影响阵列波束形成的几个相关问题的研究
阵列自适应波束形成及空时自适应处理方法研究
阵列自适应波束形成及空时自适应处理方法研究阵列自适应波束形成及空时自适应处理方法研究一、引言随着无线通信技术的不断发展和应用，阵列自适应信号处理的研究与应用越来越重要。
作为一种传统的信号处理技术，波束形成已经广泛应用于雷达、无线通信、声纳等领域。
而阵列自适应波束形成则是对传统波束形成方法的一种改进和完善，通过利用阵列天线的多径信道响应和干扰域上的统计特征，实现了自动跟踪和自适应增益控制。
二、阵列自适应波束形成的基本原理阵列自适应波束形成的基本原理是利用阵列天线的多个元件接收到的信号之间的相位和幅度差异，通过加权和相加的方式形成具有指向性的波束。
使得接收波束的指向性最大，从而抑制其他方向的干扰和噪声。
在空间波束形成的过程中，首先需要确定接收信号的传播关系，即阵列天线上的接收效应，然后通过一系列的滤波和加权处理，实现波束形成。
三、空时自适应处理方法1. LMS算法最小均方（LMS）算法是一种运用最小均方差准则的一种自适应滤波算法，它的主要思想是：通过不断的调整滤波器的权值，使滤波器的输出与期望响应尽量接近，从而实现滤除干扰和噪声的目的。
LMS算法的主要缺点是收敛速度较慢，对于信号的非平稳性和干扰的复杂性处理效果不佳。
2. RLS算法递归最小二乘（RLS）算法是一种具有较快收敛速度和较好处理效果的自适应滤波算法。
其核心思想是通过最小化预测误差平方的期望，使滤波器的输出与期望响应尽量接近。
该算法采用递归的方式，能够在每次输入一个新的样本时更新滤波器的权值，从而在实时性要求较高的应用场景具有优势。
3. BSS算法盲源分离（BSS）算法是一种利用统计学原理对混合信号进行分离的算法，可应用于信号处理和通信中的多路径干扰消除、噪声抑制等问题。
BSS算法将观测信号模型化为多个源信号按一定比例线性叠加的形式，并利用源信号之间的统计特性进行分离。
四、阵列自适应波束形成与空时自适应处理方法的研究应用阵列自适应波束形成和空时自适应处理方法在通信和雷达领域得到了广泛应用。
一种抗阵列流型误差的波束形成零陷展宽方法
一种抗阵列流型误差的波束形成零陷展宽方法赵宇;李文兴;毛晓军;张宁【摘要】针对现有波束形成零陷展宽方法在阵列流型误差情况下性能严重下降的问题,提出了一种抗阵列流型误差的零陷展宽方法.该方法首先利用不确定集优化方法,对预定区域内的干扰导向矢量进行校正,再结合协方差矩阵锐化技术构造一个零陷展宽投影矩阵,对采样协方差矩阵做投影处理,最后用投影处理后的协方差矩阵进行波束形成.仿真结果表明:所提方法在阵列流型误差的情况下,与现有波束形成零陷展宽方法相比具有更好的零陷展宽效果和输出性能,且计算复杂度很低,是一种先进的稳健波束形成零陷展宽方法.%To address the serious degradation of the performance of existing null broadening beamforming when array calibration errors exist, a null broadening beamforming method against array calibration errors was proposed.In the method, uncertain quadratic optimization was utilized to correct the steering vectors of interferences in the predeter-mined area.Covariance matrix taper technology was then combined to construct a null broadening projection ma-trix, which was used to implement projection processing for the sampling covariance.Finally, the covariance matrix that experienced projection processing was used for beamforming.In case of array calibration errors, the proposed method presented better effect and output performances than the present null broadening beamforming method.Mo-reover, the computational complexity of the proposed method is low.The proposed technique is an advanced and robust null broadening beamforming method.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)001【总页数】6页(P163-168)【关键词】自适应波束形成;零陷展宽;阵列流型误差;投影变换;协方差矩阵锐化【作者】赵宇;李文兴;毛晓军;张宁【作者单位】哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;北京机电工程研究所,北京100074【正文语种】中文【中图分类】TN911.7自适应波束形成技术通过调整加权矢量，能够在干扰方向形成零陷，抑制干扰和噪声，被广泛应用于雷达、声呐、射电天文学、移动通信等领域[1-3]。
相控阵相位差
相控阵相位差相控阵相位差是相控阵雷达或超声波成像中的一个重要概念。
相控阵技术是通过调整和控制阵列中各个发射或接收元件的信号相位，以改变波束的指向性。
相位差是指相邻阵列元素之间的相位差异，影响了阵列形成的波束方向和特性。
以下是相控阵相位差的详细介绍：1. 相控阵技术概述：相控阵技术是一种通过动态控制阵列中的每个元素的相位，使得波束方向可以在空间中任意方向调整的技术。
这种技术在雷达、声纳、医学超声波成像等领域得到广泛应用。
2. 相位差的定义：相位差是指相邻阵列元素之间的相位差异。
相控阵系统中，通过调整每个元素的相位，可以形成一个特定方向的波束。
相位差的大小和方向决定了波束的指向。
3. 影响波束形成的因素：相位差的大小：相位差越大，波束的指向性越强，波束越集中；相位差越小，波束越宽泛。
相位差的方向：相位差的方向决定了波束的指向，可以在水平方向、垂直方向或其他方向上调整波束。
4. 调整相位差的方式：硬件调整：通过调整阵列元素的相位控制器，直接改变硬件上的相位差，实现波束调整。
数字信号处理：在数字信号处理中，通过改变每个阵列元素的相位来实现波束的调整，这通常通过复杂的算法实现。
5. 波束调整和目标追踪：相位差的调整可以用于追踪目标。
通过改变波束方向，可以实现对目标的追踪和定位，提高系统的灵活性和响应速度。
6. 应用领域：雷达系统：在雷达系统中，相控阵技术广泛用于目标追踪和空中监视。
声纳系统：在水下声纳系统中，相控阵技术用于定位和跟踪水下目标。
医学超声波成像：在医学领域，相控阵技术用于超声波成像，提高图像分辨率和诊断能力。
相控阵相位差的合理调整对于提高系统性能、实现目标追踪、改善成像质量等方面都至关重要。
在设计和应用中，需要根据具体情况合理调整相位差，以满足特定应用的要求。
超声相控线阵探头参数对波束形成的影响研究
超声相控线阵探头参数对波束形成的影响研究张永宏;任伟;葛武健【摘要】超声探伤是工业中常用的一种无损检测方法，在实际探伤过程中，正确选择超声波探头参数对探伤效果十分明显，具有重要意义。
以往为了表征探头特性，常引入探头参数对指向性的影响，但探头类型不尽相同，指向性函数的类型也有所不同。
为减小主瓣宽度角，降低旁瓣幅度，保证探伤效果，文中基于波束形成算法理论，建立回波合成信号模型，优化参数使其简化，模型简单，通过仿真分析了不同超声相控线阵探头的阵元数、阵元间距、宽度以及探头频率对波束形成的影响并总结出规律，有助于选择探头参数，为超声相控线阵探头的设计提供了依据。
