宽带波束形成算法设计与实现.pdf

浙江大学信息科学与工程学院
硕士学位论文
宽带波束形成算法设计与实现
姓名:陈其璋
申请学位级别:硕士
专业:信息与通信工程
指导教师:徐文
20080801
摘要波束形成作为阵列信号处理的基本方法,在雷达、声纳、通信等诸多领域得到了广泛应用。波束形成主要有两方面的作用,一方面获得抗噪声、干扰和混响的空间增益,另一方面得到较高的空间分辨率,用以确定目标方位。同时,为了提高系统时域分辨率从而提高检测/通信性能,声纳、雷达、通信等系统中经常采用宽带信号形式。因此对宽带信号波束形成方法的研究有着重要的实际意义。本文首先介绍了波束形成和空间滤波的基本概念以及常见的波束形成方法,包括时域插值波束形成方法和频域波束形成方法,之后发展了时域波束形成方法的多相瞬ㄆ魇迪郑⒄攵源ㄐ藕盘岢隽嘶诙嘞郌滤波器的带通采样波束形成方法。这种方法具有以下特点:⒀≡窈鲜实牟裳德剩沟貌裳输出的同时自然实现正交解调,避免了正交解调模拟电路的使用;⒉捎肍滤波器一次性完成与信号匹配的低通滤波、内插延时和相位旋转,实现真碌难时波束形成;⒛诓逑凳刹沽隳诓宀ㄊ纬煞椒ㄖ谢袢「髀沸藕哦杂ρ邮蹦插点的低通滤波系数确定。该方法尤其适用于宽带信号的处理。实际阵列系统中各阵元通道之间接收响应往往存在不同程度的差异,特别对于宽带信号系统,因此必须进行通道校准,否则将会因失配导致波束形成性能的下降。本论文结合特征子空间校准和通道均衡校准两种方法,进行了通道接收响在上述理论研究的基础上,本论文进行了有关的计算机仿真实验。执行了带通道校准的时域波束形成和匹配滤波,分析了波束形成的相关性能,并和采用频域波束形成方法的仿真进行了比较。结果表明两者在波束形成的仿真实现性能上并无明显差别,但论文提出的时域波束形成方法在波束数较少时能减少所需要的硬件计算资源。最后,本论文把基于多相瞬ㄆ鞯拇ú。在硬件实现上提出了一种级联结构多通道波器,该结构适合于在中实现,较传统滤波器执行节省大量逻辑资源。仿真与实际测试结果都表明所设计的代码很好地执行了宽带波束形成的功关键词:宽带信号,波束形成,带通采样,通道校准,瞬ㄆ鳎現应失配的建模和校准研究。能,达到了波束形成的实时性要求。浙江大学硕士学位论文
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课题背景和意义第一章绪论波束形成作为阵列信号处理中的一种基本方法,已经得到了广泛而深入的研究,并且在雷达、声纳、通信、地震勘探、天文以及医学诊断等多个国民经济和国防技术领域得到了应用。对于空间探测和信息传输系统,需要完成空域信号的发射、接收和处理。将一组传感器按一定方式布置在空间不同位置上,形成传感器阵列;用传感器阵列来接收空间信号,相当于对空间分布的场信号采样,得到信号源的空间离散观测数据。在现代雷达和声纳系统中,采用传感器阵接收目标信号,利用阵结构、阵元特性等先验知识,融合各个阵元的数据,使用先进的信号处理手段,可实现对目标的检测、定位、分类和跟踪。在这些相关的信号和信息处理过程中,波束形成是非常重要的一个环节,它实质上起到了空间滤波【康作用。它的作用主要在两个方面:一方面是进行空间处理,获得抗干扰噪声和混响的空间增益;另一方面用来得到较高的空间分辨率,用以确定目标方位。补偿至波前对齐然后相加,从而增强波束方向上的信号,同时抑制其他方向的信号和环境噪声的处理过程。波束形成实质上是利用各阵元接收的目标信号的相关性和各阵元噪声的无关性来获得空间增益。为了让传感器阵列指向一个或多个特定的方向,或者加强从某个或多个方向来的信号,必须首先对每一路传感器的信号按该波束方向进行延时,然后再把补偿至波前对齐的各路信号相加。因为各阵元的噪声是不相关的,相加并不能获得噪声增益,所以总的效应是信噪比得到提在雷达或者声纳系统中,除了波束形成之外,匹配滤波恳嗍切藕糯淼核心环节。进行匹配滤