一种恒定束宽的宽带数字波束形成方法
一种基于Notch滤波器的恒定束宽波束形成技术
宽带恒定束宽波束形成方法及其性能比较
• 63•教学模式去教学，只有把互联网技术融入到其中，增强学生动手操作能力以及他们的创新能力，才能使视频编辑课程的质量得到真正的提高。
4 “互联网+”背景下高职院校视频编辑课程改革的策略4.1 互联网创新教学，教学方式多样化在互联网技术的发展下，越来越多的信息技术融入到实际教学当中，这种教学模式打破了时间与空间在传统教学上的限制。
视频编辑课程的内容一般理论知识较少，并且所有的理论知识都可以运用到实际操作当中。
所以要真正把这门课程学透，对于学生跟教师都是一种挑战，利用互联网教学，教师可以让学生在网络上预习，并利用理论知识剪辑视频，教师根据学生的作品，分析在视频编辑中出现的大多数问题，这样可以更好的巩固课堂上的知识，并且课后学生可以根据教学资源进行当天课堂内容的回顾与复习，提高视频编辑课程的质量。
4.2 完善学生评价和期末考核模式在过去的教学模式当中，期末测试对于学生的考核是非常重要，但是随着技术的发展，这种考核方式明显是落后于时代的要求。
虽然高职院校在测算学生最终成绩时，也会考虑到平时的课堂表现等，但所占比例很小，并没有全面表现出学生的综合素养。
为了适应互联网教学创新的需要，综合反映学生的素质，展现学生的学习成成果，应该优化目前单一的考核方式。
在教学过程当中学生跟教师的互动，课后作业的完成情况，都应该成为期末考核的组成部分，对于学生的考核一倾向课堂教学的过程以及学生掌握知识的程度。
4.3 增加对数字化资源的投入，提高教师创新意识要把互联网技术与视频编辑课程相结合，达到课堂改革的目的，在硬件上也要投入相当大的成本。
因为现代互联网技术的发展也依托于设备的存在，一边让教师创新融合互联网技术到课堂中，一边不给资金投入，是达不到很好的效果的。
另外，对于教师本身而言，也要接触新的知识，学习新的理念，不能千篇一律，要能够与时俱进，将热点时事与课程内容结合起来，提高创新意识。
5 结束语虽然“互联网+”的概念提出了很长时间，但是在教育方面，并没有得到充分的利用，大多数教师只是停留在一个相对较浅的层次中，传统的教学模式任然占据主流，学生课堂学习情绪低迷，教室设备利用不到位，教师的创新性意识不够这些原因都影响了课堂改革的发展进程，希望在视频编辑课程改革过程中提出些许建议，推进课堂改革的进程。
一种用于声学成像的稳健宽带恒定束宽波束形成方法
收稿日期:2006209222基金项目:国家自然科学基金资助项目(60325102,60428101)作者简介:王 娟(19812),女,中国民航大学硕士研究生.一种用于声学成像的稳健宽带恒定束宽波束形成方法王 娟,冯 青,吴仁彪,苏志刚(中国民航大学智能信号处理与图像处理天津市重点实验室,天津 300300)摘要:基于聚焦变换思想的波束形成是一种有效的恒定束宽波束形成方法.然而,当信号的方向信息存在误差时,聚焦变换波束形成方法的稳健性会急剧下降,为了克服这种缺点,将稳健Capon 波束形成(RCB )思想用于聚焦变换方法中,提出一种稳健宽带恒定束宽波束形成方法并将其应用于声学成像.该方法通过RCB 校正信号方向信息得到较为准确的聚焦矩阵,从而减少聚焦数据误差,避免估计畸变,提高了基于聚焦变换思想恒定束宽波束形成器的性能.关键词:恒定束宽;声学成像;聚焦变换波束形成;稳健Capon 波束形成;旋转信号子空间法中图分类号:TN911 文献标识码:A 文章编号:100122400(2007)0120154205A robust wideband constant 2beamwidth beamforming methodfor acoustic imagingW A N G J uan ,F EN G Qi ng ,W U Ren 2bi ao ,S U Zhi 2gang(Tianjin Key Lab.of Advanced Signal Processing ,Civil Aviation Univ.of China ,Tianjin 300030,China )Abstract : The focused beamformer is an efficient broadband beamforming method because of theadvantages of the ability to operate in multipath environments and computational efficiency.However ,the robustness of the focused beamformer is not good enough when the error of signal direction exists.To overcome the shortcoming ,a novel robust broadband beamforming method based on the focusingapproach is presented in this paper to achieve a constant beamwidth for acoustic imaging.The proposedmethod mainly applies the idea of Robust Capon Beamforming (RCB )to the focusing approach to get themore exact focusing transformation matrix and then reduce the focused data error.Thus it can greatlyimprove the robustness performance of the focused beamformer.K ey Words : constant 2beamwidth ;acoustic imaging ;focusing beamforming ;RCB ;RSS在语音分析、声学成像、地震勘探、声纳等领域都要用到宽带阵列信号处理.一般来说,波束形成器的主瓣宽度与入射信号的频率、阵元数及阵元间距有关.不同频率的信号通过基阵时,所形成的波束宽度一般不同:频率越高,波束越窄.因此,当宽带信号在波束非主轴方向出现时,会产生波束输出的高频能量损失,这将导致输出波形发生畸变,给信号检测、参量估计和目标识别等带来极大的困难.所以,设计宽带恒定束宽波束形成器以使主瓣宽度在整个工作频率范围内恒定不变,保证接收到的宽带信号不产生畸变就显得尤为重要.目前宽带恒定束宽波束形成设计方法主要有以下几类.(1)组合子阵法[1,2].这种方法的实质是随着入射波频率的不同,采用不同的阵元参加工作,并对参加工作的阵元采用不同的加权系数.由于实际情况限制,阵元数不可能太多,这种方法实现起来困难,而且频率连续变化,只能近似满足要求.(2)只采用一个阵列,所有阵元都参加工作,将接收的宽带信号分成若干窄带信号,对于不同的频率子带使用不同的加权系数,以使各子带的波束图近似相同[3].这种方法涉及到各种复杂的数学计算,运算量较大.