[发明专利]一种适用于圆形阵列的高增益波束形成方法

权利要求书

1.一种适用于圆形阵列的高增益波束形成方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：从圆形阵列中选取最优的阵段的中心阵元

将N元均匀圆形阵列的阵形用极坐标表示为：

其中，R为圆形阵列的极径，γ_n为第n号阵元的极角，n＝1...N，i表示虚数单位；

设点声源信号的频谱为S(ω)，通过N元均匀圆形阵列接收信号，则接收信号表示为：

其中H(ω,r_n)是由声源到第n号阵元的信道传输函数，r_n表示收发距离，对于点源声场，由简正波理论可得：

其中

在式(3)、式(4)中，ω为声源角频率，z_s为声源深度，z_r为接收深度，r为传播距离，μ_l、β_l和ψ_l分别为第l号简正波的本征值、衰减系数和本征函数，μ_m是m号主要简正波的本征值；

进行最有波束形成阵列段选取的策略是使阵元在声传播的水平纵向上的分布距离差异最小，当扫描角度为θ时，按照上述原则，最优阵列的中心阵元可以通过下式确定：

步骤2：将阵段分成两个子阵，并构造两个子阵的导向矢量

以n₀阵元为中心选取M个阵元，M为奇数，并分为两个等长的子阵，两个子阵的序号分别为：

N_sub1＝[n₀,n₀-1,…,n₀-(M-1)/2]

N_sub2＝[n₀,n₀+1,…,n₀+(M-1)/2] (6)

相应的接收信号分别为S_array1＝{S_n(ω)|n∈N_sub1}，S_array2＝{S_n(ω)|n∈N_sub2}；

两个子阵波束形成的导向矢量分别表示为：

导向矢量中的元素a_n(θ,ω)为：

a_n(θ,ω)＝exp[iω/c_m·p_n·(sinθ,cosθ)^T] (8)

其中p_n＝(x_n,y_n)为阵元n的直角坐标c_m为参考声速，一般取主要简正波对应的群速度；

步骤3：分别对两个子阵进行波束形成

根据步骤2得出的两个子阵导向矢量进行波束形成，第一个子阵的波束输出为：

同理，第二个子阵的波束输出为

步骤4：计算两个子阵输出信号的互相关函数，输出方位谱

计算两波束输出信号的互相关函数，可直接在频域共轭相乘，然后反变换到时域：

表示傅里叶反变换；

将输出波束(9)、(10)看作以中心阵元n₀进行的时延补偿，因此直接输出时延为0时刻的互相关值作为当前扫描方位θ的方位谱强度：

bf_out(θ)＝|c_b1,b2(0)| (12)

最后，改变θ的值并重复步骤1～步骤4得到方位谱。