%Ultrasonic flaw detection is a commonly used industrial non-destructive testing method.In the actual testing process,the correct choice of parameters on the ultrasonic probe is of key important.In the past,to characterize the probe character-istics,the directional effects on the probe parameters are often introduced.But the type of the probeis different,and types of direc-tivity function are different.In order to reduce sidelobes,minimize the width of main lobe and ensure testing results,based on algo-rithm theory,this paper established and simplified a simple synthetic echo signal model.The influence of different array elementnumber,element spacing,element width and frequency of the probe on beam forming field produced by a linear phased array trans-ducer were systematically analyzed through the emulation mode.It can be used to guide the correct choice of parameters of the de-tection probe,thus providing the basis for the design of linear phased array transducer.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】4页(P134-136,141)【关键词】超声探伤;线阵探头;波束形成;探头参数【作者】张永宏;任伟;葛武健【作者单位】南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044;南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044;南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044【正文语种】中文【中图分类】TH8780 引言超声相控阵技术[1]基于传统的超声技术的基础上，探头无需移动的情况下实现波束的聚焦和偏转，一般是在超声信号接收时进行声束合成，即对阵列中各阵元接收的超声信号延时叠加，进而得声束合成扫描线。
波束形成基础原理总结
波束赋形算法研究包括以下几个方面:1.常规的波束赋形算法研究。
即研究如何加强感兴趣信号,提高信道处理增益,研究的是一般的波束赋形问题。
2.鲁棒性波束赋形算法研究。
研究在智能天线阵列非理想情况下,即当阵元存在位置偏差、角度估计误差、各阵元到达基带通路的不一致性、天线校准误差等情况下,如何保证智能天线波束赋形算法的有效性问题。
3.零陷算法研究。
研究在恶劣的通信环境下,即当存在强干扰情况下,如何保证对感兴趣信号增益不变,而在强干扰源方向形成零陷,从而消除干扰,达到有效地估计出感兴趣信号的目的。
阵列天线基本概念（见《基站天线波束赋形及其应用研究_白晓平》）阵列天线（又称天线阵）是由若干离散的具有不同的振幅和相位的辐射单元按一定规律排列并相互连接在一起构成的天线系统。
利用电磁波的干扰与叠加，阵列天线可以加强在所需方向的辐射信号，并减少在非期望方向的电磁波干扰，因此它具有较强的辐射方向性。
组成天线阵的辐射单元称为天线元或阵元。
相邻天线元间的距离称为阵间距。
按照天线元的排列方式，天线阵可分为直线阵，平面阵和立体阵。
阵列天线的方向性理论主要包括阵列方向性分析和阵列方向性综合。
前者是指在已知阵元排列方式、阵元数目、阵间距、阵元电流的幅度、相位分布的情况下分析得出天线阵方向性的过程；后者是指定预期的阵列方向图，通过算法寻求对应于该方向图的阵元个数、阵间距、阵元电流分布规律等。
对于无源阵，一般来说分析和综合是可逆的。
阵列天线分析方法天线的远区场特性是通常所说的天线辐射特性。
天线的近、远区场的划分比较复杂，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。
因此，在分析天线辐射特性时观察点距离应远大于天线总尺寸及三倍的工作波长。
阵列天线的辐射特性取决于阵元因素和阵列因素。
阵元因素包括阵元的激励电流幅度相位、电压驻波比、增益、方向图、极化方式，阵列因素主要包括阵元数目、阵元排列方式、阵元间距。
LCMV波束形成器算法研究的开题报告
LCMV波束形成器算法研究的开题报告一、选题背景波束形成技术是一种将多个单元阵列/远场点信号进行合成，产生一个方向性高的复合天线的技术。
在现代通信和雷达系统中，波束形成是一项重要的技术。
对于通信系统来说，它可以提高信噪比、在复杂的多径和干扰环境中提高信号质量。
在雷达系统中，它可以增加雷达的发射能量和接收灵敏度，提高目标探测率和跟踪精度。
因此，波束形成技术在通信和雷达系统的应用上有着广泛的应用。
在波束形成技术中，线性约束最小方差（LCMV）算法是一种广泛应用的波束形成算法。
LCMV算法可以通过调整权重系数，抑制不必要的信号干扰和噪声干扰，使得目标信号的信噪比得到增强，从而提高系统的性能。
因此，对于LCMV算法的研究和优化有着重要的意义。
二、研究内容本项目的研究内容为LCMV波束形成器的算法研究。
首先将针对LCMV算法进行深入的分析和研究，并结合实际问题，提出一种更加高效和实用的LCMV算法。
同时考虑到信号干扰和噪声干扰的问题，将在算法中采用适当的抑制方法，提高信噪比和抗干扰能力。
最后将对算法进行仿真测试和性能分析，评估算法的可行性和实用性。
三、研究意义本项目的研究针对LCMV波束形成器的算法，在通信和雷达系统中有着广泛的应用。
该研究的成果将具有以下几个方面的意义：1、提高通信和雷达系统的性能，增强目标信号的信噪比和抗干扰能力，提高探测率和跟踪精度。
2、为研究和设计更加高效和实用的波束形成算法提供经验和参考。
3、加深对LCMV算法的理解，促进其在其他应用领域的研究和应用。
四、研究方法本项目将采取以下研究方法：1、对LCMV算法进行深入的分析和研究，理解其基本原理和关键技术。
2、结合实际问题，提出一种更加高效和实用的LCMV算法，并考虑对信号干扰和噪声干扰的抑制方法。
3、对算法进行仿真测试和性能分析，评估其可行性和实用性。
五、预期结果本项目预期达到以下几个方面的结果：1、深入理解LCMV算法的原理和关键技术。
小尺度阵列稳健的波束形成方法仿真研究
Ｓ ｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｏ ｉ ｌ ｔ ｈ ｅ Ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ Ｐａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ
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（ Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｘ ｉ ａ ｎ Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ ７ １ ０ ０ ７ ２， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｌ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ａ ｎ ａ ｑ ｕ ａ ｔ ｒ ｅ ｒ ｗａ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ．Ｔ ｈ ｅ ｐ ｕ ｒ ｐ ｏ ｓ ｅ ｉ ｓ ｔ ｏ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ａ ｒ ａ ｙ ｂ ｅ ａ ｍ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ．Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ａ ｓ ｍａ ｌ ｌ ａ ｐ ｅ ｔ ｒ ｕ ｒ ｅ ａ ｒａ ｙ ，ｉ ｔ ｉ ｓ ｄ ｉ ｆ ｉ ｆ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙ ｔ ｏ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｇ ｏ ｏ ｄ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ｈ ｉ ｇ ｈ ｇ ａ ｉ ｎ ．Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｎ ｉ ａ ｔ ｕ ｉ ｒ ｚ ｅ ｄ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ａ ｒａ ｙ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｆ ｏ ｕ ｒ ｂ ｅ ａ ｍ ｏｒ ｆ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｌ ｇ ｏ ｉ ｒ ｔ ｈ ｍｓ ，ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｗｈ ｉ ｔ ｅ
阵列多波束三坐标雷达的数字波束形成及信号处理技术研究
１ 引 言
相对 于两 坐标雷 达 而 言 ， 坐标 雷 达 因 能 同时 获 三 得 目标方 位 、 离 、 角 等 三维 坐 标 参数 ， 目标 的定 距 仰 对
位更 加准确 ， 够 同时发现 、 能 录取 、 踪 多批 目标 ， 跟 而受
电扫和一维电扫技术得到并行发展。方位和俯仰波束
上相 位扫 描的 阵列 多 波 束 三坐 标 雷 达 ， 通过 采 用 发射
搜索雷达中， 方位和仰角多采用纯机械扫描 ， 虽然简单 经济 ， 但存在数据率低和处理 目标批数受限等问题 ； 电 扫描具有可实现无惯性波束扫描 、 目标容量大 、 数据率
高、 可实现 边扫描 边跟 踪 、 部雷 达可实 现多种 功能 以 一 及抗 干扰性 能好 、 环境适 应能 力强 等优点 ， 成为 三坐标 雷 达发展方 向。 目前 ， 根据不 同的战术背 景需 求 ， 两维
ｄ ｍｅ ｉｎ ｌｐ ａ ｅ ｓ ａ ｎ ｎ ｎ ｅｅ ａｉｎ ｉ ｄ ． Ａｎ ｌ ｓｓ ｉ ｄ ｎ ｉ ｌ ｔ ｎ ｉ ｏ ｅ ｆｒ ｔ ｅ ｉ ｎｓｏ ａ ｈ ｓ ｃ ｎ ｉ ｇ ｉ ｌｖ ｔｏ ｓ ｍａ ｅ ａｙ ｉ ｓ ｍａ ｅ ａ ｄ ｓｍｕ ａｉ ｓ ｄ ｎ ｏ ｈ ｏ
ａ ａ ｙ ｉ ｓ ｃ ｒｅ ｔａ ｄ ｆ ａ ｉ ｌ ｎ ｓａ ｌｓ ｅ ｏ ｄ ｂ ｓｓ ｆｒｅ ｇｎ ｅ ｉｇ ｉ ｌｍｅ ｔ ｔ ｎ ｎ ｌｓｓｉ ｏ ｃ ｎ ｅ ｓｂ ｅ ａ ｄ ｅ ｔｂ ｉｈ ｓａ ｇ ｏ ａ ｉ ｎ ｉ ｅ ｒｎ ｍｐ ｅ ｎ ａｉ ． ｏ ｏ Ｋｅ ｗｏｒ ｙ ｄｓ：３Ｄ ａ ａ ；ｓｇ ａ ｏ ｅ ｓｎ ｒ ｄ ｒ ｉｎ ｌｐｒｃ ｓｉ ｇ；ＤＢＦ
（ ．９４ ４部 队， １ １０ 河北 秦 皇岛 ０６ ０ ；．南 京船舶雷达研究所 ， ６ ０ １２ 南京 ２０ ０ ） １０ ３
基于不同幅值分布的扬声器阵列波束形成研究
窜
ｓ ｈ ｅ ｖ加 权 进 行 了实 验 ， 进 一 步进 行 了论 证 。
【 关键词 】扬声器 阵列 ； 波束 形成 ； 幅值分布 ； Ｄ ｏ ｌ ｐ ｈ — Ｃ ｈ ｅ ｂ ｙ ｓ ｈ ｅ ｖ 加权 【 中图分 类号 】 Ｔ Ｎ ６ ４ ３ 【 文献标 志码 】Ａ
・ 方 法 研 究 ・
【 摘
要】近年来 ， 扬声器阵列 由于能产生指向性声束而得到越来越 多的关注和研 究， 在 家 电产 品中也得到 了日益
广泛 的应用 ， 平板 电视如何利用超薄扬声器阵列产生指 向性声束成为 当前热 点。在 １ ｋ Ｈ ｚ的条件 下， 分别对 均匀分
布、 二项分布 、 三角分布 、 倒 三角分布 以及 Ｄ ｏ ｌ ｐ ｈ—Ｃ ｈ ｅ ｂ ｙ ｓ ｈ ｅ ｖ加权 ５个不 同的幅值分布 算法进行 了仿真和分 析。结 果表 明， 不 同的幅值加权算法 ， 对 于扬声器 阵列波束 形成有 显著影响。其 中， Ｄ ｏ ｌ ｐ ｈ—Ｃ ｈ ｅ ｂ ｙ ｓ ｈ ｅ ｖ加权在 主波束宽 度
感岫
Ｂｅ ａ ｍｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｇ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｌｉ ｎ ｅ ａ ｒ Ｌｏ ｕ ｄ ｓ ｐ ｅ ａ ｋ ｅ ｒ Ａｒ ｒ ａ ｙ、 ｖ ｉ ｔ ｈ Ｄｉ ｆｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｆｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ
ＷＡ Ｎ Ｇ Ｂ ｏ ， ＨＵ Ａ Ｎ Ｇ Ｙ ｉ ｎ ｇ ｊ ｉ ｅ ， Ｘ Ｉ Ｅ Ｘ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｂ ａ ｏ ｙ ｉ ｎ ｇ ， Ｒ Ｏ Ｎ Ａ Ｌ Ｄ Ｙ ｕ ａ ｎ （ １ ．Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ．Ｋ Ｉ Ｎ Ｇ Ｔ Ｏ Ｎ Ｅ Ｉ Ｎ Ｎ Ｏ Ｖ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ １ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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。
阵列信号处理若干关键问题研究
阵列信号处理若干关键问题研究阵列信号处理若干关键问题研究阵列信号处理是一种应用于无线通信、声音处理、雷达和天线等领域的重要技术，因其能够有效地提高信号的接收性能而备受关注。
然而，阵列信号处理中存在着一些关键问题，需要进行深入研究和解决。
首先，阵列信号处理中的波束形成问题是研究的重点之一。
波束形成是指通过合理的信号加权组合，使得阵列接收到的信号能够在期望方向上增益最大化，而在其他方向上抑制干扰和噪声。
实现波束形成的关键是确定合适的波束形成权重，不同的波束形成算法可以根据需求选择最佳的权重求解方法。
例如，最小方差无约束波束形成（MVDR）算法可以有效地抑制来自非期望方向的干扰和噪声，但是对于阵列接收到的信号中的相位差异比较敏感，需要对相位误差进行补偿。
其次，阵列信号处理中存在着成对干扰（grating lobes）问题。
成对干扰是指阵列接收到的信号在空域中发生了抖动，出现了额外的主瓣，导致信号的接收性能降低。
成对干扰主要是由于阵列单元之间的互相干扰引起的。
为了解决成对干扰问题，研究者提出了一系列的方法，如增加阵列单元间距、使用稀疏阵列、设计特殊的波束形成算法等。
同时，对于无线通信系统中的基站天线阵列，还可以利用方向估计和跟踪算法来减小成对干扰的影响。
另外，阵列信号处理中的多路径效应也是一个关键问题。
由于信号的传播路径有限，信号会经历多个路径，导致接收到的信号存在多径传播效应。