(3)基于聚焦变换的宽带波束形成方法[4],借用宽带空间谱估计的思想,将不同频率子带上的数据通过变换矩阵都聚焦变换到一个参考2007年2月第34卷 第1期 西安电子科技大学学报(自然科学版)J OU R NAL O F XI D IAN U N IV E R S I T Y Feb.2007Vol.34 No.1频率上.这种方法只需要一个阵列,计算量较少,且能有效克服信号抵消,并处理多径信号.但其对信号方位信息的准确度敏感,需要对方位角进行较为精确的估计,否则波束形成器的性能会急剧下降.为了提高基于聚焦变换波束形成器的稳健性能,笔者结合稳健Capon 波束形成方法(Robust Capon Beamforming ,RCB [5]),提出了一种恒定束宽波束形成方法用于声学成像.在此RCB 不仅进行波束形成,而且在信号方向不准确时能校正聚焦变换矩阵,减小估计误差,提高恒定束宽波束形成器的性能.仿真实验证明了该方法的有效性.另外,文中实验是在与文献[6]相似的环境下完成的,但与其相比,本文中的方法只需要一组传感器阵列和较低的计算量.1 问题描述一般声学成像过程为首先采用麦克风阵列采集信号,经过阵列信号处理,估计声压强度,最后进行声学成像.考虑一个由M 元各向同性阵元组成的平面麦克风阵列接收宽带远场信号源.采用球面坐标系表示入射平面波的波达方向,原点即参考点O 位于麦克风阵的中心.信号源位置的单位向量为r =(sin θco s ψ,sin θsin ψ,co s θ) ,(1)其中,θ∈[0,π/2]为信源俯角,ψ∈[0,2π]为信源方位角.某个时刻,第m 个阵元接收到的信号相对于原点的时间延迟为τm =-r p m /c ,(2)其中第m 个阵元的位置向量为p m =(ρcos βm ,ρsin βm ,0),ρ为麦克风圆阵的半径,βm =2πm/N 为此阵元与x 轴的夹角,c 为声速.s (t )为入射信号,则第m 个阵元的输出为y m (t )=s (t -τm )+e m (t ) ,(3)其中e m (t )为第m 个阵元上的加性噪声.将每个传感器的输出分成N 个不重叠的数据块,每块含有L 个采样点.然后对每块数据进行L 点的FF T 变换,得到L 个频率子带上的数据,每个频率子带上含有N 个数据快拍.第k 个频率子带上的频域数据用矩阵形式表示如下y (f k )=a k (θ0,ψ0)s (f k )+e (f k ) , k =0,…,L -1 ,(4)其中a k (θ0,ψ0)=exp (j2πf k τ1)exp (j2πf k τ2)…exp (j2πf k τM)T 表示信号第k 个频率子带上对应方向(θ0,ψ0)的导向矢量.第k 个频率带上的协方差矩阵为R k =E[y (f k )y H (f k )] , k =0,…,L -1 .(5)在声学成像检测中,声音压力响应强度是一个与功率有关的值,称为声强水平(SPL )[6],即P SPL =20log 10(p rms /p ref ) ,(6)式中p rms =(s (f k )2/L 2)1/2表示声压的均方根,单位为Pa ,p ref 是参考声压,对空气传播介质来说,参考声压一般为20μdB.每个传感器的输出通过FF T 变换分成很多窄带频率带,首先对每个感兴趣的频率子带估计相应的功率,得到此频率带的声强,然后在整个入射信号带宽内对每个子带声强相加即可恢复宽带信号的声压强度,完成声学成像.2 一种恒定束宽波束形成方法211 可用于恒定束宽波束形成的聚焦变换方法 基于聚焦变换思想的宽带恒定束宽波束形成一般由聚焦预处理器和窄带波束形成器组成.预处理器的主要作用是将各个频率的信号聚焦到同一个信号空间上.不同的聚焦矩阵对应不同的聚焦变换方法.旋转信号子空间法(RSS )[7]就是其中的一种聚焦方法,它最早在宽带信号空间谱估计中被提出.本文中将采用RSS 作为聚焦预处理器.RSS 使聚焦后的阵列流型与参考频率点阵列流型间误差最小即min T k (θ,ψ)a 0(θ,ψ)-T k (θ,ψ)a k (θ,ψ)F subject to T H k (θ,ψ)T k (θ,ψ)=I ,(7)式中・F 为Frobenius 模,(θ,ψ)为信号的方向[(θ0,ψ0),(θ1,ψ1),…],T k (θ,ψ)是第k 个频率子带的聚焦矩551第1期 王 娟等:一种用于声学成像的稳健宽带恒定束宽波束形成方法阵.式(7)的解为T k (θ,ψ)=V (f k )U H (f k ),其中V (f k )与U (f k )分别为a k (θ,ψ)a H 0(θ,ψ)的左奇异矢量和右奇异矢量.很明显,聚焦矩阵取决于信号的方向信息.RSS 方法的实质是通过聚焦矩阵将不同频率上的数据聚焦到同一频率上而不改变信号的内容,这样得到的第k 个频率子带上的聚焦数据为y (f k )=T k (θ,ψ)y (f k )=T k (θ,ψ)a k (θ0,ψ0)s (f k )+T k (θ,ψ)e (f k ) .(8)通过式(8)得到各个频率子带的聚焦数据后,用任何一种窄带波束形成方法,如常规延迟求和(DAS ,Delay 2And 2Sum )波束形成都可以完成恒定束宽波束形成.但是实际环境中,信号方向总是存在估计误差,聚焦矩阵必然不准确,这将导致聚焦数据出现误差,此时进行恒定束宽波束形成便会产生波形畸变和估计误差,严重降低了恒定束宽波束形成器的性能.针对此,我们提出了一种结合RCB 来补偿聚焦矩阵误差的恒定束宽波束形成方法.212 稳健恒定束宽波束形成方法RCB 是一种基于导向矢量的不确定约束条件,由协方差矩阵拟和原理而提出的一种稳健波束形成方法.它属于广义的对角加载方法,但对角加载值可以由导向矢量的不确定范围准确获得.本文中不仅用RCB 作为窄带波束形成器,更主要的是利用RCB 得到的更接近真实的导向矢量来校正聚焦变换预处理器的聚焦矩阵,提高其对于导向矢量不确定性的稳健性,最终提高恒定束宽波束形成器性能.为了方便起见,这里提出的方法记为稳健恒定束宽波束形成(R 2CBRCB ).参考频率点的RCB 波束形成如下:max a 0σ20 subject to R 0-σ20a 0a H 0≥0 ,a 0- a 02≤ε ,(9)式中R 0与a 0分别是中心频率f 0子带上的协方差矩阵和导向矢量, a 0是假定的导向矢量.ε为用户给定的导向矢量误差范围.在参考频率上运用RCB 方法,得到其权矢量为w 0=R -1^a 0/(^a H 0R -1^a 0) ,(10)其中^a 0= a 0-(I +λR )-1 a 0是参考频率f 0上的最接近真实值的校正导向矢量,λ是对角加载因子,它可根据以上准则由牛顿迭代法求得,具体过程见参考文献[5];从而也可以得到其他频率f k 上的校正导向矢量^a k .用校正过的^a 0和^a k 求得聚焦矩阵^T (θ,ψ),可以获得较为准确的f k 数据.而此频率点的阵列权矢量仍为w k =w 0.则f 0和f k 频率上的基阵输出波束图B 0(θ,ψ)与B k (θ,ψ)分别为B 0(θ,ψ)=w H 0a 0(θ,ψ) ,(11)B k (θ,ψ)=w H 0^T k (θ,ψ)a k (θ,ψ) .(12)由于w H 0^T k (θ,ψ)a k (θ,ψ)=w H 0a 0(θ,ψ) ,(13)(θ,ψ)在[(θ0,ψ0),(θ1,ψ1),…]范围内搜索,可以得到恒定波束宽度.