数字波束形成
数字波束形成器
数字波束形成器数字波束形成器是一种基于数字信号处理的技术，用于改善无线通信系统的传输性能和覆盖范围。
它利用多个天线和数字信号处理算法，将发射信号聚焦在特定方向上，从而增加信号传输的距离和质量。
数字波束形成器的原理是通过改变天线的辐射模式，使发射信号在特定方向上形成一个波束。
传统的天线系统往往是全向辐射的，信号在所有方向上均匀发射。
而数字波束形成器通过对每个天线的信号进行加权和相位调整，使得信号在特定方向上相干叠加，形成一个强大的波束，从而提高信号的传输效果。
数字波束形成器的优势在于它可以针对不同的传输场景和要求进行灵活的调整。
通过调整天线的权重和相位，可以改变波束的形状、方向和宽度，适应不同的传输环境。
例如，在城市中心区域可以采用狭窄的波束，以增加信号的穿透能力和抗干扰能力；而在郊区或乡村地区，可以采用宽波束，以增加信号的覆盖范围。
数字波束形成器的另一个重要应用是多用户的空分多址技术。
在传统的无线通信系统中，多个用户之间的信号会相互干扰，降低信号质量。
而数字波束形成器可以通过对每个用户的信号进行加权和相位调整，将不同用户的信号分别聚焦在不同方向上，从而减小互相之间的干扰，提高系统的容量和效率。
除了在无线通信系统中的应用，数字波束形成器还可以用于雷达系统、声纳系统等领域。
在雷达系统中，数字波束形成器可以提高目标探测的距离和精度，同时减小背景杂波和干扰的影响。
在声纳系统中，数字波束形成器可以提高目标定位和跟踪的精度，同时减小传感器之间的互相干扰。
数字波束形成器是一种利用数字信号处理技术改善无线通信系统传输性能和覆盖范围的重要工具。
它通过对天线信号进行加权和相位调整，实现了信号的聚焦和方向性辐射。
数字波束形成器不仅可以提高信号的传输距离和质量，还可以减小信号间的干扰，提高系统的容量和效率。
随着无线通信技术的不断发展，数字波束形成器将在更多的应用场景中发挥重要作用，推动无线通信系统的进一步发展和创新。
数字波束形成
阵列信号处理是将一组传感器按照一定的规则布置在空间的不同位置,组成 传感器阵列,利用传感器阵列对接收到的空间信号进行空域或者空时多维处理的 方式,以增强有用目标信号,抑制无关干扰和噪声信号,提取信号的相关特征,估计 信号的参数。与传统单个传感器的一维信号处理相比,阵列信号处理具有更为灵活 的波束指向控制,更高的输出信号处理增益,更为精确的空间分辨率等优点,因此 阵列信号处理得到了很大的发展,应用领域不断扩大,现已成功应用于雷达和声纳 目标检测、无线通讯、射电天文、生物医学、地震探测等诸多工程领域[10]。
This paper introduces the principle of digital beam forming technology, the signal model of beam forming was presented, And the digital beam forming algorithm under the three calculation criterion was simulated by MATLAB, theoretical analysis and simulation results show that the three algorithms can achieve beamforming, and made some comparison between the three algorithms. At the same time, made some study about the adaptive narrow-band signal beam forming algorithm. Learned and Simulateded the LMS algorithm base on minimum mean square error criterion and RLS algorithm and MVDR algorithm, and do some comparison
数字多波束形成与波束跟踪算法研究的开题报告
数字多波束形成与波束跟踪算法研究的开题报告一、研究背景及意义数字多波束形成技术是指利用数学算法和数字信号处理技术在接收天线阵列上实现组合波束形成，从而提高雷达、通信等系统的性能。
该技术可以在空域和角度域上对目标进行定位和跟踪，大大提高系统的探测与定位准确性。
因此，数字多波束形成技术在军事、民用、医疗等领域有着广泛的应用前景。
波束跟踪算法是数字多波束形成技术的重要组成部分，其准确性和效率对系统性能有着决定性的影响。