多路径效应会导致信号的时延扩展、抖动和频谱失真等问题，严重影响接收性能。
为了解决多路径效应问题，可以采用自适应滤波等技术来抑制多路径干扰，同时可以利用信号的时延估计和频率补偿等手段来补偿多路径引起的时延扩展和频谱失真。
此外，阵列信号处理中还存在天线选择问题。
在一些应用中，由于天线个数的限制或者对信号接收角度的要求，需要对阵列中的天线进行选择，以提高信号的接收性能。
天线选择最主要的考虑因素是通过选择合适的子阵列来抑制干扰、提高信号电平、减少计算量等。
声学信号处理中的波束形成技术研究
声学信号处理中的波束形成技术研究在现代通信、音频、雷达等领域中，声学信号处理作为一种高精度的信号处理技术，被广泛应用。
其中，声学波束形成技术是一种基础技术，可以有效提高系统性能和信号质量，受到了科研工作者的广泛关注。
一、声学波束形成技术简介声学波束形成技术是一种利用阵列微型化声学传感器获取多路声音信号，在数字信号处理器的控制下对声源进行定向和信号增强的技术。
简单来说，就是通过多个麦克风或扬声器等传感器构成一组阵列，由数字信号处理器对信号进行处理和控制，实现对声源信号的定向、研究和增强。
二、波束形成技术的研究现状波束形成技术一直是声学信号处理领域的前沿课题，相关研究也日益深入。
在实际应用中，波束形成技术不仅可以提高声音的清晰度，还能够实现人声定位、声学测距、环境监测、目标识别等多种应用。
在此基础上，国内外科研人员通过不断的研究和实验，致力于提高波束形成技术的带宽、辐射方向性、抗干扰性等性能，并推进其在实际系统中的应用。
三、波束形成技术的研究方向目前，国内外波束形成技术的研究主要集中在以下几个方向：1.阵列传感器的设计和优化为了提高波束形成技术的性能和可靠性，科研工作者在阵列传感器的设计和优化方面加强了研究。
针对不同的应用场景，他们提出了多个方案，如均匀圆阵列、非均匀阵列、自适应阵列等，为波束形成技术的优化奠定了基础。
2.波束形成算法的研究和改进波束形成技术的研究中，算法的设计和改进是十分重要的一环。
目前，常用的算法包括泰勒算法、MUSIC算法、阵列方位扫描法等。
在实际应用中，科研工作者还结合学习算法、深度学习等技术，尝试将其引入到波束形成算法中，从而提高波束形成技术的实用性和效率。
3.波束形成应用的探索与创新波束形成技术在实际应用中具有广泛的应用前景。
目前，科研工作者们致力于探寻新的应用领域，如无人机声呐探测、人脸识别、远程语音识别和智能语音交互等。
同时，也在尝试通过跨学科的方法，结合其他相关技术，开创波束形成技术新的应用领域。
单极子-交叉环天线阵波束形成的分析
单极子-交叉环天线阵波束形成的分析潘超;文必洋;周浩【摘要】为了提高便携式近程海态测量与分析高频地波雷达(OSMAR-S)的风、浪探测能力,以单极子-交叉环组合天线为基本单元构建小型均匀直线阵列.分析了阵元间距对波束形成的影响,讨论了低副瓣处理对波束栅瓣的作用.结果表明:单极子-交叉环天线阵波束的栅瓣幅度要比主瓣幅度小,且低副瓣处理能够将栅瓣完全压制.通过对不同阵元间距下的单极子-交叉环天线阵的波束指向性能的比较,证实了可以适当地增加阵元间距,突破雷达半波长的严格要求,在获取相同的均匀旁瓣电平条件下以得到更窄的主瓣宽度.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)001【总页数】7页(P7-13)【关键词】高频地波雷达;单极子-交叉环;波束形成;栅瓣【作者】潘超;文必洋;周浩【作者单位】武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079;武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079;武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079【正文语种】中文【中图分类】TN820引言高频地波雷达工作在短波波段，它利用垂直极化电磁波，在高导电性的海水表面绕射传播[1]，能够探测到视距以外的海上移动舰船、低空飞行目标以及大面积的海洋动力学状态参数[2-4].同时，它不受天气、海况等外界环境的影响，能够实现全天候的工作，从而有着较高的数据获取率.因此，高频地波雷达是一种经济而高效的海洋环境监测系统.然而高频地波雷达的应用与推广受到天线场地的严重制约，若天线阵口径过大，在海边选择一块平坦的天线场地将十分困难，并且天线阵的架设和维护费用也将非常昂贵.在世界各国研制的高频地波探海雷达中，美国CODAR公司研制的SeaSonde雷达系统[5]率先采用了单极子-交叉环构建组合接收天线，它具有外部尺寸小的突出优点，可以方便地运输和架设在任何场地，并且运行和维护简单.此外，武汉大学研制的OSMAR-S系列便携式高频地波雷达[6],也采用了这种小型紧凑的天线系统，并且成功地用于海流的实际探测[7-9].由于单极子-交叉环组合天线是一种小口径的宽波束天线，海流的定向往往通过超分辨算法(如多重信号分类法)来实现.但对于海浪，由于它的形成机理与海流不同，雷达对海浪的方向性识别能力只能依赖于天线的波束指向性能.另外风场的反演直接取决于海浪反演的结果，因而便携式高频地波雷达获取的风、浪参数的范围和精度也较为有限[4，10].为了获得更好的波束指向性能，提高便携式雷达的风、浪探测能力，且同时保留小口径天线占地少，易架设与维护的优点，本文考虑将少量几组单极子-交叉环组合天线进行组阵.有大量文献介绍了阵列天线的波束形成技术，但它们基本上都是针对阵元方向响应为全向的普通天线阵.特别是对于普通均匀直线阵，阵元间距严格要求不大于雷达半波长，否则波束形成可能会产生栅瓣效应[11]，且栅瓣最大响应值与主瓣最大响应值相等.然而对于以单极子-交叉环组合天线为基本单元构建的均匀直线阵，由于它自身特殊的导向方式，其波束形成的性能与普通均匀直线阵有着显著差异，而这些差异可以在实际应用中发挥积极的作用.为了更好地发掘和利用单极子-交叉环天线阵的特点，本文首先简要地介绍了单极子-交叉环组合天线的基本性能，然后分析了阵元间距对单极子-交叉环天线阵波束形成的影响，接着讨论了低副瓣处理过程对波束栅瓣的压制作用.最后比较了不同阵元间距下的单极子-交叉环天线阵的波束指向性能，证实了可以适当地增加阵元间距，突破雷达半波长的严格要求，在获取相同均匀旁瓣电平条件下以得到更窄的主瓣宽度，从而得到更好的波束指向性能，这一结论将为单极子-交叉环天线阵在便携式高频地波雷达中的实际应用提供有意义的理论指导.1 单极子-交叉环组合天线单极子-交叉环组合天线(以下简称单极子-交叉环天线，或单极子-交叉环)由一根单极子和两根相互正交的环组成[12]，三根天线共相位中心，其简化模型如图1所示.在理想情况下，单极子天线的水平方向图为圆，环天线的水平方向图是一个“8”字形[5]，且两个环天线的法方向相互正交，如图2所示.若定义环天线A和B的法方向的角平分线指向雷达法向，相应的方位角为0°，且以顺时针方向为正，环A 和环B的法方向对应的方位角分别为-π/4和π/4，则单极子天线以及环天线A和B的方向图函数分别为1、cos(θ+π/4)、sin(θ+π/4).图1 单极子-交叉环天线简化图图2 单极子-交叉环天线水平方向图2 阵元间距对波束形成的影响2.1 普通均匀直线阵的栅瓣效应文献[13]详细地分析了天线阵列的到达角估计模糊问题，其实角度模糊问题等效于波束形成的栅瓣问题，它们的本质都是反映阵列导向矢量在多个角度上产生多值模糊.现针对普通均匀直线阵，将不同阵元间距下的模糊角度或栅瓣角度表达如下：当λ/2<d<λ时，式中：λ为雷达波长；θ为波束主瓣指向角度；θ′为栅瓣角度.当d=λ时，当l<d<3l/2时，θ′=图3为五元普通均匀直线阵的常规波束形成，其中波束指向30°.可见，当阵元间距为d=λ/2时，波束没有产生栅瓣.当阵元间距增大为d=3λ/4时，此时波束形成产生一个栅瓣，且其对应的角度为-56.44°.(a) d=λ/2(b) d=3λ/4 图3 普通均匀直线阵的常规波束形成2.2 单极子-交叉环均匀直线阵的栅瓣效应以单极子-交叉环组合天线为基本单元，沿直线等间距地排列，构建单极子-交叉环均匀直线阵，结构示意图如图4所示.