的导向聚焦变换矩阵(./Α \θ,φ)；[0010](d)对(b)和(C)经导向聚焦变换后，得到fk上的协方差矩阵氣/; \θ,φ);
[0011](e)将总共K个频带的身进行累加后得到宽带聚焦协方差矩阵慶(氣參
[0012](f) MR0^)进行Cholesky分解，得到分解因子￡/成釣；
[0013](g)对单位矢量In施加最差性能优化约束条件；
[0014](h)将优化问题转化为实值形式，进而转化成二阶锥规划问题进行求解，得到最优
权矢量
[0015](i)将》%?(忒#)代入目标函数中，得在优化后的阵列平均输出功率；
[0016](j)重复(C)至⑴的步骤直至完成全部的空间角度扫描，绘制稳健宽带导向最小方差波束形成空间谱图，通过空间谱的谱峰位置确定声源来波方向。
[0017]本发明利用最差性能优化问题对宽带导向最小方差波束形成进行稳健性优化。该方法一方面可利用子频带的导向聚焦变换，对任意阵型接收到的相干声源信号具有适用性；另一方面，利用最差性能优化方法，对经导向聚焦变换后的单位矢量施加约束优化条件，可明显提高宽带自适应波束形成的稳健性。
[0018]本发明的有益效果是:1)不局限于一般的均匀阵列形式，对普遍的任意阵型形式均有效；2)对相干声源信号具有适用性，且不需要任何奇异值或特征值分解，明显降低了运算复杂度；3)与传统方法相比，利用对导向聚焦变换后的单位矢量实施最差性能优化约束条件，可有效提高宽带自适性波束形成的稳健性，可在不损失空间分辨率的同时获得较大的背景干扰抑制能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1任意阵型阵列示意图。
[0020]图2均匀线列阵条件下的单声源宽带波束形成算法空间谱图。
[0021]图3均匀线列阵条件下的相干双声源波束形成算法空间谱图。
[0022]图4均匀圆阵条件下的单声源宽带波束形成算法空间谱图。
[0023]图5任意阵型阵列坐标分布图。
[0024]图6任意阵型阵列下的常规宽带波束形成空间谱图。
[0025]图7任意阵型阵列下的宽带导向最小方差波束形成空间谱图。
[0026]图8任意阵型阵列下的稳健宽带导向最小方差波束形成空间谱图。
[0027]图9任意阵型阵列下的宽带波束形成方位角空间谱切片图。
[0028]图10是本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0029]结合图1，本发明的适用于任意阵型的稳健宽带导向最小方差波束形成方法主要包括如下步骤:
[0030] (a)将任意阵型阵列的接收数据X，进行子频带分解，生成宽带频域信号矩阵Xj(fk)o[0031 ] (b)生成各个子频带上声压互谱矩阵R (fk)。
[0032](c)在感兴趣的空间范围(O，Ψ)内，设置合适的步长，实施空间方位角和俯仰角联合扫描。对其中任意一个扫描角度(θ,φ),在子频带fk上构造导向矢量a(fk|θ,φ)并生
成相应的导向聚焦变换矩阵T(fk|θ,φ).
[0033](d)对(b)和(C)经导向聚焦变换后，得到fk上的协方差矩阵R(fk|θ,φ).
[0034](e)将总共K个频带的氣R(fk|θ,φ)进行累加后得到宽带聚焦协方差矩阵R(θ,φ).
[0035](f)对R(θ,φ)进行Cholesky分解，得到分解因子U(θ,φ).
[0036](g)对单位矢量In施加最差性能优化约束条件，增强宽带自适应波束形成的稳健性。
[0037](h)将优化问题转化为实值形式，进而转化成二阶锥规划问题进行求解，得到最优
权矢量Wopt(θ,φ).
[0038](i)将Wopt(θ,φ).代入目标函数中,得在优化后的阵列平均输出功率。
[0039](j)重复(C)至⑴的步骤直至完成全部的空间角度扫描，绘制稳健宽带导向最小方差波束形成空间谱图，通过空间谱的谱峰位置确定声源来波方向。
[0040]下面举例对本发明做更详细的描述:
[0041](a)将任意阵型阵列的接收数据X，进行子频带分解，生成宽带频域信号矩阵Xj(fk)o
[0042]考虑由N个全向阵元组成的任意阵，其阵元在直角坐标系下的空间位置坐标为(xn，In, ζη) (η = 1, 2,..., N)，各阵兀的间位直矢星为rn=— [xn,yn,zn ]T，声源个数为M，第m号声源的入射方位角为Θ m(m = 1，2，...，Μ)，其为声源与X轴正向的夹角，第m号声源的入射俯仰角为Λ，其为声源与z轴正向的夹角。
[0043]信号频带范围~fh，对接收数据X进行子频带分解，将数据分为J段，并对每段数据进行FFT变换，在信号频带范围~fh内共可划分K个互不重叠的子带(即频点数为K)，每个频点上的频域快拍为J个。第j个频域快拍数据矩阵为:
[0044]Xj (fk) = A(fk)Sj(fk)+Nj(fk) (I)
[0045]其中，Xj(fk)、Sj(fk) Nj (fk)分别为对应频率fk上接收信号、源信号和噪声的第j个频域快拍数据矩阵，j = 1，2，...，J，k = 1，1+1，h-1, h，fx为下限频率，fh为上限频率。
[0046]任意阵阵列流型矩阵A (fk)为:
[0047]
【权利要求】
1.一种适用于任意阵型的稳健宽带导向最小方差波束形成方法，其特征是: (a)将任意阵型阵列的接收数据X，进行子频带分解，生成宽带频域信号矩阵\(fk)； (b)生成各个子频带上声压互谱矩阵R(fk)； (c)在感兴趣的空间范围(Θ，Ψ)内，设置合适的步长，实施空间方位角和俯仰角联合扫描,对其中任意一个扫描角度(忒釣，在子频带fk上构造导向矢量I成勿，并生成相应的导向聚焦变换矩阵ΠΛ I成勿: (d)对(b)和(c)经导向聚焦变换后，得到fk上的协方差矩阵慶(/J氛#》；(e)将总共K个频带的k(fkI θ,φ)进行累加后得到宽带聚焦协方差矩阵； (f)对歲氣#)进行Cholesky分解，得到分解因子￡/(成#): (g)对单位矢量In施加最差性能优化约束条件； (h)将优化问题转化为实值形式，进而转化成二阶锥规划问题进行求解，得到最优权矢量》*V (成釣: (i)将(成#)代入目标函数中，得在优化后的阵列平均输出功率； U)重复(C)至(i)的 步骤直至完成全部的空间角度扫描，绘制稳健宽带导向最小方差波束形成空间谱图，通过空间谱的谱峰位置确定声源来波方向。
【文档编号】G01S3/80GK104035064SQ201410246917
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】时洁, 杨德森, 时胜国, 洪连进, 方尔正, 莫世奇, 胡博, 朱中锐, 李思纯, 张揽月, 李松 申请人:哈尔滨工程大学