二、研究目标和内容本研究旨在深入探究数字多波束形成与波束跟踪算法，具体研究内容如下：1. 数字多波束形成技术的基本原理及其在信号处理中的应用；2. 波束跟踪算法的原理及分类；3. 基于数字多波束形成技术的波束跟踪算法设计，包括基于卡尔曼滤波的波束跟踪算法、最大似然估计法等；4. 算法仿真与实验验证。
三、研究方法本研究主要采用理论分析、数学建模、仿真模拟和实验验证等方法，具体如下：1.通过文献调研和学习，掌握数字多波束形成和波束跟踪的基本理论和方法；2. 依据问题进行建模，分析数字多波束形成信号的特性，并结合实际情况，构建数学模型；3. 采取MATLAB等工具进行仿真模拟实验，验证算法的有效性和性能；4. 借助实验平台进行实验验证，如利用MATLAB Simulink和DSP实验室进行数字多波束形成技术的实验。
四、预期成果1.对数字多波束形成和波束跟踪算法的理论和方法有较为深入的了解，能够灵活应用其基本原理解决实际问题；2.设计出基于数字多波束形成技术的波束跟踪算法，掌握相应算法的表达和实现方法；3.实现算法仿真和实验验证，展示模型的优越性和有效性，为后续相关应用提供了可靠的基础数据。
五、研究进度安排本研究计划用一年时间完成，进度安排如下：1. 第1-2个月：调查研究该领域相关的文献资料，了解数字多波束形成和波束跟踪算法的基本原理和研究热点；2.第3-4个月：对数字多波束形成技术进行数学建模，并探讨其在信号处理中的应用；3. 第5-7个月：设计基于数字多波束形成技术的波束跟踪算法，并进行算法仿真实验；4. 第8-10个月：实证研究算法有效性，利用MATLAB和DSP等实验平台进行数字多波束形成技术的实验；5.第11-12个月：撰写毕业论文，准备答辩。
MIMO雷达中数字波束形成的原理和实现方法
MIMO 雷达中数字波束形成的原理和实现方法摘要：高测角精度是雷达的重要指标之一，数字波束形成在MIMO 雷达是提升测角精度的关键，而数字波束形成中雷达系统的发射波束指向精度以及旁瓣的宽度是影响数字波束形成的关键。
本文分析了在MIMO 雷达中波束形成的的原理，并依据实际MIMO 雷达系统模型做出了仿真分析，有很好的波束指向性和旁瓣抑制能力。
关键字：MIMO 雷达；数字波束形成；波束指向；旁瓣抑制；1.引言数字波束形成技术是建立在模拟波束形成的基础上发展起来的，它融合了数字信号处理的方法，利用波束形成可以获得良好的波束指向性，可以更好的形成波束改善角度分辨率，还可以形成独立的可控的多波束，并有良好的低副瓣性能。
数字波束成形指把阵列天线输出的信号进行A/D 转换器后送到数字波束形成的处理单元，完成对各路的加权处理，形成所需的波束。
2.数字波束形成的基本原理在阵列天线上采用控制不同天线相移量的方法来改变各阵元发射信号的相位，从而实现波束的形成与扫描。
图1就是阵列天线的示意图。
图1 N 元阵列天线图上图所示，有N 个阵元天线，其相邻阵元天线的间距为d 。
假设每一个阵元的辐射都是点辐射，且无方向性，所有阵元的都是等幅度的，移相器的相依量依次从φ至φ)1(-N 。
我们不妨分析偏离法线方向θ处一点，近似看作很远，忽略距离上引起的幅度差，来描述在该点的场强)(θ∑E ，则∑-=-∑=10)(0)()(N k jk e E E φφθθ （1） 上式中，θλπφsin 20d =指由于波程差导致的相邻阵元的相位差，θ为波束的指向角，φ为相邻阵元移相器的相位差，运用数学知识将式（1）化简为(N-1)21N-1 2 0 1 ....... 0移相器θθsin d)](21[00)()(000)](21sin[)](2sin[)(11)()(φφφφφφφφφφθθθ----∑--=--=N j j jN e N E e e E E （2） 对式（2）进行归一化可得)](21[00)()(000)](21sin[)](2sin[)(11)()(φφφφφφφφφφθθθ----∑--=--=N j j jN e N E e e E E )](21sin[)](2sin[1)()()(00max φφφφθθθ--==∑∑N N E E F （3） 由式（3）可知，当0=φ时，也就是各阵元都是等幅等相时，0=θ时，对应的1)(=θF ，实际上对应的最大方向图在阵列法线方向。
雷达数字波束形成技术
雷达数字波束形成技术是一种在雷达系统中应用的技术，其目的是提高雷达的性能和抗干扰能力。
数字波束形成技术（DBF）在雷达系统中能够实现超分辨和低副瓣性能，方便后续进行阵列信号处理，以获得优良性能。
