基于全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器的寬帶數(shù)字波束形成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器的寬帶數(shù)字波束形成方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)所需濾波器的階數(shù)多，復(fù)雜度高的問題。其實現(xiàn)步驟是：1.根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，確定采樣率fs和采樣時間ts；2.根據(jù)雷達(dá)陣列幾何結(jié)構(gòu)和采樣時間ts，計算每個陣元相對于參考陣元的傳播時延τ；3.根據(jù)采樣率fs，選擇AD芯片，將陣元接收的模擬信號數(shù)字化；4.根據(jù)傳播時延τ和數(shù)字化的后的接收信號，設(shè)計全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器；5.對數(shù)字化的接收信號進(jìn)行濾波；6.補償濾波后信號的相位延遲；7.選擇窗函數(shù)，對濾波補償后的信號加權(quán)求和得到波束形成結(jié)果。本發(fā)明可實現(xiàn)寬帶數(shù)字波束形成，節(jié)省硬件資源，增強(qiáng)實時性，可用于寬帶數(shù)字陣列雷達(dá)。
【專利說明】基于全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器的寬帶數(shù)字波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及寬帶數(shù)字波束形成，可用于寬帶數(shù)字陣列雷達(dá)信號處理。
【背景技術(shù)】
[0002]陣列雷達(dá)信號處理，就是將多個傳感器設(shè)置在空間的不同位置，組成傳感器陣列，并利用它對空間信號進(jìn)行接收和處理，旨在提取出陣列所接收的感興趣的信號及其特征信息，同時抑制干擾和噪聲或不感興趣的信號。它具有波束控制靈活、處理增益高、抗干擾能力強(qiáng)和空間分辨力高等優(yōu)點，在雷達(dá)、射電天文、聲吶、通信、測向、地震學(xué)及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域獲得人們的廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展。陣列信號處理的研究內(nèi)容主要有兩類:一類是空間譜估計，它通過陣列接收數(shù)據(jù)，估計信號來波方向；一類是波束形成，也稱作空域濾波，其目的是將天線接收的不同來向信號進(jìn)行采樣，通過一定的加權(quán)，盡可能地提高陣列輸出的有用信號的強(qiáng)度，同時抑制其它來向的信號強(qiáng)度。
[0003]目前，波束形成技術(shù)大都是針對窄帶信號而言的，但隨著陣列信號處理的應(yīng)用范圍越來越廣，遇到許多寬帶信號處理的問題，如聲吶信號、雷達(dá)信號、地震信號等。寬帶信號可以近似等同于各窄帶陣列模型的簡單求和，如果仍然利用窄帶波束形成處理技術(shù)處理寬帶信號，則因不能根據(jù)不同的頻率分量實現(xiàn)不同的加權(quán)，導(dǎo)致波束方向圖發(fā)生畸變，具體表現(xiàn)為波束指向偏移和波束展寬，即空間色散和時間色散問題?，F(xiàn)有的寬帶波束形成方法主要有頻域和時域?qū)拵Рㄊ纬煞椒ā?br> [0004]頻域?qū)拵Рㄊ纬煞椒?，是先對寬帶信號進(jìn)行窄帶分解，然后對每一個窄帶分量做相應(yīng)的波束加權(quán)。已有的頻域?qū)拵Ш愣ㄊ鴮挷ㄊ纬煞椒ㄖ饕貌煌讖降淖雨嚱邮詹煌男盘栴l域分量，補償波束隨頻率的變化。由于子陣數(shù)目有限，該方法形成的波束雖然可以在各個頻段內(nèi)保持恒定束寬，但信號在整個頻率單位內(nèi)仍有畸變，且實現(xiàn)比較復(fù)雜。同時，利用離散傅里葉變換在頻域上對各頻率分量進(jìn)行窄帶波束形成處理，是一種塊處理方法，塊與塊之間的相位無法連接，導(dǎo)致輸出信號時域波形的相位不連續(xù)。
[0005]時域?qū)拵Рㄊ纬煞椒?，是通常采用抽頭延遲線組結(jié)構(gòu)或FIR濾波器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)寬帶波束形成。抽頭延遲線的長度或FIR濾波器的階數(shù)取決于入射信號的帶寬:帶寬越大，抽頭延遲線的長度越長或FIR濾波器的階數(shù)越高。當(dāng)頻率較高、帶寬較大時，需要較長長度的抽頭延遲線組或較高階數(shù)的FIR濾波器，收斂速度較慢，計算量較大，同時采樣頻率實現(xiàn)困難，甚至無法實現(xiàn)。另外，在已有的寬帶數(shù)字波束形成方法中，每個陣元相對于參考陣元具有不同的延時，需要為每個陣元設(shè)計不同的分?jǐn)?shù)延時濾波器，設(shè)計復(fù)雜度高，任務(wù)量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對上述寬帶數(shù)字波束形成方法中存在的問題，提出一種基于全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器的寬帶數(shù)字波束形成方法，以減小所需濾波器的階數(shù)，降低了設(shè)計復(fù)雜度。[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括以下步驟:
[0008](1)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)確定采樣率fs，得到采樣時間ts = l/fs ；
[0009](2)根據(jù)陣列的幾何結(jié)構(gòu)確定每個雷達(dá)陣元相對于參考陣元的時間延時τ η，并通
過延時、和采樣時間ts，得到濾波器的時延ATqn= Tn/ts，其中，η代表陣
元號索引，為四舍五入取整的結(jié)果；
[0010](3)選擇AD芯片，將各個雷達(dá)陣元接收的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號χη，其中，I≤η≤N, N為總的陣元個數(shù)；
[0011](4)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，采用迭代優(yōu)化方法設(shè)計全通型分?jǐn)?shù)延時濾波器；
[0012](5)將數(shù)字信號\和濾波器的時延Λ作為輸入變量，輸入到全通型可變分?jǐn)?shù)延時
濾波器進(jìn)行濾波，得到濾波后的信號向量[;
[0013](6)給濾波后的信號向量i，乘上相位補償因子exp (j2 Jis.d/λ)，以補償各個陣元接收信號的相位延遲，得到濾波補償后的信號向量為JT，其中，exp (.)表示求自然對
數(shù)e的冪，j為虛數(shù)單位，,=^Tl, η表示半圓對應(yīng)的弧度，s為信號的傳播矢量，d表示η號陣元和參考陣元之間的距離矢量，λ為信號波長；
[0014](7)根據(jù)雷達(dá)波束旁瓣電平δ,選擇窗函數(shù)對^加權(quán)求和，得到波束形成結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種基于全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器的寬帶數(shù)字波束形成方法，包括如下步驟: (1)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)確定采樣率fs，得到采樣時間ts= l/fs ； (2)根據(jù)陣列的幾何結(jié)構(gòu)確定每個雷達(dá)陣元相對于參考陣元的時間延時τη，并通過延時τη和采樣時間ts，得到濾波器的時延Δ =、-卜_」，Tqn= Tn/ts，其中，η代表陣元號索引，Lr」為四舍五入取整的結(jié)果； (3)選擇AD芯片，將各個雷達(dá)陣元接收的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號χη，其中，I≤η≤N, N為總的陣元個數(shù)； (4)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，采用迭代優(yōu)化方法設(shè)計全通型分?jǐn)?shù)延時濾波器； (5)將數(shù)字信號\和濾波器的時延△作為輸入變量，輸入到全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器進(jìn)行濾波，得到濾波后的信號向量; (6)給濾波后的信號向量，乘上相位補償因子exp(j2 π s.d/ λ )，以補償各個陣元接收信號的相位延遲，得到濾波補償后的信號向量為[，其中，exp(.)表示求自然對數(shù)e的冪，j為虛數(shù)單位，= P，表示半圓對應(yīng)的弧度，s為信號的傳播矢量，d表示η號陣元和參考陣元之間的距離矢量，λ為信號波長； (7)根據(jù)雷達(dá)波束旁瓣電平叭選擇窗函數(shù)對加權(quán)求和，得到波束形成結(jié)果y = lH/(/;)_yn，其中，W(n)是選定的窗函數(shù)的離散函數(shù)值，I≤η≤N。
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2.一種基于全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器的寬帶數(shù)字波束形成方法，其中步驟(4)所述的根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，采用迭代優(yōu)化方法設(shè)計全通型分?jǐn)?shù)延時濾波器，按如下步驟進(jìn)行: (4a)以加權(quán)最小均方誤差準(zhǔn)則構(gòu)造濾波器設(shè)計的優(yōu)化問題； (4b)迭代求解上述優(yōu)化問題。
3.一種基于全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器的寬帶數(shù)字波束形成方法，其中步驟(4a)所述的以加權(quán)最小均方誤差準(zhǔn)則構(gòu)造濾波器設(shè)計的優(yōu)化問題，按如下步驟進(jìn)行: (4al)將每個濾波器系數(shù)表示成為濾波器延時P的多項式:
4.一種基于全通型可變分?jǐn)?shù)延時濾波器的寬帶數(shù)字波束形成方法，其中步驟(4b)所述的迭代求解上述優(yōu)化問題，按如下步驟進(jìn)行: (4bI)初始化: 確定濾波器階數(shù)L和濾波器系數(shù)的多項式擬合階數(shù)M ； 確定理想分?jǐn)?shù)延時濾波器群延遲響應(yīng)D(G)，ρ) =-ω(Ι+ρ)中的整數(shù)部分=
【文檔編號】G01S7/02GK103969626SQ201410213361
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】蘇濤, 吳凱 申請人:西安電子科技大學(xué)