同样,参考频率f 0和其他频率f k 上的功率估计分别为^σ20=w H 0R 0w 0=σ20w H 0a 0(θ,ψ)a H 0(θ,ψ)w 0+σ2n w H 0w 0 ,(14)^σ2k =w H 0 R 0w 0=w H 0^T k (θ,ψ)R k ^T H k (θ,ψ)w 0=σ20w H 0a 0(θ,ψ)a H 0(θ,ψ)w 0+σ2n w H 0w 0 .(15)这样便恢复了频率f k 上的功率,于是能够得到此频率子带的声强P SPL 值.且当w 0在方向[(θ0,ψ0),(θ1,ψ1),(θ2,ψ2),…]搜索进行波束形成时,实现了恒定功率宽度.这里的R 2CBRCB 稳健恒定束宽波束形成方法不仅继承了RCB 方法的分辨率高,干扰抑制能力强,对导向矢量误差不敏感的优点,而且通过RCB 能得到校正的导向矢量,来补偿聚焦矩阵误差,从而提高了基于聚焦变换思想的恒定束宽波束形成器的性能.本文中方法的具体过程可归纳如下:(1)将阵列接收信号分成N 个不重叠的数据块,每个数据块做L 点DF T 变换,得到信号的频域采样y i (f k ),k =1,…,L ;i =1,…,N.(2)由频域样值估计相关矩阵R k =(1/N )∑Ni =1y i (f k )y H i (f k ),k =0,…,L -1.651 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第34卷(3)在参考频率f 0,根据式(9),(10)做稳健波束形成RCB 获得权矢量w 0和校正导向矢量^a 0,^a k ,估计此频率子带的功率,获得声强P SPL 估计值.(4)用校正过的^a 0和^a k 根据式(7)RSS 方法,得f k 频率上的聚焦矩阵^T k (θ,ψ),由式(8)将数据聚焦到参考频率,仍由w 0做波束形成估计此频率子带的功率,获得声强P SPL 估计值;这样得到有用信号整个频带范围内的P SPL 估计值,完成了声成像.3 仿真实验下面的两组仿真实验模拟麦克风阵,采用了17阵元的嵌套圆阵,其中一个阵元在圆心,大圆的半径是9.8806cm ,小圆半径减半.信号源采用宽带单极子信源(10k Hz 到40k Hz 的平谱),假定信源位于空间坐标系中的(0,0,15214),以cm 为长度单位.与信号功率有关的P SPL 值在每个频率子带为20dB ,背景噪声为高斯白噪声,SNR 为20dB.采样频率为142.857k Hz ,将数据分成64块,每块进行8192点FF T 变换,将宽带信号变成8192个窄带信号.实验1:声成像中RSS 2DAS 和R 2CBRCB 方法对于P SPL 估计的比较.图1是各方法在导向矢量误差ε=0175时在各频率点处的P SPL 估计.可以看出当频率增大时,RSS 2DAS 波束形成方法可以基本实现恒定SPL 估计;但由于导向矢量误差带来的聚焦数据误差使P SPL 估计出现严重畸变.且该方法分辨率较低,旁瓣较高.而稳健恒定束宽R 2CBRCB 方法的P SPL 估计结果,当频率增大时,可以很好地实现恒定P SPL 估计;同时RCB 校正了导向矢量误差,补偿了聚焦矩阵所带来的数据误差,从而避免了估计波形畸变,达到在整个感兴趣的频率范围内恒定声成像的目的.并且与RSS 2DAS 相比,该方法具有分辨率高,低旁瓣的优点.图1 不同频率下RSS 2DAS 和R 2CBRCB 方法的P SPL 估计实验2:RCB ,RSS 2DAS ,RSS 2RCB 和R 2CBRCB 方法的3dB 功率宽度随频率变化由于声成像检测中,声强水平是与功率有关的值.图2和表1是几种方法在导向矢量误差ε=0175时,随频率变化的3dB 功率宽度的比较.其中RSS 2RCB 是RCB 只作为窄带波束形成但并不校正聚焦预处理器的方法.可以看出RCB 方法,频率增大,功率宽度减小,这会造成信号高频能量的损失.因此通常窄带波束形成方法不能直接用到宽带信号处理中.运用了聚焦方法RSS 的恒定束宽方法RSS 2DAS ,RSS 2RCB 和R 2CBRCB 能基本达到恒定功率宽.但是RSS 2DAS 方法的功率宽度较大,分辨率低,且和RSS 2RCB 方法751第1期 王 娟等:一种用于声学成像的稳健宽带恒定束宽波束形成方法表1几种方法的3dB功率宽度比较(cm) RSS2DAS RCB RSS2RCB R2CBRCB12.729 3.8955 3.8955 3.895512.758 3.3872 2.4319 3.895513.363 3.04848.1148 3.8955 13.589 2.70967.7320 3.895512.639 2.3709 3.6276 3.895513.972 2.2015 2.0145 3.8955 12.885 2.03218.2461 3.895511.839 1.8628 1.0525 3.895512.141 1.6934 2.7138 3.9163 16.039 1.69347.6870 3.9483 12.745 1.52418.1605 3.895512.316 1.52417.9053 3.895513.078 1.35470.44967 3.8955 12.830 1.35477.5899 3.8955 11.744 1.1854 2.0845 3.8955 13.763 1.18547.2113 3.9387 13.503 1.01607.4598 3.8955 10.745 1.0160 1.3244 3.9727 12.646 1.0160 1.8039 3.9257 14.014 1.0160 2.6468 3.9511 12.0670.8467 2.0145 3.8989都出现了功率宽度不稳定、上下波动的现象;相比之下,R2 CBRCB的功率宽度小,分辨率高,且由于校正了聚焦变换预处理器的聚焦矩阵,能稳定地实现恒定功率宽度.图2 几种方法的3dB功率宽度曲线4 结束语将宽带空间谱估计中的旋转信号子空间方法结合稳健Capon波束形成提出了一种应用于声学成像的稳健宽带恒定束宽波束形成方法.RCB在此不仅进行波束形成,更重要的贡献是校正导向矢量,补偿聚焦矩阵误差,获得较为准确的聚焦数据,提高基于聚焦变换思想的恒定束宽波束形成器的性能.参考文献:[1]Brooks T F.Effect of Directional Array Size on the Measurement of Airf rame Noise Components[C]//5th AmericanInstitute of Aeronautics&Astronautics Aeroacoustics Conference.Beelevue:A IAA,1999:9921958.[2]Humphreys W M.Design and Use of Microphone Directional Arrays for Aeroacoustic Measurement[C]//36thAeronautics Science Meeting and Exhibit,NASA Langley Technical Report Server.Reno:A IAA,1998:417.[3]朱维杰1宽带水声阵列信号处理的原理方法及应用[D]1西安:西北工业大学,2003.