图4 单极子-交叉环均匀直线阵示意图对于单极子-交叉环均匀直线阵，它实际上是单极子-交叉环天线和普通均匀直线阵两种结构的混合形式，其阵列导向矢量表达式为a(θ)= [1,cos(θ+π/4),sin(θ+π/4),ej2πdsin θ/λ,ej2πdsin θ/λcos(θ+π/4),ej2πdsin θ/λsin(θ+π/4),…,ej2π(M-1)dsin θ/λ,ej2π(M-1)dsin θ/λcos(θ+π/4),e2jπ(M-1)dsin θ/λsin(θ+π/4)].由上式可见，它既有普通均匀线阵阵元间特定的相位关系，又兼有阵元内单极子天线与两环天线之间特定的幅度关系.因此，单极子-交叉环均匀直线阵的波束形成的栅瓣效应会与普通均匀直线阵有所不同.图5所示为三元单极子-交叉环均匀直线阵的常规波束形成，其中主瓣与图4一样指向30°，阵元间距也分别取为d=λ/2和d=3λ/4.对比图3与图5可以发现：这两种天线阵的波束栅瓣出现在同样的角度位置，这是由于单极子-交叉环均匀直线阵保留了普通均匀直线阵的阵元间特定的相位差因子ej2πdsinθ/λ.同时，还可以发现单极子-交叉环天线阵的栅瓣最大响应值要弱于主瓣最大响应值，而普通均匀直线阵的栅瓣最大响应值却与主瓣最大响应值相等.这是由于前者阵元内的单极子-交叉环三天线之间存在特殊的阵列导向矢量[1,cos(θ+π/4),sin(θ+π/4)]所致.改变其波束主瓣的指向角度，只要能使天线阵列出现栅瓣，均可以发现单极子-交叉环均匀直线阵与普通均匀直线阵关于栅瓣效应的这些异同点.(a) d=λ/2(b) d=3λ/4图5 单极子-交叉环阵的常规波束形成3 NPS法低副瓣处理在众多低副瓣处理技术中，CARL A.OLEN的数值方向图综合(NPS)算法[14]适用性非常广，它不仅可以运用于常见的阵元方向响应为全向的普通均匀直线阵，还可以稳健地运用于非均匀阵，以及阵元方向响应为非全向，各阵元方向响应函数不一致等各种复杂的场景.本文采取该方法进行天线阵列的低副瓣处理，以获取更好的波束指向性能.图6为五元普通均匀直线阵的低副瓣处理结果，其中图6(a)为对图3(a)中的波束进行NPS法低副瓣处理后的结果，可见旁瓣实现了期望的-25 dB均匀电平.将阵元间距增大为d=3λ/4，对图3(b)中波束做同样的低副瓣处理，结果如图6(b)所示，可见NPS法处理后，栅瓣依然存在，且旁瓣也没有实现期望的-25 dB均匀电平.(a) d=λ/2(b) d=3λ/4图6 普通均匀直线阵的低副瓣处理图7为三元单极子-交叉环均匀直线阵的低副瓣处理结果，其中图7(a)为对图5(a)中的波束进行NPS法低副瓣处理后的结果，可见旁瓣实现了期望的-25 dB均匀电平.将阵元间距增大为d=3λ/4，对图5(b)中的波束做同样的低副瓣处理，结果如图7(b)所示，可见NPS法处理后，栅瓣被完全压制掉，同时旁瓣也很好地实现了期望的-25 dB均匀电平.(a) d=λ/2(b)d=3λ/4图7 单极子-交叉环天线阵的低副瓣处理由此可见，对于普通均匀直线阵，栅瓣不能在低副瓣处理过程中压制掉.这是因为普通均匀直线阵的波束中存在着与前瓣完全对称的后瓣.当阵元间距过大，波束产生栅瓣，且栅瓣的能量与主瓣的能量相当，同时在后瓣区也会存在一个与其对称的后瓣区栅瓣，这样就形成了一个比较饱和的后瓣区，如图8(a)所示，此时主瓣指向30°.当NPS法在-90°～90°的前瓣区压制副瓣及能量强大的栅瓣时，被压制的这部分能量无法有效地转移到后瓣区，从而导致前瓣区的副瓣和栅瓣实现不了低副瓣处理的效果.(a) 五元普通均匀直线阵(b) 三元单极子-交叉环均匀直线阵图8 两种天线阵的波束形成对于单极子-交叉环均匀直线阵，栅瓣可以在低副瓣处理过程中压制掉.这是因为单极子-交叉环天线阵的波束能量主要集中在前瓣区，后瓣区非常空余，不像普通均匀直线阵那样形成与前瓣区对称的后瓣区.同时在产生栅瓣时，栅瓣的能量较主瓣弱，如图8(b)所示，此时主瓣指向30°.当NPS法在-90°～90°的前瓣区压制副瓣及栅瓣时，被压制的这部分能量能有效地转移到后瓣区，从而实现低副瓣处理的效果.4 阵元间距对低副瓣处理的影响图9(a)为三元单极子-交叉环均匀直线阵的常规波束形成，其中主瓣期望指向0°，阵元间距为d=λ，此时在-90°和90°两处产生了栅瓣，这是能够产生两个栅瓣的最小阵元间距.图9(b)为对图9(a)进行NPS法低副瓣处理后的结果，可见在-90°～90°范围内旁瓣基本实现了期望的-25 dB均匀电平.同时，也可以发现波束的最大响应值角度并非指向0°，而是指向了位于后瓣区的180°，但这两处的响应值的大小仅仅相差1.12 dB，基本可以视为相等.图9(c)为三元单极子-交叉环均匀直线阵的常规波束形成，其中主瓣期望指向0°，阵元间距增大为d=5λ/4，此时在-53.13°和53.13°两处产生了栅瓣.对图9(c)进行NPS法低副瓣处理，期望产生-25 dB的均匀旁瓣电平，结果如图9(d)所示.此时，可以很明显地发现波束的最大响应值角度并非指向0°，而是指向了位于后瓣区的180°，且这两处的方向响应值大小相差11.43 dB.(a) d=λ,低副瓣处理前(b) d=λ,低副瓣处理后(c) d=5λ/4低副瓣处理前(d) d=5λ/4,低副瓣处理后图9 单极子-交叉环天线阵低副瓣处理当阵元间距过大，产生栅瓣过多时，低副瓣处理后波束的最大值无法指向期望的主瓣方向.故为了使栅瓣在低副瓣处理过程中能够得到很好地压制，同时使波束的最大值指向期望的主瓣方向，需要根据实际情况合理地选择阵元间距d<λ.5 天线阵波束性能的比较由于增加阵元间距，即增大天线阵列的口径，波束主瓣将会变得更窄，波束指向性能变得更好.但是这样可能会导致栅瓣效应，这是应当避免发生的现象.然而对于单极子-交叉环天线阵，低副瓣处理过程可以将其完全压制掉，同时获得期望的旁瓣电平，从而进一步提高波束指向性能.表1比较了两种不同阵元间距下的单极子-交叉环均匀直线阵的波束性能.其中波束指向0°，波束主瓣宽度为经过NPS法低副瓣处理后的3 dB主瓣宽度，且NPS法实现-25 dB的均匀旁瓣电平.可见天线阵2的主瓣宽度要比天线阵1的主瓣窄9.2°，波束指向性能明显得到提升.表1 两种阵元间距下天线阵的波束性能天线阵1天线阵2阵元数目33阵元间距/λ1/23/4阵列孔径/λ13/2主瓣宽度/(°)38．2296 结论为了提高便携式高频地波雷达的风、浪探测能力，本文考虑了基于单极子-交叉环组合天线的小型阵列.研究结果表明，该阵列波束的栅瓣幅度要弱于主瓣幅度，且低副瓣处理过程能够将栅瓣完全压制掉.在实际运用中，在天线场地允许的条件下，可以突破阵元间距为雷达半波长的严格条件，通过适当地增加阵元间距来增大天线阵列的口径，从而获取更好的波束指向性能.参考文献[1] SEVGI L, PONSFORD A, CHAN H C. An integrated maritime surveillance system based on high-frequency-wave radars. 1. theoretical background and numerical simulation[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2001, 43(4): 28-43.[2] 黄德耀. 高频雷达海洋回波谱特性及影响其质量因素[J]. 电波科学学报, 1996,11(2): 94-101.HUANG Deyao. Character of HF radar sea echo spectra and factor of the effects on the quality of the spectra[J]. Chinese Journal of Radio Science, 1996, 11(2): 94-101. (in Chinese)[3] 陈聪, 高火涛, 张小林. 高频地波雷达天线阵抗干扰[J].