[发明专利]一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法

说明书

技术领域

本发明属于一种波束形成器设计方法，涉及一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，适用于圆环形阵列的宽带目标检测以及宽带目标方位估计，属于水声学、阵列信号处理和声纳技术等领域。

背景技术

圆环形阵列由于阵型简单，没有左右舷模糊且能够在全周向范围内形成基本恒定的波束，因此在声纳、雷达、通信以及语音工程等领域应用广泛。关于该阵列的信号处理方法也是层出不穷，其中宽带波束形成方法更是受到了极大的关注。

由于常规阵列输出的波束是随频率变化的，尤其当信号从主瓣其它方向入射时，不同频率信号频谱就会发生畸变，好像进行了低通滤波一样，不利于后续处理。为解决这一问题，需要设计恒定束宽波束形成器，即波束不随频率改变，特别是保证主瓣在给定的带宽内恒定不变。此类方法已经提出很多，主要基于两类思想：（1）利用波束形成中频率和孔径的关系，通过改变阵列的有效孔径使得不同频率对应的波束恒定不变，典型的有文献1“Constant beamwidth receiving arrays for broad band sonar systems,Acustica,1970,vol.23(1),p.21-26”公开的组合阵方法，但该方法要求阵形严格满足扩展结构，基阵尺寸较大，需要阵元数目多。（2）在某种准则下使得需要合成的波束与期望波束逼近，例如文献2“任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成新方法,声学学报,2001,vol.26(1),p.55-58”公开的Bessel级数方法以及文献3“基于二阶锥规划的任意传感器阵列时域恒定束宽波束形成,声学学报,2005,vol.30(4),p.309-316”公开的凸优化方法。虽然这类方法很多都适用于任意阵型，但它们未能充分利用圆环形阵列的特性，没有给出精确解析解。文献4“On the design of digital broadband beamformer for uniform circular array with frequency invariant characteristics,IEEE International Symposium on Circuits and Systems(ISCAS),2002,vol.1,p.I-693-I-696”专门针对圆环阵公开了一种简单的恒定束宽波束形成方法，基本原理是利用相位模态理论，将不随频率改变的量分离出来，然后拟合期望波束，得到所需要的恒定束宽波束。该方法虽然简单，但相位模态理论涉及空域采样和级数截断，得到的最终结果不是精确的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，解决现有技术操作复杂和不够精确的不足。

技术方案

一种圆环形阵列恒定束宽波束形成器设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：确定期望波束为水平范围内的二维波束，由圆环形阵列在参考频率理论计算得到，其表达式为：其中M为阵元个数，(·)^*表示求共轭，p_s(ka,φ)为第s个阵元接收到的从方向φ入射的单位幅度平面波信号，ω_m(k_ra_r)为给定的期望权值向量元素，且需满足m＝1,2,…,M/2-1；

所述式中：a_r为参考圆环形阵列的半径，k_r＝2π/λ_r，λ_r表示参考入射平面波的波长,φ_s＝sβ，β＝2π/M；