[4]Simanapalli S,Kaveh M.Broadband Focusing for Partially Adaptive Beamforming[J].IEEE Trans on Aerospace andEectronic Systems,1994,30(1):68280.[5]Stoica P,Wang Z,Li J.Robust Capon Beamforming[J].IEEE Signal Processing Letters,2003,10(6):1722175.[6]Wang Z,Li J,Stoica P,et al.Constant2beamwidth and Constant2powerwidth Wideband Robust Capon Beamformers forAcoustic Imaging[J].Journal of the Acoustical Society of America,2004,116(3):162121631.[7]王永良,陈辉,彭应宁1空间谱估计理论与算法[M].北京:清华大学出版社,2004.(编辑:李维东) 851 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第34卷。
一种恒定束宽的宽带自适应波束形成算法
Ｅｅ ｔｏ ｉ ｃ． Ｔ ｃ ． Ｊｎ ． ５． ２ １ ｌｃｒｎｃ Ｓ ｉ＆ ｅ ｈ ／ ｕ ｅ １ ０２
一
种 恒 定 束 宽 的 宽 带 自适 应 波束 形成 算 法
任 泽宇 ，罗 西 安 西 ７ ０ｏ ） １ １ｏ
成 能有效 解 决期 望 方 向宽 带 信 号 接 收 所 面 临 的 问题 ，
传 统方 法 只能 单 一满 足 恒 定 柬 宽或 进 行 自适 应 ， 为 提升 处理 性能 ， 必 要 研 究 一 种具 有 恒 定 束 宽特 性 有 的宽带 自适 应波束 形 成算法 。基 于此 目的提 出一种 根
获得 自 适应参考 波束 图 ， 定波束 图恒定 范围根据 最小二 乘算法求取其他频点权值 ，并进 行宽 带波 束形成。该方 法不 确
仅 能保证恒定柬 宽，而且 可 实现 自适应零 陷控制 。仿真 实验证 明 了算法的有效性。
关键词 宽带 自适 应波束形成 ；恒定束 宽；最小二 乘算法 中图分类号 Ｔ ９７ ５ Ｎ ５．１ 文献标识码 Ａ 文章 编号 １０ ０ ７—７２ （０ ２ ０ ０ １ ０ ８ ０ ２ １ ）６— ７ — ４
Ａｂｓｒ ｃ Ｗ ｉ ｅ ａ ｄ ｂ ａ ｆｒ ｎ ｓ ａｄ ｆ ｃ ｌ ｒ ｂｅ ｆｒ ｐ ａ ｅ ｒａ ａ ｒｄｇｔｌｓｇ ａ ｒｃ ｓｉ ｇ Ｔ ｅ ｔａ ｔ ｄ ｂ ｎ ｅ ｍ ｏ ｍｉ ｇｉ ｉｆ ｕ ｔｐ ｏ ｌｍ ｏ ｈ ｓ ｄ ａ ｒｙ ｒｄａ ｉｉ ｉｎ ｌｐ ｏ ｅ ｓｎ ． ｈ ｉ ａ ｐ ｅｅ ｔｗｉｅ ａ ｄ ｂ ａ ｆｒ ｉ ｇ ｍｅｈ ｄ ｎｙ ｓ ｔｓｙｏ ｅａ ｖ ｎａ ｅｏ ｏ ｓａ ｔｂ ａ ｗｉｔ ｒａ ａ ｔ ｅ Ｆ ｒｔｅ ｒｄ ｒ ｒ ｓ ｎ ｄ ｂ ｎ ｅ ｍ ｏ ｎ ｔｏ ｓｏ ｌ ａｉｆ ｎ ｄ ａ ｔｇ ｆｃ ｎ ｔｎ ｅ ｍ ｄｈ ｏ ｄ ｐ ｉ ． ｏ ａ ａ ｍ ｖ ｈ
关于恒定束宽波束形成的研究
关于恒定束宽波束形成的研究摘要：波束形成是阵列信号处理的一个重要组成部分，已经形成了比较完整的处理理论方法。
波束形成最重要的目的是定向，当信号传播到各阵元时,由于声程差的缘故，每个阵元接收到的信号是有差异的。
本文主要总结了宽带信号波束形成的算法，并进行了仿真验证。
关键词：波束形成；恒定束宽1.前言早期的声纳系统大多处理的是窄带信号，窄带信号处理对硬件要求较低，分析方法也比较简单。
窄带波束形成器的处理过程，即对各个阵元的输出信号做复数加权，以调整各阵元接收信号的幅度和相位，再求和，即可得到波束形成器的输出。
对于一个M阵元的间隔为d的线列阵，目标辐射信号为波长为的窄带信号，目标与线列阵法线方向成角度。
当基阵采用均匀加权时，基阵的归一化方向性函数为：从表达式2可看出，主瓣宽度是阵元数M、阵元间距d和波长的函数，因此在一定的频段范围内，要使波束宽度恒定，就必须满足：(3)显然，要满足上述条件，就要使Md（线列阵的总长度）随信号频率作相应变化，以保证是一个定值，这可以通过变化M或d来实现。
由此可见，恒定束宽波束形成是采用某种方法使得不同信号频率分量所形成的波束图与频率无关，所以它能无失真的接收或发射宽带信号。
如果阵元足够密，且频带内信号频率是连续线性变化的，那么随频率增加逐渐增加阵列边缘的零权系数，使不参加工作的阵元数目随频率升高而增加，这样就能较近似地满足恒定束宽的要求。
若不改变阵元数目而改变阵元间距，同样可以达到预期的目的。
2. 恒定束宽波束形成的两种设计方法恒定束宽波束形成可以通过改变基阵各阵元加权系数来实现，下面介绍基于这一原理的两种设计方法[4]：2.1 最小二乘法-随频率变化改变阵元加权系数若我们以带宽内某一频率的波束主瓣宽度为准，则带宽内的任一频率，原则上是可以设计一组随频率变化的加权系数，从而得到与基准频率相同的波束主瓣宽度。
对基准频率w0，若其方向性函数为：为了实现恒定束宽，应满足。
对于不同的角度，可以得到一组方程组，用最小二乘法[42]来解此方程组就可得到不同频率w下的加权系数。
宽带恒定束宽盲波束形成算法
信 号 处 理
Ｊ ＯＵＲＮ ＡＬ ０ Ｆ Ｓ Ｉ ＧＮＡ Ｌ Ｐ Ｒ ０Ｃ Ｅ Ｓ Ｓ Ｉ ＮＧ
Ｖ０ １ ．定束 宽 盲 波束 形 成算 法
刘亚奇 赵拥军 刘成城
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ， Ｔ ｈ ｅ Ｐ Ｌ Ａ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ４ ５ ０ ０ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｒｅ ｆ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ ．Ｆ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ ，ｔ ｈ ｅ ｗｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｂ ｅ ａ ｍｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ｂ ｌ ｉ ｎ ｄ ｂ ｅ ａ ｍｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ｉ ｓ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｕ ｔ ｋ ｎ ｏ ｗ ｌ ｅ ｄ ｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｒ ｉ ｒ ｖ ａ ｌ （ Ｄ Ｏ Ａ） ． ｈｅ Ｔ ｔ ｒ ｎｓ ａ ｆ ｏ ｍａ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｆ ｏ ｍ ｗ ｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ ｂ ｌ ｉ ｎ ｄ ｂ ｅ ａ ｍ ｆ ｏ ｒ ｍ—