它通过保存天线阵列单元信号的全部信息，并采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，实现波束扫描和自适应波束形成等。
在雷达通信电子战领域，数字波束形成技术也常被应用。
例如，它可以通过形成单个或多个独立可控的波束，不损失信噪比的情况下，实现增强特定方向的信号功率并抑制其它方向的干扰信号。
然而，数字波束形成技术也存在一些问题。
例如，当合成波束较多时，其需要大量的运算资源，对硬件的要求极高。
数字波束形成PPT课件
Nd
(sin
s in 0
)
N
sin
1 2
(
)
N
sin
d
(sin
sin0 )
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
–天线照射方向q0由移相器的相移量j 决定 –在q0方向，各阵元辐射场由波程差引起的相位
差正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相
相加获最大值，F(q0)=1 –改变j 值，就可改变波束指向角q0 ，从而形成
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
–各阵元在q方向远区某点辐射场的场强矢量和为
E( ) E0 E1 Ei EN 1
–等幅馈电时，各阵元在该点辐射场的振辐为E。
以0号阵元为相位基准，则
E( )
N 1
E e jk ( )
E
sin
N 2
(
)
ej
N 1( 2
)
k 0
sin
1 2
(
)
l2
相 加 波导
多波束形成技术
波束2 波束1
波 束 2相 加
射频延迟线多 波束形成系统
波 束 1相 加
波束1 接收机
波束2 接收机
波
束
高度
选
计算机
择
显示器
器
第3章 连续波雷达
• 多波束形成技术（续）
多波束形成技术
1 23
本振
混频 中放
混频 中放
混频
中放 波束1
抽
中频延迟多波
头
束形成系统
延 迟
线
波束2 波束3
d
1
| sin sin 0 |
二维数字波束形成原理
二维数字波束形成原理
二维数字波束形成是一种通过合理的信号处理技术来实现无线通信中发射和接
收信号的方向性控制的技术。
它基于阵列天线的工作原理，通过将多个单元天线组合在一起，形成一个阵列，从而实现对信号的波束形成。
在二维数字波束形成中，每个单元天线可以独立调节相位和幅度，并通过计算
进行相位和幅度的优化。
通过对每个单元天线的控制，可以实现波束的定向，将发射或接收的信号集中在希望的方向上。
在发射时，通过控制每个单元天线的相位和幅度，将信号合理传输到特定的方向。
这种特定方向的区域被称为波束，它可以使得发送信号在特定方向上具有更高的功率和可达性，同时减少了在其他方向上的传输。
在接收时，二维数字波束形成可以帮助系统抑制干扰信号，并提高接收信号的
质量。
通过合理的信号处理算法和相位控制，可以将主要能量集中在期望的方向上，从而提高系统的信噪比和性能。
总的来说，二维数字波束形成利用了阵列天线的特性和信号处理技术，实现对
无线通信中信号的定向传输和接收。
它能有效地提高系统的传输距离、覆盖范围和抗干扰能力，为无线通信系统的性能提供了有力的支持。
数字波束形成dbf原理
数字波束形成（Digital Beamforming，DBF）是一种电子扫描技术，它可以通过合理的信号处理算法，将天线阵列接收到的来自不同方向的信号加以加权合成，形成一个“虚拟”的波束，从而实现对目标的有效探测和跟踪。
数字波束形成技术在雷达、卫星通信、无线电通信等领域得到了广泛应用。
数字波束形成的原理主要包括以下几个步骤：
1、信号采集：将天线阵列接收到的来自不同方向的信号采集下来。
2、信号预处理：对采集到的信号进行一些预处理，如去除噪声、校正失配等，以提高信号质量。
3、信号转换：将采集到的模拟信号转换为数字信号。
4、波束形成：根据天线阵列的空间结构和信号处理算法，对不同方向的信号进行加权合成，形成一个“虚拟”的波束，从而实现对目标的有效探测和跟踪。
5、信号解调：将合成的信号解调后得到目标信息，如目标位置、速度等。
6、显示输出：将目标信息进行显示和输出。
数字波束形成技术的关键在于波束形成算法的设计和优化，常用的算法包括波束赋形算法、最小方差无失真响应算法、阵列信号处理算法等。
这些算法可以根据具体的应用场景和性能要求进行选择和调整，以达到最佳的波束形成效果。
数字波束形成解模糊技术的研究与实现的开题报告
数字波束形成解模糊技术的研究与实现的开题报告
一、研究背景及意义
数字波束形成技术广泛应用于雷达、无线通信等领域，能够实现方向性较强的信号接收和传输，并且可以消除多径效应，提高信号的可靠性。
