(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111494099.1 (22)申请日 2021.12.08 (71)申请人 哈尔滨工程大 学 地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号 (72)发明人 郭俊媛　朴胜春　李良文　张明辉　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市阳光惠远知识产权 代理有限公司 2321 1 代理人 张宏威 (51)Int.Cl. G01S 15/88(2006.01) G01S 7/52(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种基于声矢量水听器的小尺寸体积阵三 维波束形成方法 (57)摘要 本发明是一种基于声矢量水听器的小尺寸 体积阵三维波束形成方法。 本发 明涉及小尺寸声 矢量阵的波束形成技术领域， 本发 明通过构建以 矢量水听器为基元的小尺寸声矢量体积阵， 并构 建接收信号模 型； 利用差分法得到声压对不同方 向的各阶空间梯度； 提取各阶空间梯度中的多极 子模态； 利用多极子模态合成球函数,提取三维 声场的各阶球谐波； 利用球函数合成在期望的三 维波束。 本发 明利用上述加权向量对小尺寸声矢 量体积阵进行加权处理即可获得任意期望的三 维波束,实现三维波束形成， 不但解决了甚低频 段高三维空间增益与阵列孔径之间的矛盾,还能 满足三维空间探测的需求。 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 114280618 A 2022.04.05 CN 114280618 A 1.一种基于声矢量水听器的小尺寸体积阵三维波束形成方法， 其特征是： 包括以下步 骤： 步骤1： 构建以矢量水听器为基元的小尺寸声矢量体积阵， 并构建接收信号模型； 步骤2： 利用差分法得到声压对不同方向的各阶空间梯度； 步骤3： 提取 各阶空间梯度中的多极子模态； 步骤4： 利用多极子模态合成球函数,提取三维声场的各阶球谐波； 步骤5： 利用球函数合成期望三维波 束。 2.根据权利要求1所述的一种基于声矢量水听器的小尺寸体积阵三维波束形成方法， 其特征是： 所述步骤1具体为： 构建基于 矢量水听器的小尺寸体积阵， 建立接收信号模型: 其中， θ和φ分别表示俯仰角和方位角； 运算表示克罗内克积， 左侧向量中 的元素分别代表阵元声压、 x、 y和z振速通道指向性， 上标T表 示转置； a( θ,φ)是阵列声压通 道的导向矢量， 其中Lh＝[xh,yh,zh]是第h号阵元(h＝1, 2,...M)空间位置， g＝[sinθcos φ,sinθ sinφ,cosθ ]T， 是信号对每个坐标轴的方向余 弦向 量。 3.根据权利要求2所述的一种基于声矢量水听器的小尺寸体积阵三维波束形成方法， 其特征是： 所述步骤2具体为： 对阵列振速通道进行差分近似运 算， 得到声场的高阶振速梯度: 其中， 是用 μ方向振速通道差分近似得到 时， 各接收通道系数构成的列 向量， αl,m,n是l+m+n阶差分近似时带来的常系数。 4.根据权利要求3所述的一种基于声矢量水听器的小尺寸体积阵三维波束形成方法， 其特征是： 所述步骤3具体为： 提取振速梯度中不随频率变化的多极子模态， 确定提取各阶多极子模态时， 各个接收 通道的系数： 其中， Ψl,m,n＝(Dx)l(Dy)m(Dz)n是多极子模态， Dx＝sinθcosφDy＝sinθ sinφDz＝cosθ 分 别表示x、 y和z通道的指向性， 当 μ＝x， 则DμΨl,m,n＝Ψl+1,m,n， 同理可得 μ＝y,z时DμΨl,m,n的表达式， Fn(k)＝(ikd)n是n阶差分的幅度补偿因子； Ψl,m,n＝rl,m,nV( θ,φ) 其中， rl,m,n是用振速通道基于差分近似得到多极子模态Ψl,m,n时， 各个接收通道的系数 向量， 对于所有的多极子模态， 写成矩阵形式为:权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114280618 A 2HD＝RV( θ,φ) 其中， HD包含l+m+n≤N的所有 多极子模态， R是由rl,m,n构成的系数矩阵: R＝[r0,0,0T,r1,0,0T,...,rl,m,nT...]T。 5.根据权利要求4所述的一种基于声矢量水听器的小尺寸体积阵三维波束形成方法， 其特征是： 所述步骤4具体为： 将球函数用各阶多极子模态进行表示， 确定球函数对应多极子模态的系数 其中， 是由各 阶多极子模态HD表示 时， 各阶多极子模态系数构成的向量， 将阶数n≤N的所有球函 数 用多极子模态 表示， 并写成矩阵形式有： bY( θ,φ)＝E HD 其中， 是由n≤N且|m|≤n的各阶球函数 构成的(N+1)2×1列向量， E是由多极子模态得到各阶球函数的系数所构成的系数 矩阵表示 为: 6.根据权利要求5所述的一种基于声矢量水听器的小尺寸体积阵三维波束形成方法， 其特征是： 所述步骤5具体为： 以球函数作为基函数将期望波 束展开， 求得 各阶球函数的系数 根据波束图与波束形成器的关系， 求得合成期望波束图时阵列 各个接收通道的加权系 数向量 BN( θ,φ)＝ wH( θs,φs)V( θ,φ)＝gHERV( θ,φ) 得到加权系数向量满足: wH( θs,φs)＝gHER 利用上述加权向量对小尺寸矢量体积阵进行加权处理即可得到任意期望的三维波束, 实现三维波 束形成。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114280618 A 3