分离 ，且输出信干噪比高于时域 、频域以及时频域盲源分离算法 ，实测数据的处理结果验证了该算法的实用性。 关键词 ：盲波束形成 ；恒定 束宽 ；时频分析 ；宽带 阵列信号
宽带恒定束宽数字波束形成及实现的开题报告
宽带恒定束宽数字波束形成及实现的开题报告一、研究背景数字波束形成（DBF）是一种基于数字信号处理（DSP）的直接数字化信号，参照天线阵列（AA）表面的相位和幅度信息，计算出相位和幅度所需的数字信号，将其传送到各个订货单臂膀，最终形成所需的波束。
该技术可以应用于雷达、通信、遥感等领域，能够实现高精度的目标探测和信号传输。
宽带恒定束形成技术是在数字波束形成的基础上发展而来，通过优化波束形成算法和实现硬件性能，实现带宽范围内的恒定束形成，进一步提高信号传输和目标探测的精度。
二、研究目的本课题旨在研究宽带恒定束形成技术，探究数字波束形成算法优化和硬件实现方案，实现带宽范围内的恒定束形成，提高信号传输和目标探测的精度。
三、研究内容1. 数字波束形成算法研究针对数字波束形成中存在的问题，结合实际应用需求，研究优化数字波束形成算法，提高波束形成的精度和稳定性。
2. 宽带恒定束形成算法研究在数字波束形成基础上，考虑传输带宽的影响，研究宽带恒定束形成算法，实现在带宽范围内的恒定束形成，进一步提高信号传输和目标探测的精度。
3. 硬件实现方案设计基于研究结果，设计数字波束形成和宽带恒定束形成的硬件实现方案，包括天线阵列、数字信号处理器（DSP）等。
四、研究意义宽带恒定束形成技术可以应用于多个领域，如通信、雷达、遥感等，能够提高信号传输和目标探测的精度。
该研究对于推动各个领域的高精度数据应用和技术发展具有重要意义。
五、研究方法本课题采用文献研究法、数学建模法、实验研究法等多种研究方法，通过对数字波束形成算法的优化和宽带恒定束形成算法的研究，结合硬件实现方案的设计和实验验证，验证该技术的有效性和应用价值。
六、研究进度安排1. 前期调研和文献研究（已完成）2. 数字波束形成算法研究和优化（计划完成时间：1-3个月）3. 宽带恒定束形成算法研究（计划完成时间：4-6个月）4. 硬件实现方案设计和实验验证（计划完成时间：7-10个月）7. 预期成果1. 数字波束形成和宽带恒定束形成算法优化结果和相关研究论文发表。
一种用于声学成像的稳健宽带恒定束宽波束形成方法
种 用 于 声 学 成 像 的稳 健 宽 带恒 定 束 宽 波 束 形 成 方 法
王 娟 ， 冯 青 ， 吴 仁 彪 ， 苏 志 刚
（ 国 民航 大 学 智 能 信 号 处理 与 图像 处 理 天 津 市 重 点 实 验 室 ， 中 天津 ３ ０ ０ ） ０ ３０
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘 要 ：基 于 聚 焦 变 换 思 想 的 波 束 形 成 是 一种 有 效 的 恒定 柬宽 波 束形 成 方 法． 而 ， 信 号 的 方 向 信 息 存 然 当 在 误 差 时 ， 焦 变换 波 束 形 成 方 法 的 稳 健 性 会 急 剧 下 降 ， 了克 服 这 种 缺 点 ， 稳 健 Ｃ ｐ ｎ波 束 形 成 聚 为 将 ａｏ
Ｔｏ ｏ ｅ ｃ ｍｅ ｔ ｅ ｓ ｏ ｔ ｏ ｉ ｇ ａ ｎ ｖ ｌ ｒ ｂ ｓ ｒ ａ ｂ ｎ ｅ ｍｆ ｒ ｎ ｔ ｏ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｆ ｃ ｓｎ ｖ ｒ ｏ ｈ ｈ ｒ ｃ ｍ ｎ ， ｏ ｅ ｏ ｕ ｔ ｂ ｏ ｄ ａ ｄ ｂ ａ ｏ ｍｉ ｇ ｍｅｈ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｏ ｕ ｉ ｇ ａ ｐ ｏ ｃ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｔ ｃ ｉｖ ｏ ｓ ａ ｔｂ ａ ｐ ｒ ａ ｈ ｉ ｒ ｓ ｎ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ Ｏ ａ ｈ ｅ ｅ ａ ｃ ｎ ｔ ｎ ｅ ｍｗｉ ｔ ｏ ｃ ｕ ｔ ｍａ ｉ ｇ ｄ ｈ ｆ ｒ ａ ｏ ｓ ｉ ｉ ｇｎ ．Ｔｈ ｒ ｐ ｓ ｄ ｃ ｅｐ ｏ ｏ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｍａ ｎ ｙ ａ ｐ ｉ ｓｔ ｅ ｉｅ ｆ ｂ ｓ ｐ ｎ Ｂｅ ｍ ｆ ｒ ｎ （ ｔ ｏ ｉ ｌ ｐ ｌ ｈ ｄ ａ ｏ ｅ Ｒｏ ｕ ｔＣａ ｏ ａ ｏ ｍｉ ｇ ＲＣＢ）ｔ ｈ ｏ ｕ ｉ ｇ ａ ｐ ｏ ｃ ｏ ｇ ｔｔ ｅ Ｏ ｔ ｅ ｆ ｃ ｓｎ ｐ ｒ ａ ｈ ｔ ｅ ｈ
圆阵宽带恒定束宽波束形成的实验研究
圆阵宽带恒定束宽波束形成的实验研究近年来，随着宽带技术的发展，宽带信号传输速率越来越高。
宽带信号以波束宽度来表示，称之为束宽。
随着束宽的增加，实验研究发现波束能够形成一种恒定的宽度，这就是所谓的圆阵宽带恒定束宽波束。
圆阵宽带恒定束宽波束的形成，是基于电磁波的发射特性而实现的。
当电磁波穿过气体和液体时，它会受到影响，其对电磁波的影响是改变波的频率和波的宽度。
波的频率取决于气体的属性，而波的宽度受到两个因素的影响，一是电磁波的本质，另一是气体的性质。
可以通过设置和调整圆阵，使波束宽度得到恒定，而束宽也是由圆阵的参数决定的。
此外，圆阵宽带恒定束宽波束的研究可以有效地提高信号传输的效果，以及提高设备间通信的能力，使得数据收发更加高效。
因此，很多实验室都在研究如何有效地形成圆阵宽带恒定束宽波束，探索方法是如何通过调节参数来有效地产生这样的波束。
首先，在研究圆阵宽带恒定束宽波束形成的过程中，可以用信号源发射机对多种参数进行调节，以确定信号发射状态，这里参数包括信号频率、调制参数、调制方式等等。
而信号发射状态的调节又可以使得电磁波的波形保持一定的宽度和形状，从而达到恒定的束宽。
其次，可以通过圆阵的结构和参数来调整波束宽度，以达到恒定束宽的目的。
通常来说，圆阵的结构可以分为三种方式，分别是支撑布局、芯片布局和拉线布局，它们的参数分别是圆阵形状、尺寸、材料等，从而可以改变波束宽度。
在实验中，可以通过改变这些参数来模拟出不同的宽度，从而得到最佳的宽度和束宽。
最后，在圆阵宽带恒定束宽波束形成的实验中，还可以通过设置比较复杂的发射机结构，比如用多种类型的电磁波发射机，以达到收发信号的最优状态，同时可以改善波束的宽度和信号传输的效率。
综上所述，圆阵宽带恒定束宽波束的研究具有很强的实用价值，它的研究可以有效提高宽带信号传输的效果，提高设备间通信的能力，以及提高发射机结构的复杂程度，为宽带信号传输提供重要的基础。
未来，宽带信号传输技术将有很大的发展，而圆阵宽带恒定束宽波束的实验研究将有助于这方面的技术发展。
一种稳健恒定束宽宽波束形成算法
6DIGITCW2024.020 引言宽带数字波束形成技术是阵列信号处理中的关键技术之一，其在声呐、目标识别、导航等诸多领域之中都有着非常广泛的应用[1]。
目前，宽带信号的波束形成方式主要有两种，分别是频域波束形成以及时域波束形成[2]。