数字波束形成可以达到避免高速运动平台中的信号畸变和降噪的作用，应用效果非常显著。
数字波束形成解模糊技术是数字波束形成技术的核心部分之一，对于提高雷达及通信系统的性能和应用范围具有重要意义。
二、研究内容及目标
本论文将针对数字波束形成解模糊技术进行深入研究，主要内容包括：
1. 数字波束形成技术的基础理论及相关算法
2. 数字波束形成解模糊的原理及方法
3. 解模糊的性能参数分析和优化研究
本文的研究目标主要是：
1. 实现数字波束形成解模糊技术的相关算法
2. 验证解模糊技术在信号接收和传输中的实际效果
3. 分析解模糊技术的性能，进一步优化相关指标。
三、研究方法及流程
本研究主要采用实验与理论相结合的方法，包括以下步骤：
1. 深入研究数字波束形成解模糊技术的原理、方法及相关算法。
2. 设计实验平台，采集实际信号，利用MATLAB等数学软件进行数据处理，测试解模糊的性能指标。
3. 利用实验结果不断优化解模糊技术，并对其性能进行分析。
四、预期结果及意义
本研究的预期结果为：
1.实现数字波束形成解模糊技术，并进行实验验证。
2.分析解模糊技术的性能指标，包括抗噪性能、解析精度等。
3.对数字波束形成解模糊技术的应用和发展趋势进行归纳总结。
该研究对于提高雷达、无线通信等领域系统的性能，进一步扩大应用范围，促进技术进步，具有重要意义。
数字波束形成(DBF)
则相应的阵输入的复基带信号矢量为
L
xs (n) sl (n)a(l , l ) l 1
a(1,1),
s1(n)
,
a(
L
,
L
)
sL (n)
As(n)
(9.2.10)
阵列对信号的方向矩阵 A a((11,,11)),, a((LL,,LL))
信号矢量 s(n) [s1(n),,sL(n)]T
7
带噪声的阵输入矢量可写成：
x(n) xs (n) n(n) As(n) n(n)
x(n) sl (n)a((ll ,,ll)) n(n) l
n(n) [n1(n),, nM (n)]T
E ni (n)n*j (n)
2
0
i j i j
8
对于间距为d的M元均匀线阵，
第m阵元的位置矢量为
2
§9.1数字波束形成(DBF)概述
9.1.1 波束形成
时域滤波器 在通带频率范围内通过需要信号， 在阻带频率范围内滤除或抑制不需要信号或干扰。
时间频率滤波器频率响应H(f) 当输入为等幅正弦波时滤波器输出与时间频率f的关系
。
3
在空域滤波中，对应于时间频率的空间频率为 1 sin
时间频率滤波器对应于空间频率滤波器，空域滤波器。
相移
( ,
)
m ( ,
)
(
/
c)rmTβ( ,
)
2
rmTk( ,
)
(9.2.3b)
k((,)) k β((,) 2 β((,)) (9.2.4)
5
s(t m ( ,)) s(t)
式(9.2.2)可表示为： xsm (t) s(t)e e jt jm ((,))
数字波束形成-DBF
最小均方误差
SNR
Signal to Noise Ratio
信噪比
MVDR
Minimum Variance Distortionless Response
最小方差无畸变法
RLS
Recursive Least square
递归最小二乘
第1章绪论
1.1
信号是信息的载体与表现形式,信息蕴含在信号的某些特征之中。信号处理的目的就是提取、恢复和最大限度的利用包含在信号特征中的信息。信号处理技术早期的研究主要集中在一维信号处理中,并在一维信号处理与分析中取得了很多重要成果。随着信号处理技术的发展,人们将传感器布置在空间的不同位置而组成传感器阵列,用传感器阵列对空间信号进行接收和釆样,将信号处理技术从时域扩展到空域,开辟了空域阵列信号处理这一技术领域[9]。
关键词：数字波束形成、自适应波束形成、智能天线、最小均方误差、最大信噪比、最小方差
ABSTRACT
With the development of high-speed, ultra high-speed signal acquisition, transmissionand processing technology, digital array radar has became an important trend in thedevelopment of modern radar technology. Digital beamforming (DBF) technology usesadvanced digital signalprocessingtechnology to process the signal received by antenna array.It can improve the anti-jamming ability of radar systemgreatlyanditis one of the keytechnology。Itis the core of the smart antenna technology in wireless communicationtoo。