电波科学学报, 2007,22(4): 665-669.CHEN Cong, GAO Huotao, ZHANG Xiaolin. Adaptive nul-ling of ionospheric self-interference for HFSWR[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2007, 22(4):665-669. (in Chinese)[4] 周浩, 文必洋, 吴世才, 等. 亚帆赛间便携式高频地波雷达的海态观测[J], 电波科学学报, 2012, 27(2): 293-300.ZHOU Hao, WEN Biyang, WU Shicai, et al. Sea states obs-ervation with a portable HFSWR during the 16th Asian Games Sailing Competition[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(2): 293-300. (in Chinese) [5] LIPA B J, BARRICK D E. Least-squares methods for the extraction of surface currents from CODAR crossed-loop data application at ARSLOE[J]. IEEE Oceanic Engineering, 1983, 8(4): 226-253.[6] Shen Wei, Wen Biyang, Wu Shicai. HF radar receiver designed for surface current radar system[C]// 10th IET International Conference on Ionospheric Radio Systems and Technique. L-ondon, July 18-21， 2006: 240-243.[7] 文必洋, 李自立, 周浩, 等. 便携式高频地波雷达东海表面流探测试验[J]. 电子学报, 2009, 37(12): 2778-2782.WEN Biyang, LI Zili, ZHOU Hao, et al. Sea surface currents detection at the eastern China sea by HF ground wave radar OSMAR-S[J]. Acta Electronica Sinica, 2009, 37(12): 2778-27 82. (in Chinese)[8] 文必洋, 李自立, 周浩, 等. 便携式高频地波雷达东海洋山海域探测深度试验[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(4): 998-1002.WEN Biyang, LI Zili, ZHOU Hao. Test for the detection depth with HF protable ground wave radar at Yangshan aera of eastern China sea[J].Journal of Electronics & Information Technology, 2011, 32(4): 998-1002. (in Chinese)[9] YANG Jing, WEN Biyang, ZHANG Chong, el at. A bistatic HF radar for surface current mapping[J]. IEICE Electronics Express, 2011,7(19): 1435-1440.[10] LIPA B J, NYDEN B. Directional wave information form the seasond[J]. IEEE J Ocean Eng, 2005, 30(1): 221-231.[11] KRIM H, VIBERG M. Two decades of array signal processing research: the parametric approach[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 1996, 14(4): 67-94.[12] BARRICK D E, LIPA B J, LILLEBOE P M, el al. Gated F-MCW DF Radar and Signal Processing for Range/Doppler/angle determination: USA, 5361072[P]. 1994-11-01.[13] CHEN Hui, WANG Yongliang, WAN Shanhu. Performance improvement of estimation direction-of-arrival via Geometry arrangement[C]// IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Orlando, July 11-16， 1999: 1600-1603.[14] OLEN C A, COMPTON R T. A numerical pattern synthesis algorithm for arrays[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1990, 38(10): 1666-1676.。
《RIS辅助无线携能通信系统的波形设计和波束形成技术研究》范文
《RIS辅助无线携能通信系统的波形设计和波束形成技术研究》篇一一、引言随着无线通信技术的飞速发展，无线携能通信系统（Wireless Power and Information Communication System，WPICS）成为了研究的热点。
在无线通信中，为了满足日益增长的数据传输需求，提高系统性能和能量效率显得尤为重要。
其中，智能反射面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）技术为无线携能通信系统提供了新的解决方案。
本文将重点研究在RIS辅助的无线携能通信系统中，如何进行波形设计和波束形成技术的研究。
二、背景介绍智能反射面（RIS）是一种可以主动控制信号传输的新型设备，能够动态地改变其电磁波反射路径，以增强信号或抵消干扰。
而无线携能通信系统则是通过电磁波实现数据传输的同时为接收设备提供能量的系统。
在这样的系统中，波形的选择和波束的定向都起着决定性的作用。
三、波形设计研究3.1 波形设计的基本原理波形设计是无线通信系统中一个关键环节，直接关系到系统的性能和传输效率。
在无线携能通信系统中，应考虑信号的传播特性、信道环境、设备特性以及能源转换效率等多方面的因素来选择和设计最佳的波形。
3.2 波形设计的优化策略针对不同的应用场景和需求，可以采用不同的波形设计策略。
例如，在要求高速传输的情况下，采用脉冲波形可能更为合适；而在追求更高的能量传输效率时，可以考虑连续波形的优化。
同时，还需结合多载波、扩频等调制技术来提高频谱利用率和抗干扰能力。
四、波束形成技术研究4.1 波束形成的基本原理波束形成是利用阵列天线对信号进行加权和相位调整，从而在空间中形成特定方向的波束，以提高信号的定向性和抗干扰能力。
在无线携能通信系统中，通过波束形成技术可以实现对能量的高效集中和传输。
4.2 RIS辅助的波束形成技术在RIS辅助的无线携能通信系统中，通过智能反射面可以实现对信号的实时调整和优化。
基于响应矢量优化的共形阵列稳健波束形成方法