频域波束形成首先对接收数据进行离散傅里叶变换（），将信号变换至频域上，再分成多个窄带信号进行子带波束形成后进行宽带综合。
由于分段DFT 仅选择有限频带做子带窄带波束形成，因此分段DFT 波束形成输出的时间序列会出现不连续的情况，因此会出现波形失真的情况。
近年来，为保证在波束主瓣宽度内不失真地接收信号，研究学者提出恒定束宽波束形成技术[3]，即通过设计权系数值，保证主瓣宽度随频率的变化保持恒定，以保证主瓣区间内入射的不同频率下的信号经过波束形成之后不发生频谱失真[4]。
在雷达波速扫描的过程中，为了可以获得恒定的主瓣宽度并且确保尽可能低的旁瓣电平，文中提出了一种无约束的方向不变恒定束宽波束形成算法。
经仿真结果验证，这种算法可以满足优化后的不同频率的波束主瓣逼近生成的参考波束主瓣，同时尽量保持波束的低旁瓣特性。
1 信号模型与广义线性组合算法理论1.1 宽带基阵信号模型本文研究了由M 个阵元组成的间距为d 的均匀线性阵列（），每一个阵元后接阶数是L 的FIR 滤波器。
假设现在有D +1个远场宽带点源信号从D +1个方作者简介：张远驰（1998-），男，汉族，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向为阵列信号处理。
一种稳健恒定束宽宽波束形成算法张远驰，胡 进（中国船舶集团有限公司第七二四研究所，江苏 南京 210000）摘要：传统宽带波束形成算法在导向矢量失配时输出性能下降，为解决该问题，文章提出一种稳健恒定束宽波束形成算法。
该算法首先构造与快拍数相关的对角加载函数；其次，基于空域积分思想，结合入射信号的方向误差范围估计期望信号的实际入射方向，并结合构造的对角加载系数生成优化波束加权系数；最后，联合优化后的波束权值与FIR滤波器系数完成宽带波束响应的全局优化设计。
一种螺旋双锥体积阵宽带恒定束宽波束形成方法
一种螺旋双锥体积阵宽带恒定束宽波束形成方法宋媚婷，陈志强，李 利，张长浩(大连测控技术研究所，辽宁大连 116013)摘要: 本文提出一种螺旋双锥体积阵宽带恒定束宽波束形成方法。
在远场条件下，依据信号源和阵元的位置信息，给出了螺旋双锥体积阵接收信号模型，将阵列响应向量表示成以Bessel函数为核函数的形式。
确定参考频率，将宽带划分成多个子带，使得子带内各频率分量上的波束图与参考频率上的波束图一致。
本文提出的宽带恒定束宽波束形成方法能有效地运用到螺旋双锥体积阵处理宽带信号中。
采用螺旋双锥体积阵接收处理宽带信号，解决了垂直线阵、矢量水听器和平面阵的各种局限，更有利于实现宽频带信号处理。
关键词：螺旋双锥；体积阵；恒定束宽；宽带波束形成中图分类号：TN914.3 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7649(2020)01 – 0151 – 03 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2020.01.030A broadband constant beamwidth beamforming method ofthe spiral biconical volume arraySONG Mei-ting, CHEN Zhi-qiang, LI li, ZHANG Chang-hao(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China)Abstract: A wideband constant beamwidth beamforming method of spiral biconical volume array is studied in thispa-per. Under the condition of far field, the receiver signal model of the spiral biconical volume array is given according to the location information of the signal source and the array element, and the array response vector is expressed as the Bessel func-tion as the kernel function. The reference frequency is determined and the broadband is divided into several subbands, so that the beam pattern of each frequency component in the subband is consistent with that on the reference frequency. The broad-band constant beamwidth beamforming method proposed in this paper can be effectively applied to the wideband signal pro-cessing with the spiral biconical volume array. Aspiral biconical volume array is used to receive and process broadband sig-nal, which solves the limitation of vertical linear array, vector hydrophone and planar array, and is more conducive to realize of wideband signal processing.Key words: spiral biconical；volume array；constant beamwidth；broadband beamforming0 引 言近年来，在舰船噪声测试领域，体积阵以其宽频带、高增益的优势备受青睐。
一种矢量阵近场恒定束宽波束形成方法