数字波束成形算法
数字波束成形算法
数字波束成形算法是一种信号处理技术，用于在接收到多个传感器的信号时，将它们合并成一个具有更好空间分辨率的信号。
该算法基于超声成像技术，被广泛应用于医学、工业和军事等领域。
数字波束成形算法的核心是利用信号处理技术对传感器采集的
数据进行处理，将来自不同方向的信号叠加在一起，产生一个具有更好方向性的信号，从而提高检测的准确性和可靠性。
该算法的主要步骤包括：数据采集、数字滤波、相干信号处理和成像显示等。
在医学领域，数字波束成形算法被广泛应用于超声诊断中，能够帮助医生更准确地诊断疾病，如肿瘤、心脏病等。
在工业领域，该算法能够用于检测金属缺陷、裂纹等物品的质量问题。
在军事领域，数字波束成形算法能够用于雷达系统的信号处理，提高目标检测的能力。
随着技术的不断进步，数字波束成形算法也在不断地优化和改进，未来将会有更多的应用场景。
- 1 -。
数字波束形成原理
数字波束形成原理哎呀，数字波束形成原理啊，这玩意儿听起来就挺高大上的，对吧？不过别担心，我尽量用大白话给你讲讲这玩意儿到底是怎么一回事。
首先，咱们得聊聊波束形成。
想象一下，你手里拿着一个手电筒，晚上出门的时候，你一按开关，光就直直地射出去。
这个光束，就是波束。
现在，如果我们有好几个手电筒，把它们排成一排，同时打开，这些光束就会重叠在一起。
如果我们把这些手电筒稍微调整一下角度，让它们的光束在远处的某个点上汇聚，那这个点就会特别亮。
这就是波束形成，把多个波束聚集到一起，增强某个方向的信号。
好，现在咱们来聊聊数字波束形成。
这个数字啊，其实就是用计算机来处理信号。
就像你用手机拍照，手机里的处理器会处理这些照片，让它们看起来更清楚。
数字波束形成也是这么回事，只不过它处理的是波束信号。
我记得有一次，我去海边玩，看到那些船上的雷达，它们就是用数字波束形成技术来工作的。
雷达发射出去的信号，遇到障碍物就会反射回来。
雷达接收到这些反射回来的信号，计算机就会分析这些信号，计算出障碍物的位置和距离。
这个过程，就像是你用手电筒照东西，然后看反射回来的光，判断前面是什么东西。
数字波束形成的原理，其实就像是你在玩拼图游戏。
你有很多小块，每一块都是一个信号片段。
你要做的就是把这些小块拼在一起，形成一个完整的图像。
计算机会用一种叫做“算法”的东西，来帮你找到正确的拼图方式。
这个算法就像是你的拼图指南，告诉你哪一块应该放在哪里。
说起来，数字波束形成的原理，其实和我们平时聊天也挺像的。
你和朋友聊天，每个人说的话就像是一个个信号片段。
你得把这些话拼在一起，才能理解整个故事。
有时候，如果有人说话声音太小，或者被背景噪音盖住了，你就得用点技巧，比如靠近点听，或者让他们再说一遍。
数字波束形成也是，它得用算法来“听”清楚那些被干扰的信号。
总之呢，数字波束形成原理，其实就是用计算机来处理波束信号，让它们在某个方向上变得更强。
这就像是你用手电筒照东西，然后调整手电筒的角度，让光束在某个点上汇聚。
数字波束形成
－ ＋
同相
0
M
波前
Nd c o
s
0
M′
扫描时的波束宽度
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 发射能量一定，0，波束 ，天线增益
– 波束扫到0方向，天线有效口径是真实口径在等 相位面上的投影，对一维线阵有As=Acos0，尺 寸减小，此时波束指向处的天线增益为
– 空域匹配滤波
• 阵列空间响应，阵列信号流型 • 多个信号模型 • 空域匹配滤波，同相相加 • 波束副瓣抑制 • 多波束形成
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
G ( 0 ) 4As源自24A
2
cos 0
o o
– 波束扫描角范围通常限制在±60 或 ±45 内。 o 若要覆盖整个360 ，一般要用三至四个天线阵
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 各阵元有指向性时，若所有阵元的阵元方向图 Fe() 一致，则总的阵列天线方向图等于阵方向 图F( )与阵元方向图Fe()之积，即 FN ( ) = Fe ( ) ·F( )