基于响应矢量优化的共形阵列稳健波束形成方法徐艳红;史小卫;许京伟;李平【摘要】针对共形阵列天线自适应波束形成中存在的主瓣保形困难、旁瓣电平高等问题,该文提出基于波束响应矢量优化的自适应波束形成方法.在主瓣波束保形约束条件下,通过自适应地调整波束响应矢量,求得最优的响应矢量,进而求得准最优自适应权.该方法将非凸的二次约束二阶优化问题转化到高维空间进行求解,并通过半正定松弛(SDR)转化为凸优化问题,高效求得准最优解.该方法不仅保持了期望的主瓣响应,同时克服了传统线性约束最小方差(LCMV)自适应波束形成方法旁瓣高的缺点,并且对阵列构型具有稳健性.仿真实验验证了该方法的有效性.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2014(036)009【总页数】7页(P2220-2226)【关键词】阵列天线;响应矢量优化;共形阵;半正定松弛;稳健波束形成【作者】徐艳红;史小卫;许京伟;李平【作者单位】西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室西安710071;西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室西安710071;西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室西安710071;西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室西安710071【正文语种】中文【中图分类】TN823随着电子技术的不断发展，单一的平面阵天线已满足不了现代军事与通信的需求。
而与飞行载体表面相吻合的共形阵天线系统以其良好的空气动力学特性，天线安装灵活方便，可构成大孔径天线，扫描范围宽等突出优势日益引起国内外学者的关注，在各种飞行器、舰船等雷达及无线通信领域中取得广泛的应用[1]。
与平面阵相比，由于阵元不一致性，共形阵天线方向图不再是阵因子与单元方向图的乘积，其发射方向图综合一直以来都是研究的关键问题之一。
常用的方法有泰勒综合法，共轭匹配法，最小二乘法，投影矩阵法[2]，幅相补偿法[3,4]、遗传算法，粒子群算法等。
文献[2]提出了一种投影矩阵法的改进方法，可以实现仅相位控制或仅幅度控制约束，可满足不同的应用需求。
阵列天线波束赋形技术研究与应用
阵列天线波束赋形技术研究与应用一、本文概述阵列天线波束赋形技术是现代无线通信领域的关键技术之一，其研究与应用对于提高通信系统的性能、扩展通信覆盖范围以及实现更为精确的无线通信具有重要意义。
本文旨在深入探讨阵列天线波束赋形技术的原理、方法及其在无线通信领域的应用。
本文将对阵列天线波束赋形技术的基本概念进行阐述，包括阵列天线的构成、波束赋形的原理以及赋形波束的特点等。
本文将详细介绍阵列天线波束赋形的主要方法，包括波束形成算法、波束指向控制、波束宽度调整等，并对各种方法的优缺点进行分析。
本文还将探讨阵列天线波束赋形技术在无线通信系统中的应用，如提高信号接收质量、增强系统容量、扩大覆盖范围等。
本文将总结阵列天线波束赋形技术的研究现状和发展趋势，并对未来的研究方向和应用前景进行展望。
通过本文的研究，旨在为读者提供对阵列天线波束赋形技术的全面认识，并为相关领域的研究和应用提供有益的参考。
二、阵列天线波束赋形技术基础阵列天线波束赋形技术，又称为波束形成或波束指向技术，是阵列信号处理的核心内容之一。
它通过对阵列中各个天线元素进行幅度和相位的加权控制，实现对特定方向信号的增强或对特定方向干扰的抑制，从而实现波束的定向传输和接收。
阵列天线波束赋形技术的基础主要包括阵列天线的数学模型、波束赋形的优化算法以及波束赋形的性能评估等方面。
阵列天线的数学模型是波束赋形的基础。
它通过对阵列中各个天线元素的辐射特性进行建模，将阵列的输出表示为各个元素辐射场的叠加。
常见的阵列天线模型包括均匀线阵、均匀圆阵和平面阵等。
这些模型为后续的优化算法提供了理论基础。
波束赋形的优化算法是实现波束赋形的关键。
优化算法的目标是根据特定的优化准则，如最大信噪比、最小均方误差等，确定阵列中各元素的加权系数。
常见的优化算法包括最大信噪比波束形成算法、最小均方误差波束形成算法以及基于遗传算法、粒子群优化等智能优化算法的波束形成算法。
这些算法在不同的应用场景下具有各自的优缺点，需要根据具体需求进行选择。
波束形成
数学表达 阵元i接收到第n个信源的输出：
X in (t ) = Sn (t ) ⋅ exp{− j 2π (i − 1)l ⋅
d
cosθ n
λ
} + ni (t )
X i (t ) = ∑ Sn (t ) ⋅ exp{− jk (i − 1) cosθ n } + ni (t )
n =1
k = 2π
3.2.2基于频域LMS的自适应算法的结构 3.2.2
基于频域LMS的自适应算法结构见图3.2所示，该算法先对输入信号进 行FFT变换，再通过LMS算法实现了在频域上进行波束形成。根据前面 分析知道：通过对阵列天线接收到的信号x(n) 进行FFT，经过FFT后的 r(n)，自相关性下降，呈带状分布，这样LMS算法收敛速度就很快。当 存在相干信源，假设它们DOA不同，相干信源在时域相干，但在频域 是不相干的，所以基于频域LMS的自适应波束形成算法对相干信源具有 鲁棒性。
θ = arg max[ E{w H x(n) x H (n) w}] w
wba = a (θ ) a H (θ )a (θ )
2.3 波束形成的准则
·最大信号噪声比准则（MSNR） 使期望信号分量功率与噪声分量功率之比为最大。但是必须知道噪声的统计 量和期望信号的波达方向。 ·最大信干噪比准则（MSINR） 使期望信号分量功率与干扰分量功率及噪声分量功率之和的比为最大。 · ·最小均方误差准则（MMSE） 在非雷达应用中，阵列协方差矩阵中通常都含有期望信号，基于此种情况提 出的准则。使阵列输出与某期望响应的均方误差为最小，这种准则不需要知 道期望信号的波达方向。 ·最大似然比准则（MLH） 在对有用信号完全先验无知的情况，这时参考信号无法设置，因此，在干扰 噪声背景下，首先要取得对有用信号的最大似然估计。 ·线性约束最小方差准则（LCMV） 对有用信号形式和来向完全已知，在某种约束条件下使阵列输出的方差最小。
波束形成-张小飞
第三章波束形成算法3.1 波束形成的发展近年来，阵列信号处理在无线通信系统中得到了广泛应用。
在蜂窝移动通信中，通信信道的需求急剧增长，使提高频谱复用技术显得日益重要。
这就是通常说的空分多址（SDMA）。
其中一个重要部分便是波束形成。
自适应波束形成（ADBF）亦称空域滤波，是阵列处理的一个主要方面，逐步成为阵列信号处理的标志之一，其实质是通过对各阵元加权进行空域滤波，来达到增强期望信号、抑制干扰的目的；而且可以根据信号环境的变化自适应地改变各阵元的加权因子。
自从1959年Van Atta提出自适应天线这个术语以来，自适应天线发展至今已经40多年了，自适应研究的重点一直是自适应波束形成算法，而且经过前人的努力，已经总结出许多好的算法比如SMI算法，ESB算法等等。
但理论与实际总是有差距的，因为实际系统存在误差，这使得实际阵列流形与理想阵列会把期望信号当干扰进行一直，造成输出信号干扰噪声比下降和副瓣电平升高，当输入信号的信噪比（SNR）较大时，这种现象尤为明显。
面对误差，传统自适应波束形成算法的效果很不理想，所以，研究实际环境下稳健的自适应波束形成算法具有重要的理论意义和军事，民用应用价值。
自适应波束形成常用协方差矩阵求逆（SMI）算法，该算法具有较快的信号干扰噪声比（SINR）意义下的收敛速度。
从协方差矩阵分解的角度，自适应波束形成是协方差矩阵特征值分散，小特征值对应的特征矢量扰动，并参与自适应权值计算所致。
针对这一问题，基于协方差矩阵非线性处理和对角线加载波束保形方法，对协方差矩阵非线性处理的加权因子的选取只能通过经验来取得；而在不同的干扰和噪声环境下对角线加载量的选取，至今没有很好的解决方法。
文献[3]提出了利用投影算子对阵列数据进行降维处理,在一定程度上降低了运算量,同时提高了自适应波束的稳健性,其投影算子是根据目标和干扰的粗略估计,以及不完全的阵列流形知识得到的。
当相关矩阵中含有期望信号时,导致输出SINR下降,波形畸变较严重,另外,当存在系统误差和背景噪声为色噪声时,该方法虽然能够减小协方差中的扰动量,但副瓣电平还会出现一定程度的升高以及主瓣发生偏离现象。
随机稀布阵列波束形成优化算法研究
随机稀布阵列波束形成优化算法研究以随机稀布阵列波束形成优化算法研究为题，本文将从以下几个方面进行探讨：随机稀布阵列的概念与特点、波束形成技术的基本原理、现有的优化算法研究以及未来的发展方向。