一种矢量阵近场恒定束宽波束形成方法王永鹏;侯朋;王建文;夏春艳【摘要】An acoustic vector hydrophone, which possesses better directivity, compact geometry and suppression ability of isotropic noise interference, can measure all the three components of the acoustic particle velocity and the pressure at a single point in space, has been proved to be an effective means to improve the measurement ability of ship-radiated noise. Furthermore, with the combination of multiple vector hydrophones, a vector hydrophone array can obtain a higher measurement gain, which helps to evaluate the noise level of weak signatures. In this paper, a near-field signal model of acoustic vector hydrophone is first established, and then two different beamforming methods which utilize the output of a single vector hydrophone or the different types of output of vector hydrophone array are discussed. Aiming at the design problem of constant beamwidth beamformer (CBB), a near-field CBB method with Kaiser weighting is presented. Making use of the characteristics of Kaiser, the designed beam response is gradually converged to the desired beam response and the design precision of CBB is improved with the adoption of exponential verified step. Finally, a computer simulation is conducted to demonstrate the dramatic performance improvement of the proposed algorithm.%矢量传感器可以同步共点地获取声场的标量和矢量信息，具有较好的指向性、紧凑的结构及抑制各向同性噪声干扰等优点，同时应用多个矢量传感器组成矢量阵可以获得更高的测量增益，为低信噪比条件下舰船辐射噪声量级的准确评价提供一种有效手段。
一种恒定束宽的宽带数字波束形成方法
频域采样 ,对宽带信号的一个频域分量施加不同权 值并且相加得到此频率分量上的输出 , 然后对各频 率分量上的输出做 IFFT ,就可以得到宽带信慌的时 域输出 。
3 计算机仿真
≈
1
di
n=1
6
对该模拟滤波器以 d0 为间隔进行重新采样 ,就 可以得到对应 f i 的权系数
wi ( k ) = d0 di
w0 ( k ) ,那么这些离散阵对应的数字滤波器在各自的
频率 f i 处具有相同的脉冲响应 ,也就是所形成的空间 滤波器具有相同的频率响应。很显然 ,由这些离散阵 在等加权的情况下 ,可以实现恒定束宽的目的。 而实际上 ,天线阵列是间距恒为 d0 的均匀离散 阵 ,因此 ,对于不同频率 f i ,用等加权的方法就不可 能得到恒定束宽 。但是根据数字信号到模拟信号的 恢复公式 ,我们可以得到对应于频率 f i 的虚拟的模 拟滤波器的冲激响应为
DBF 技术应用到雷达电子战系统中 , 会大大提高电
。
本文提出了一种恒定束宽的宽带数字波束形成 方法 ,该方法将空间重采样思想用到恒定束宽波束 形成器设计中 ,并通过计算机仿真验证了该方法的 正确性 。
1 宽带数字波束形成面临的问题
子战系统的性能 。接收 DBF 技术的使用将大大提 高跟踪测量精度 、 多目标分辨能力 ; 发射 DBF 技术 则更加有利于实施灵活多变的电子干扰方案 。因 此 ,研究将 DBF 技术应用于宽带雷达电子战系统 , 有着重要的理论意义和军事应用价值 。
DBF 技术应用于雷达电子战系统 , 与雷达 DBF
为了说明宽带情况下数字波束形成可能遇到的 问题 ,这里先分析窄带数字波束形成的原理 。根据 互易原理 ,发射数字波束形成与接收数字波束形成 类似 ,所以这里只给出接收数字波束形成的原理 ,其 原理示意图如图 1 所示 。
一种用于声学成像的稳健宽带恒定束宽波束形成方法
在语音分析 & 声学成像 & 地震勘探 & 声纳等领域都要用到宽带阵列信号处理 + 一般来说 " 波束形成器的主瓣 宽度与入射信号的频率 & 阵元数及阵元间距有关 + 不同频率的信号通过基阵时 " 所形成的波束宽度一般不同 $ 频 率越高 " 波束越窄 + 因此 " 当宽带信号在波束非主轴方向出现时 " 会产生波束输出的高频能量损失 " 这将导致输 出波形发生畸变 " 给信号检测 & 参量估计和目标识别等带来极大的困难 + 所以 " 设计宽带恒定束宽波束形成器以 使主瓣宽度在整个工作频率范围内恒定不变 " 保证接收到的宽带信号不产生畸变就显得尤为重要 +
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本文提出了一种恒定束宽的宽带数字波束形成 方法 ,该方法将空间重采样思想用到恒定束宽波束 形成器设计中 ,并通过计算机仿真验证了该方法的 正确性 。
1 宽带数字波束形成面临的问题
子战系统的性能 。接收 DBF 技术的使用将大大提 高跟踪测量精度 、 多目标分辨能力 ; 发射 DBF 技术 则更加有利于实施灵活多变的电子干扰方案 。因 此 ,研究将 DBF 技术应用于宽带雷达电子战系统 , 有着重要的理论意义和军事应用价值 。
[3 ,4 ]
图1 接收 DBF 原理图
Fig. 1 Principle figure of receiving DBF
。第一类方法
的设计思想是 ,对于不同的频率 ,改变阵元个数或者 不同的阵元组合参加工作 , 这类方法不仅实现起来 复杂 ,而且由于阵元数目是一个离散量 ,且阵元数目
收稿日期 :2006211213 ; 修回日期 :2007205222
图2 等加权时的方向图
Fig. 2 The pattern with equal weighting
图3 恒定束宽方向图
Fig. 3 The pattern with constant beamwidth weighting
第6期
王杰贵等 : 一种恒定束宽的宽带数字波束形成方法
Journal , 1996 (2) :100 - 126
w0 ( k ) ,那么这些离散阵对应的数字滤波器在各自的
频率 f i 处具有相同的脉冲响应 ,也就是所形成的空间 滤波器具有相同的频率响应。很显然 ,由这些离散阵 在等加权的情况下 ,可以实现恒定束宽的目的。 而实际上 ,天线阵列是间距恒为 d0 的均匀离散 阵 ,因此 ,对于不同频率 f i ,用等加权的方法就不可 能得到恒定束宽 。但是根据数字信号到模拟信号的 恢复公式 ,我们可以得到对应于频率 f i 的虚拟的模 拟滤波器的冲激响应为
L
为了验证本文算法的性能 , 我们作如下的仿真 实验 : 假设接收天线是一个均匀线阵 , 其阵元数为
19 个 ,阵元间距为 5cm , 信号频率范围 2 ～ 4GHz , 信
n=1
6
w0 ( n)
sin (π( ( k - 1) d0 - ( n - 1) di ) Πdi ) π( ( k - 1) d0 - ( n - 1) di ) Πdi ( 8)