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 天线照射方向0由移相器的相移量 决定
– 在0方向，各阵元辐射场由波程差引起的相位差 正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相相 加获最大值，F(0)=1 – 改变 值，就可改变波束指向角0 ，从而形成波 束扫描 – 方向图最大值方向同相波前垂直 – 由天线收发互易原理，接收天线，结论相同
matlab的dbf数字波束形成算法
MATLAB是一种强大的数学计算软件，广泛应用于科学和工程领域。
数字波束形成（DBF）算法是一种用于天线阵列信号处理的技术，它可以通过对接收到的信号进行加权和相位调控来实现信号的聚焦和定向。
在MATLAB中，有许多内置的工具和函数可以帮助工程师和科学家实现数字波束形成算法。
在本篇文章中，我们将深入探讨MATLAB中数字波束形成算法的实现。
我们将从基本的概念和原理开始讲解，逐步介绍MATLAB中的相关函数和工具，最后给出一个实际的案例分析。
1. 数字波束形成算法的基本原理数字波束形成算法是基于天线阵列的信号处理技术，它利用天线阵列的空间多样性来实现信号处理和定向。
其基本原理可以简单概括为以下几点：1.1. 天线阵列接收信号后，通过加权和相位调控来实现对信号的聚焦和定向。
1.2. 加权和相位调控可以通过控制天线阵列中每个天线的权重和相位来实现。
1.3. 数字波束形成算法可以实现对特定方向的信号增强，从而提高信噪比和接收性能。
了解了数字波束形成算法的基本原理，接下来我们将探讨MATLAB中的相关工具和函数，以及如何利用MATLAB实现数字波束形成算法。
2. MATLAB中的数字波束形成算法工具和函数MATLAB提供了丰富的工具和函数来支持数字波束形成算法的实现。
其中，信号处理工具箱和通信工具箱中包含了许多专门针对天线阵列和数字波束形成的函数和工具。
2.1. 在信号处理工具箱中，我们可以找到诸如beamform和phased 数组系统这样的函数和工具，它们可以帮助我们实现数字波束形成算法中的加权和相位调控。
2.2. 在通信工具箱中，我们可以找到诸如phased.Radiator和phased.SteeringVector这样的函数和工具，它们可以帮助我们模拟天线阵列的辐射和波束形成过程。
除了这些内置的函数和工具，MATLAB还提供了丰富的示例代码和文档，帮助工程师和科学家快速上手并实现数字波束形成算法。
基于apes算法数字波束形成和doa估计方法
基于apes算法数字波束形成和doa估计方法引言概述：数字波束形成（Digital Beamforming）和方向性到达角（DOA）估计是无线通信和雷达系统中重要的信号处理技术。
本文将介绍基于APES（Amplitude and Phase Estimation）算法的数字波束形成和DOA估计方法。
正文内容：1. 数字波束形成1.1 波束形成概述：数字波束形成是一种通过合成阵列天线的输出信号，以增强特定方向的信号，抑制其他方向的干扰信号的技术。
1.2 APES算法原理：APES算法是一种高分辨率的波束形成方法，它通过最小化误差函数来实现波束形成，具有较好的抗干扰性能和较高的分辨率。
1.3 APES算法步骤：APES算法的步骤包括估计信号的自相关矩阵、计算自相关矩阵的逆矩阵、计算权重向量和合成输出信号。
2. DOA估计方法2.1 DOA估计概述：DOA估计是一种通过接收阵列天线的信号，确定信号来自的方向角的技术。
2.2 APES算法原理：APES算法可以用于DOA估计，它通过估计信号的相位差来确定信号的到达角度。
2.3 APES算法步骤：APES算法的DOA估计步骤包括估计信号的自相关矩阵、计算自相关矩阵的逆矩阵、计算权重向量和计算DOA角度。
3. 数字波束形成和DOA估计的性能分析3.1 分辨率：APES算法具有较高的分辨率，可以准确地估计信号的到达角度。
3.2 抗干扰性能：APES算法能够有效抑制干扰信号，提高系统的抗干扰能力。
3.3 计算复杂度：APES算法的计算复杂度较高，对硬件资源要求较高。
4. 数字波束形成和DOA估计的应用领域4.1 无线通信系统：数字波束形成和DOA估计可以提高无线通信系统的信号质量和系统容量。
4.2 雷达系统：数字波束形成和DOA估计可以提高雷达系统的目标检测和跟踪能力。
4.3 无线传感网络：数字波束形成和DOA估计可以提高无线传感网络的能量效率和传输可靠性。
5. 发展趋势和挑战5.1 多信号源估计：未来的研究方向是利用APES算法进行多信号源的波束形成和DOA估计。