一、随机稀布阵列的概念与特点随机稀布阵列是一种将天线以随机的方式分布在空间中的阵列配置。
相比于传统的规则阵列，随机稀布阵列具有如下特点：1. 降低阵列成本：随机稀布阵列的天线分布不需要遵循规则，可以根据实际需求随意摆放，因此可以减少天线的数量和布置的复杂性，从而降低成本。
2. 提高频谱利用率：随机稀布阵列的天线分布更加分散，可以有效减小天线之间的互相干扰，提高频谱利用率。
3. 增强抗干扰能力：随机稀布阵列可以通过合理的天线布局，降低来自干扰源的影响，提高系统的抗干扰能力。
二、波束形成技术的基本原理波束形成是一种通过对阵列中的多个天线进行加权调控，实现对特定方向的信号增益增强的技术。
其基本原理可以简述为以下几个步骤：1. 接收信号采样：利用阵列中的天线对接收信号进行采样，得到多路信号。
2. 信号加权：对采样得到的信号进行加权处理，通过调节不同天线的加权系数，实现对不同方向的信号增益控制。
3. 信号合成：将加权后的信号进行合成，得到波束形成后的输出信号。
三、现有的优化算法研究针对随机稀布阵列波束形成优化问题，已经提出了一些有效的优化算法，主要包括以下几种：1. 遗传算法：利用遗传算法的进化思想，通过对不同天线的加权系数进行编码，采用适应度函数评估方案的优劣，并通过选择、交叉和变异操作生成新的解，最终获得最优解。
2. 粒子群优化算法：模拟鸟群觅食行为，通过不断更新粒子的位置和速度，寻找到全局最优解。
3. 神经网络算法：利用神经网络的非线性映射能力，通过训练网络参数，实现对波束形成过程的优化。
四、未来的发展方向随机稀布阵列波束形成优化算法的研究还存在一些挑战和问题，未来的发展方向主要包括以下几个方面：1. 算法性能的进一步提升：目前的优化算法在求解效率和最优解的精度方面仍有一定的提升空间，需要进一步研究改进算法的策略和思路。
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1 引言
波束形成是阵列信号处理中一个重要的课题， 其主要作用包括：形成基阵接收系统的方向性，估 计信号到达方向，抑制空间干扰与环境噪声，进行 空域滤波，提高信噪比，进行多目标分辨，为目标识 别提供信息，为信号源的定位创造条件等等；通过 波束形成处理，可以实现对目标的检测与定位 。 ［1~5］ 波束形成的处理过程为：采用空间分布的传感器阵 列采集场（声场、电磁场等）数据，然后对所采集的 数据进行线性加权组合处理得到一个标量的波束 输出，该处理过程即为波束形成，即是指将一定几 何形状（例如直线、圆、圆弧等）排列的多元基阵的 各阵元输出经过处理（例如加权、时延、求和等）形 成空间指向性的方法［6］。波束形成也是将一个多
总第 287 期 2018 年第 5 期
舰船电子工程 Ship舰Ele船ctr电onic子En工gin程eering
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影响阵列波束形成的几个相关问题的研究∗
代伟彭水
（91388 部队 湛江 524022）
摘 要 论文以空间域波束形成的理论和方法为依据，运用计算机仿真的方法，详细研究了直线阵的波束形成情况以 及非等间距阵元、入射波角度变化、入射波频率变化、信噪比变化等因素对波束形成结果的影响。研究结果表明当入射波垂 直入射时波束形成特性最好；随着信噪比的减小，阵列的波束形成性能变差。
针 对 这 一 问 题 ，本 文 主 要 以 直 线 阵 为 研 究 对
∗ 收稿日期：2017 年 11 月 11 日，修回日期：2017 年 12 月 23 日 作者简介：代伟，男，博士，研究方向：水声通信、水声信号处理。彭水，男，博士，工程师，研究方向：水声通信、水声信 号处理。
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代 伟等：影响阵列波束形成的几个相关问题的研究
元阵经过适当处理使其对某些空间上的入射波具 有所需响应的方法。波束形成的实现方法有很多， 特别是在实际应用中，随着微电子技术、计算机技 术 的 快 速 发 展 ，数 字 信 号 处 理 技 术 的 运 用 使 得 时 域、频域下的波束形成方法相互贯穿［7］。基于波束 形成技术的这些特点和优势使其在声呐工程、水声 通信以及水声信号处理中得到广泛的应用。
DAI Wei PENG Shui （No. 91388 Troops of PLA，Zhanjiang 524022）
Abstract Beam forming of line array was investigated by computer simulation based on the theories and methods of space beam forming. The changes of incident wave angle，incident wave frequency，signal to noise ratio and the distance between array el⁃ ements is different were studied in order to obtain the influences on the results of the beam forming. It was found that the properties of beam forming are best when the incident wave is perpendicular to the line array. The properties of beam forming will become worse with the decreasing of the signal to noise ratio.
随着波束形成技术在水声工程中的应用日益 广泛，人们对于水声信号处理中的波束形成问题的 研究也越来越多，例如频域宽带波束形成［8］、数字 波束形成［9］、自适应波束形成 等 ［10］ 等，但对不同阵 形阵列的波束形成问题的研究较少，尤其对于从信 号的不同角度对阵列信号的波束形成问题做系统 分析研究的报道还没有看到。
关键词 波束形成；阵形；入射波角度；入射波频率；入射波信噪比 中图分类号 TB566 DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2018. 05. 015
Several Relative Problems Investigation on Which Influenced the Array Beam Forming
对于直线阵，如图 1 所示。选择入射波频率为 f0 ，入射波速度为 v ，入射波角度为 θ0 ，阵元间距 为 d ，阵元总数为 N ，N 个阵元排成一条直线，阵 元之间成等间隔均匀分布，当声波斜入射到直线阵 阵列上时，声波在第 n 个阵元和第 1 个阵元之间会 产生 Dd 的声程差，Dd = (n - 1)d cos θ0 。如果直线 阵阵元间距不相等，则等间距直线阵变成变间距直 线阵。对于直线阵，本论文研究了等间距直线阵入 射波角度从 0.1°开始以 10°为增量变化至 170.1°时 的波束形成结果，入射波频率分别为 1KHz、3KHz、 10KHz、50KHz、100KHz 时的波束形成图以及输入 信号信噪比分别为 1000、50、0、-10、-100 时的波束 形成图。同时研究了圆阵和圆弧阵与直线阵象，通过计算机仿真的方法，从入射波角度、入射波 频率、信噪比等不同角度对各种阵列的波束形成特 性做了较为详细的理论计算，同时研究了变间距对 阵列波束形成的影响。
2 阵列模型与波束形成原理
2.1 阵列的数学物理模型 本论文所研究的问题主要来源于水声场中阵
列信号处理的相关课题，针对所研究领域的实际情 况，主要设计了直线阵作为主要的研究对象，在理 论研究中假设阵列所处环境为理想情况，即不考虑 水声场的不均匀性和非线性，声波信号是理想的， 同时认为阵元之间是各向同性的。作为比较参考， 设计了等间距和变间距的直线阵，同时设计了圆阵 和圆弧阵来与直线阵的波束形成结果进行对比。