由上面的分析可知 , 由于阵元间距和阵元数的
1460
wa ( x) =
宇航学报
第 28 卷
1
di
n= - ∞
6
L
∞
w0 ( k ) w0 ( k )
sin (π( x - ndi ) Πdi ) π( x - ndi ) Πdi sin (π( x - ( n - 1) di ) Πdi ) π( x - ( n - 1) di ) Πdi ( 7)
第 28 卷第 6 期 2007 年 11 月
宇 航 学 报
Journal of Astronautics
Vol. 28 No. 6 November 2007
一种恒定束宽的宽带数字波束形成方法
王杰贵 , 罗景青
( 电子工程学院 , 合肥 230037)
摘 要 : 探讨了应用于雷达电子战系统的宽带数字波束形成 (DBF) 技术 。提出了一种恒定束宽的宽带数字波 束形成新方法 ,该方法将均匀线阵视为连续线阵的均匀离散采样 ,将空间重采样思想用到恒定束宽波束形成器设 计中 。仿真结果证明了该方法是正确 、 有效的 。 关键词 : 数字波束形成 ; 宽带 ; 恒定束宽 中图分类号 : TN958 文献标识码 : A 文章编号 : 100021328 (2007) 0621458204
H
6
L
w ( k) e
j ( k - 1) φ
( 5)
( 3)
由上式可以看出 , F (φ) 和 w ( k ) 是付立叶变 换对 ,那么 w ( k ) 可以视为空间滤波器的脉冲响应 。 当 L 一定时 ,如果 f d = 常数 ,那么不同频率信号的 响应是相同的 。假设存在一个虚拟的连续线阵 , 根 据以上的分析 ,可以将它视为一个模拟滤波器 ,冲激 响应为 w a ( x ) ,均匀线阵看作该连续线阵的均匀采 样 ,形成数字滤波器 , 其脉冲响应为 w ( k ) , 则有对 应关系 。 w ( k ) = d ×w a ( ( k - 1) d ) , k = 1 ,2 , …, L
于是 , 对于不同频率 f i , 用 w i ( k ) 作不等加权 的方法就可以得到恒定束宽 。这就是基于空间重采 样的恒定束宽技术 。 宽带波束形成可以分别在时域或频域实现 。本 文采用频域宽带波束形成技术 ,首先通过 AΠ D 获取 采样信号 ,把每次采样的值存在一个 N 点 FFT 的缓 冲器里 。每 N 个点进行一次 FFT ,把每个阵元上接 收到的信号变换到频域 。这样每个阵元就有 N 个
) = F (φ
k=1
+ nk ( t )
( 1)
π λ λ 式中 ρ Π r = 2 r , r 为信号波长 , n k ( t ) 为测量噪 声 。上式写成矩阵形式为 ( 2) x ( t ) = as ( t ) + n ( t ) T 其中 x ( t ) = [ x1 ( t ) x2 ( t ) … xL ( t ) ] 为阵列 的观测矢量 ; T n ( t ) = [ n1 ( t ) n2 ( t ) … nL ( t ) ] 为噪声 矢量 ;
DBF 技术应用于雷达电子战系统 , 与雷达 DBF
为了说明宽带情况下数字波束形成可能遇到的 问题 ,这里先分析窄带数字波束形成的原理 。根据 互易原理 ,发射数字波束形成与接收数字波束形成 类似 ,所以这里只给出接收数字波束形成的原理 ,其 原理示意图如图 1 所示 。
技术虽然没有本质的区别 , 但由于雷达电子战系统 是宽带系统 ,因此 ,在应用 DBF 技术时 , 还有许多问 题需要进一步地进行研究 , 如频率的变化会引起波 束宽度及波束指向的变化 。恒定束宽的概念就是在 解决这类宽带信号时提出的 ,这里所说的恒定束宽 , 就是当宽带信号通过确定的几何形状和尺寸的基阵 系统时 ,宽带信号的不同频率分量所形成的波束图 在波束宽度内保持恒定 。 目前 ,宽带数字波束形成技术已经成为 DBF 技 术的一个研究热点 。已有的方法主要有两类 : 第一 类方法是随频率变化改变基阵有效孔径 , 第二类方 法是随频率变化改变阵元权系数
假设信号是窄带的 , 天线阵列为具有 L 个阵元 且间距为 d 的均匀线阵 ,各阵元为无方向性的阵子 ,
第6期
王杰贵等 : 一种恒定束宽的宽带数字波束形成方法
1459
取左 边 第 一 个 阵 元 为 相 位 参 考 中 心 。设 信 号 为 s ( t ) ,信号到达方向为 θ , 则第 k 个阵元的接收信 号为
( 6)
ห้องสมุดไป่ตู้ 数字波束形成器的方向图函数为 :
) = w a (θ ) = F (θ
H k=1
6
L
w ( k) e
λ j2π( k - 1) dsinθ Π
( 4)
由上式可见 , 数字波束形成器的方向图函数是 一个多元函数 ,它有以下特点 : ( 1) 信号频率的变化对方向图是有影响的 , 如 波束的形状与宽度随着频率的变化是改变的 ; ( 2) 阵元间距和阵元数的改变对基阵方向图也 是有影响的 ; ( 3) 阵元权系数的改变也将影响方向图的某些 特性 。 波束形成器的输出取决于阵列的相对孔径 , 也 就是与阵列所处理的信号波长 ( 频率) 是有关的 。对 于窄带信号 ,波束形成器在进行加权处理时 ,通常只 使用一组固定的权系数 。但是对于宽带信号 , 在基 阵不变的情况下 ,如果阵元权系数不变 ,那么数字波 束形成器的输出将随着频率的变化产生畸变 , 且信 号的带宽越大 ,畸变越严重 。具体地讲 ,用窄带波束 形成器处理宽带信号将面临以下的问题 : ( 1) 波束的主瓣宽度随着频率的降低而展宽 ;
0 引言
不可能太多 ,而频率连续变化 ,所以只能近似满足恒 定束宽 。第二类方法的思想是 ,基阵不变 ,对每个阵 元设计一组随频率变化的阵元权系数 , 使得不同频 率的波束恒定 ,研究较多的有最小二乘法等
[5 ]
目前 ,很多研究者都在研究如何将收Π 发数字波 [1 ,2 ] ( ) 束形成 DBF 技术应用于雷达系统 ,而将 DBF 技 术应用于雷达电子战系统的研究还很少 。将收Π 发
频域采样 ,对宽带信号的一个频域分量施加不同权 值并且相加得到此频率分量上的输出 , 然后对各频 率分量上的输出做 IFFT ,就可以得到宽带信慌的时 域输出 。
3 计算机仿真
≈
1
di
n=1
6
对该模拟滤波器以 d0 为间隔进行重新采样 ,就 可以得到对应 f i 的权系数
wi ( k ) = d0 di
号方向为 0° ,副瓣采用 - 40dB 的 Chebyshev 加权 。 以中心频率 3GHz 作为基准频率 , 通过计算可 以得到权系数为 w 0 ( k ) ,如果在带宽范围内采用等 加权处理 ,则阵列的方向图如图 2 所示 ,其中图 2 ( a) 是方向图的立体图 ( 图中频率单位为 0. 1GHz , 下 同) ,图 2 ( b) 是其俯视图 。如果采用本文给出的恒 定束宽技术 ,则可以得到如图 3 所示的具有恒定束 宽的方向图 , 其中图 3 ( a ) 是恒定束宽立体方向图 , 图 3 ( b) 是恒定束宽俯视图 。
a = [1 e
ρ θ j dsin
r
… e
θ j ( L - 1)ρ dsin
r
] 为阵调向矢量。
T
数字波束形成器的输出为各阵元观测信号的加 权和 。设第 k 个阵元的加权系数为 w k , 并令 w =