10 数字波束形成解析
等幅加权主瓣3dB波束宽度：
0.5 0.886 (Md )
式中λ雷达波长，d阵元间距， M阵元数
空域滤波
M
非等幅加权可抑制旁瓣， 但主瓣展宽
2018/10/6
哈尔滨工业大学电子工程系
6
数字波束形成DBF (Digital BeamForming)原理
数字波束形成
2018/10/6
哈尔滨工业大学电子工程系
. . . .
阵元2
阵元1
1 r
海杂波 目标
Y ( ) [am e jm r ]e jm
m 1
M
上式是典型的傅立叶变换公式。实际阵列输入信号x=s+n，阵列输出功率为： P(φ) = |Y(φ)|2 = wHxxHw E[P(φ)] = wHRxxw 这相当于利用周期图(periodogram)法对时间序列进行谱分析，因而可采用现有的谱 分析结论。
等间距线性阵列模型
等间距线性阵列示意图如右图所示， 阵列由M个相同阵元组成，所有阵元排列在
一条直线上，相互间距均为d。则对于远场
目标，其回波将以平面波形式入射到阵列上， 阵列输出的信号矢量将是该回波场的空域采样。 在窄带信号条件下，由于对同一远场目标 回波，相邻阵元间存在线性路程差关系，因此 等间距线阵输出信号矢量幅度相同，仅存在线性 相位差，即入射信号矢量的元素（第m个阵元
阵列信号采样的空时等价性
将空域阵列对单目标回波的采样序列amexp[jmψr]=amexp[j2π(cosφr)(md/λ)]与时 域单频信号的采样序列形式snexp[j2πfsn∆t]相比较，得到如下空时对偶特性：
空域单目标回波 采样序列 信号频率 连续变量 采样间隔 采样点数 采样序号
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• 大量低功率固态源取代易损坏的高电压、 大 功率发射机，系统可靠性提高
• 固态阵和数字波束形成及阵列信号处理技术 相结合，天线性能改善潜力大
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
• 相控阵雷达简介（续）
– 移相器：实现相扫的关键器件
– 对移相器的要求： • 移相精确、性能稳定、频带和功率容量大、 便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体 积小、重量轻等
• 多功能、多波束、自适应抗干扰
– 缺点：
• 波束宽度随扫描方向变化
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
• 相控阵雷达简介（续）
– 移相器控制波束的发射与接收
– 无源阵：收发共用一个或几个发射机和接收机 – 有源阵：每个阵元都连有可提供所需辐射功率 的收发（Ｔ/Ｒ）固态组件，即都是有源的 • 固态组件的功率源是低功率的
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 天线照射方向0由移相器的相移量 决定
– 在0方向，各阵元辐射场由波程差引起的相位差 正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相相 加获最大值，F(0)=1 – 改变 值，就可改变波束指向角0 ，从而形成波 束扫描 – 方向图最大值方向同相波前垂直 – 由天线收发互易原理，接收天线，结论相同
• 无方向性
• 等幅同相馈 电 • 相邻阵元激 励电流相位 差为
d sin
d 0 0
d
1 2
2 k
k
(N－ 1) N－ 1
0 sin
1
d 2 /
N元直线相控阵天线
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 各阵元在方向远区某点辐射场的场强矢量和为
现代雷达技术
第4章 相控阵雷达
第3章 连续波雷达
本章介绍
• 本章简介
– 相控阵雷达简介
– 多波束形成技术 – 相扫基本原理 – 空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
• 相控阵雷达简介
– 相位控制阵列：多个天线单元排成，各阵元馈电 相位按一定程序灵活控制，完成特定的空间扫描
– 优点： • 相扫，无机械惯性，快速波束捷变 • 多目标、远距离、高数据率、高可靠性
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 栅瓣问题
