[发明专利]用于圆环形阵的模态波束形成器及频域宽带实现方法

权利要求书

1.一种用于圆环形阵的模态波束形成器，其特征在于，包括：采样缓存DFT单元(1)、圆环谐波数据变换单元(2)以及波束合成单元(3)；其中，所述采样缓存DFT单元(1)包括M路，每一路中至少包括有一模数转换器、一缓存、一离散傅里叶变换器，所述圆环谐波数据变换单元(2)包含多个子单元，每一子单元都与所述圆环谐波数据变换单元(2)的M路相连；所述波束合成单元(3)包括多个子带波束合成器与一离散傅里叶逆变换器，所述圆环谐波数据变换单元(2)中的一个子单元对应连接到波束合成单元(3)中的一子带波束合成器，各个子带波束合成器都与所述离散傅里叶逆变换器连接；所述圆环谐波数据变换单元(2)中的子单元的个数以及所述波束合成单元(3)中的子带波束合成器的个数都与模态波束形成器的工作频带的子带数目有关；其中，

所述采样缓存DFT单元(1)采集圆环形阵中的阵元所接收的信号，生成M路阵元域子带数据并输入到所述圆环谐波数据变换单元(2)；所述圆环谐波数据变换单元(2)的各个子单元分别对M路阵元域子带数据进行处理，得到并输出圆环谐波数据；所述圆环谐波数据分别输入所述波束合成单元(3)中的各子带谐波域波束形成器，得到谐波域频域子带数据，然后将各个谐波域频域子带数据做加权和，得到波束输出频域数据，最后由所述波束合成单元(3)中的离散傅里叶逆变换器统一做离散傅里叶逆变换，得到波束输出数据序列。

2.基于权利要求1所述的用于圆环形阵的模态波束形成器所实现的频域宽带实现方法，包括：

步骤1)、对圆环形阵所输入的信号做时间采样，对所得到的时间采样数据进行离散傅里叶变换处理，获得阵元域频域数据，再对阵元域频域数据进行圆傅里叶变换，得到圆环形阵频域谐波域数据，进而从中选取工作频带范围内的圆环形阵频域谐波域子带数据；

步骤2)、构造用于圆环形阵的模态波束形成器的性能参数与模态波束形成子带加权向量之间的关系表达式；

步骤3)、针对步骤1)中所选取的各圆环形阵频域谐波域子带数据，确定多个指标，将其中任意一个指标作为代价函数，其余指标作为约束值，构造子带谐波域波束形成器优化设计表达式；

步骤4)、针对每个频率子带，对步骤3)中构造的子带谐波域波束形成器优化设计表达式进行求解，计算出模态波束形成子带加权向量，即得到子带谐波域波束形成器；所述模态波束形成子带加权向量为w_h，其定义为：

wh=Δ[W-N,...,W0,...,WN]T]]>

其中，[·]^T表示转置，W_N表示模态波束形成加权系数

步骤5)、根据步骤4)得到的各频率子带的模态波束形成子带加权向量对步骤1)得到的谐波域频域子带数据进行加权求和处理，获得波束输出频域数据；

步骤6)、对步骤5)得到的波束输出频域数据进行IFFT变换，获得波束输出数据序列；

在所述步骤2)中，所述性能参数包括波束响应、波束输出功率、白噪声增益；其中，

构造所述波束响应与模态波束形成子带加权向量w_h之间的关系表达式包括：

根据圆环阵模型得到圆环阵的各阶模态C_n(kr)，其中r是圆环半径，表示波数，c表示声速，f表示频率；然后根据模态C_n(kr)构造圆环谐波系数P_n(kr)，利用圆环谐波系数P_n(kr)构造出圆环谐波域流形矢量p_h(kr)，继而根据圆环谐波域流形矢量p_h(kr)、模态波束形成子带加权向量w_h构造波束响应表达式所述波束响应表达式为：

其中，(·)^H表示共轭转置，所述圆环谐波域系数P_n表示为：表示来波方向；所述圆环谐波域流形矢量p_h表示为：各阶模态C_n(kr)的表达式如下：

其中J_n与H_n分别是n阶球Bessel与Hankel函数，J_n′与H_n′分别是它们的导数；

构造波束输出功率与模态波束形成子带加权向量w_h之间的关系表达式包括：

由步骤1)所得到的圆环阵谐波域数据计算圆环阵接收到的数据谐波域协方差矩阵R_h(kr)，进而构造波束输出功率P_out(kr)与数据谐波域协方差矩阵R_h(kr)、模态波束形成子带加权向量w_h之间的关系表达式；该关系表达式如下：

Pout(kr)=whH(kr)Rh(kr)wh(kr),]]>

其中，是数据长度，x_h(kr，l)是圆环阵谐波域数据x_h(kr)的第l个数据点，即快拍序号；

构造白噪声增益G_w(kr)与模态波束形成子带加权向量w_h之间的关系表达式如下：

Gw(kr)=MwhHwh.]]>