基于全通型可變分數延時濾波器的寬帶數字波束形成方法
【專利摘要】本發明公開一種基于全通型可變分數延時濾波器的寬帶數字波束形成方法，主要解決現有技術所需濾波器的階數多，復雜度高的問題。其實現步驟是：1.根據雷達系統參數，確定采樣率fs和采樣時間ts；2.根據雷達陣列幾何結構和采樣時間ts，計算每個陣元相對于參考陣元的傳播時延τ；3.根據采樣率fs，選擇AD芯片，將陣元接收的模擬信號數字化；4.根據傳播時延τ和數字化的后的接收信號，設計全通型可變分數延時濾波器；5.對數字化的接收信號進行濾波；6.補償濾波后信號的相位延遲；7.選擇窗函數，對濾波補償后的信號加權求和得到波束形成結果。本發明可實現寬帶數字波束形成，節省硬件資源，增強實時性，可用于寬帶數字陣列雷達。
【專利說明】基于全通型可變分數延時濾波器的寬帶數字波束形成方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于雷達【技術領域】，涉及寬帶數字波束形成，可用于寬帶數字陣列雷達信號處理。
【背景技術】
[0002]陣列雷達信號處理，就是將多個傳感器設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、抗干擾能力強和空間分辨力高等優點，在雷達、射電天文、聲吶、通信、測向、地震學及醫學診斷等領域獲得人們的廣泛關注和迅速發展。陣列信號處理的研究內容主要有兩類:一類是空間譜估計，它通過陣列接收數據，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行采樣，通過一定的加權，盡可能地提高陣列輸出的有用信號的強度，同時抑制其它來向的信號強度。
[0003]目前，波束形成技術大都是針對窄帶信號而言的，但隨著陣列信號處理的應用范圍越來越廣，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處理寬帶信號，則因不能根據不同的頻率分量實現不同的加權，導致波束方向圖發生畸變，具體表現為波束指向偏移和波束展寬，即空間色散和時間色散問題。現有的寬帶波束形成方法主要有頻域和時域寬帶波束形成方法。
[0004]頻域寬帶波束形成方法，是先對寬帶信號進行窄帶分解，然后對每一個窄帶分量做相應的波束加權。已有的頻域寬帶恒定束寬波束形成方法主要利用不同孔徑的子陣接收不同的信號頻域分量，補償波束隨頻率的變化。由于子陣數目有限，該方法形成的波束雖然可以在各個頻段內保持恒定束寬，但信號在整個頻率單位內仍有畸變，且實現比較復雜。同時，利用離散傅里葉變換在頻域上對各頻率分量進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，導致輸出信號時域波形的相位不連續。
[0005]時域寬帶波束形成方法，是通常采用抽頭延遲線組結構或FIR濾波器結構來實現寬帶波束形成。抽頭延遲線的長度或FIR濾波器的階數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濾波器的階數越高。當頻率較高、帶寬較大時，需要較長長度的抽頭延遲線組或較高階數的FIR濾波器，收斂速度較慢，計算量較大，同時采樣頻率實現困難，甚至無法實現。另外，在已有的寬帶數字波束形成方法中，每個陣元相對于參考陣元具有不同的延時，需要為每個陣元設計不同的分數延時濾波器，設計復雜度高，任務量大。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于針對上述寬帶數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數延時濾波器的寬帶數字波束形成方法，以減小所需濾波器的階數，降低了設計復雜度。[0007]為實現上述目的，本發明包括以下步驟:
[0008](1)根據雷達系統參數確定采樣率fs，得到采樣時間ts = l/fs ；
[0009](2)根據陣列的幾何結構確定每個雷達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果；
[0010](3)選擇AD芯片，將各個雷達陣元接收的模擬信號轉化成數字信號χη，其中，I≤η≤N, N為總的陣元個數；
[0011](4)根據雷達系統參數，采用迭代優化方法設計全通型分數延時濾波器；
[0012](5)將數字信號\和濾波器的時延Λ作為輸入變量，輸入到全通型可變分數延時
濾波器進行濾波，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e的冪，j為虛數單位，,=^Tl, η表示半圓對應的弧度，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)根據雷達波束旁瓣電平δ,選擇窗函數對^加權求和，得到波束形成結果
【權利要求】
1.一種基于全通型可變分數延時濾波器的寬帶數字波束形成方法，包括如下步驟: (1)根據雷達系統參數確定采樣率fs，得到采樣時間ts= l/fs ； (2)根據陣列的幾何結構確定每個雷達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果； (3)選擇AD芯片，將各個雷達陣元接收的模擬信號轉化成數字信號χη，其中，I≤η≤N, N為總的陣元個數； (4)根據雷達系統參數，采用迭代優化方法設計全通型分數延時濾波器； (5)將數字信號\和濾波器的時延△作為輸入變量，輸入到全通型可變分數延時濾波器進行濾波，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e的冪，j為虛數單位，= P，表示半圓對應的弧度，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)根據雷達波束旁瓣電平叭選擇窗函數對加權求和，得到波束形成結果y = lH/(/;)_yn，其中，W(n)是選定的窗函數的離散函數值，I≤η≤N。
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2.一種基于全通型可變分數延時濾波器的寬帶數字波束形成方法，其中步驟(4)所述的根據雷達系統參數，采用迭代優化方法設計全通型分數延時濾波器，按如下步驟進行: (4a)以加權最小均方誤差準則構造濾波器設計的優化問題； (4b)迭代求解上述優化問題。
3.一種基于全通型可變分數延時濾波器的寬帶數字波束形成方法，其中步驟(4a)所述的以加權最小均方誤差準則構造濾波器設計的優化問題，按如下步驟進行: (4al)將每個濾波器系數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數延時濾波器的寬帶數字波束形成方法，其中步驟(4b)所述的迭代求解上述優化問題，按如下步驟進行: (4bI)初始化: 確定濾波器階數L和濾波器系數的多項式擬合階數M ； 確定理想分數延時濾波器群延遲響應D(G)，ρ) =-ω(Ι+ρ)中的整數部分=
【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 優先權日:2014年5月20日
【發明者】蘇濤, 吳凱 申請人:西安電子科技大學
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