• 在 -90 ~90 内线阵单值测角条件： d ≤ /2 • 当 d ＞ /2 时，在 -90 ~90 内将出现栅瓣 • 波束域（空域频谱）混迭现象：栅瓣是主瓣 在其它方向上的再现，空间信号欠采样
栅瓣
…
o
o
o
o
主瓣
栅瓣
…
副瓣
－ 0
πd
(sin sin 0 )
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
• 方向图函数
Nd sin (sin sin 0 ) 1 F ( ) N d sin (sin sin 0 )
• 当 (Nd /)(sin - sin0) = 0, …, ±n （n为整 数）时，分子为0 ，若分母不为0 ，F() = 0 • 当 ( d /)(sin - sin0) = 0, …, ±n （n为整 数）时，分子分母同为0，F() = 1，即F() 可能出现多瓣
– 移相器的种类：
• PIN二极管移相器、铁氧体移相器、数字式移 相器等
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
• 多波束形成技术
– 收发都用多波束
– 接收多波束，发射宽波束，收发覆盖相同空域 – 接收多波束用得较多，因为： • 功率弱，技术上易实现，控制和处理灵便 – 多波束形成方法 • 射频延迟线、中频延迟线、移相法、脉内频 扫、数字波束形成（DBF）
混频 本振 中放
混频
混频
中放
中放 波束 1
中频延迟多波 束形成系统
抽 头 延 迟 线
波束 2
波束 3
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
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• 多波束形成技术（续）
混频 本振 中放
混频Βιβλιοθήκη 混频中放中放 波束 1
中频延迟多波 束形成系统
抽 头 延 迟 线
波束 2
波束 3
第3章 连续波雷达
－0 ＋0
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
• 多波束形成技术（续）
定向 耦合器
l1 l2
d
2 束 波
波束 1 相加 波导
波束 1相加 波束 2相加 波束 1 接收 机 波 束 选 择 器 高 度 计算 机 显示 器
射频延迟线多 波束形成系统
波束 2 接收 机
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
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• 多波束形成技术（续）
• 各阵元辐射功率在空间进行合成
• 各阵元辐射信号间相位关系固定，即相参
• 各阵元的相位和振幅分布可按要求控制
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
• 相控阵雷达简介（续）
– 有源阵的优点:
• 功率源直接联在阵元后面，馈源和移相器的 损耗不影响雷达性能；接收机噪声系数由T/R 组件中的低噪声放大器决定 • 阵元馈源和移相器功率容量低，轻便廉价
E( ) E0 E1 Ei EN 1
– 等幅馈电时，各阵元在该点辐射场的振辐为E。 以0号阵元为相位基准，则 N sin ( ) j N 1( ) N 1 2 2 jk ( ) E ( ) E e E e 1 k 0 sin ( ) 2 – 式中 2dsin / 为波程差引起的相邻阵元辐射场 相位差
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 当 = 时，各分量同相相加，场强幅值最大 | E( ) |max NE
– 定义归一化方向性函数为 | E ( ) | F ( ) | E ( ) |max
N Nd sin ( ) sin (sin sin 0 ) 1 1 2 N N 1 d sin ( ) sin (sin sin 0 ) 2
多波束形成技术
• 多波束形成技术（续）
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d 放大 器 放大 器
d 放大 器
0＋
0
0－
0
0
0
0－
0
0＋
移相法实 现多波束
相加
相加
相加
波束 1 波束 2 波束 3
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理
– 通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描
– 假定所有阵元