CN106209125B - 一种通用的新型宽带波束形成系统及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型宽带波束形成系统及实现方法，该宽带波束形成系统由一组天线阵列，一组带通滤波器以及一组乘法器和加法器组成，通过天线阵元接收到空间信号，每一路信号通过一组带通滤波器，在指定的带宽范围内进行频率分解并进行相应的处理，在整个波束形成器的信号处理过程中，保留每一路的相对相位信息，从而保留了每路信号的空间的信息，再通过乘法器和加法器加权处理合并得到相应的恒定束宽的波束方向图。本发明降低了系统的硬件复杂度和系统反应的时间，从而保证得到实时、有效、灵活、可靠的宽带恒定波束指向。

Description

一种通用的新型宽带波束形成系统及实现方法
技术领域
本发明涉及一种用于电子领域的宽带系统及实现方法，具体地，涉及一种新型宽带波束形成系统及识别方法。
背景技术
数字波束形成(DBF)是利用数字信号处理技术，对由天线阵列接收到的信号进行加权，通过调整各阵元的权值从而使得信号得以有效的接收。这是由于各阵元的权值组成阵列的权矢量，权矢量直接决定了自适应阵列的方向图，即决定了对有用信号的接收效果。早期的数字波束形成主要是针对窄带信号而言的，但随着阵列信号处理应用范围越来越广，实际中遇到了许多宽带信号处理的问题，如对地震信号、语音信号以及声纳信号的处理。传统的基于窄带的波束形成算法，当用于宽带信号时，会导致波束的指向、主瓣宽度在不同频点上发生很大的变化，引起偏差。因此，在宽带信号源大量存在的情况下，如何进行宽带波束形成，已经成为无线通信中的一个研究热点。
较早出现的宽带DBF方法是基于非相干信号子空间方法(ISM)，它将宽带信号分解为若干子带，在每一个子带上直接进行窄带处理，即对每一个子带的信号相关矩阵进行窄带波束形成，对所有子带的加权值进行算术平均或几何平均，最后得出宽带信号DBF。通常这类处理算法不能得到满意的结果，主要原因在于计算量大、无法估计相干信号源。
经典的Capton波束形成器或最小方差无失真响应波束形成器。这类波束形成器需要预先知道期望信号的方位信息，如果对期望信号的来波方向估计不准，会导致主波束指向一个错误的方向，此时最优权值会把期望信号当做干扰来抑制，从而在真实的来波方向形成零陷，因此在信噪比较高的环境下性能较为恶劣。对角加载技术可以在一定程度上改善波束形成的性能，但是如何准确选取对角加载量仍然是一个技术难题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种通用的新型宽带波束形成系统，同时提供一种具体的针对圆形阵列而设计的宽带波束形成系统实现方法，降低了系统的硬件复杂度和系统反应的时间，从而保证得到实时、有效、灵活、可靠的宽带恒定波束指向。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种通用的新型宽带波束形成系统，该宽带波束形成系统由一组天线阵列，一组带通滤波器以及一组乘法器和加法器组成，通过天线阵元接收到空间信号，每一路信号通过一组带通滤波器，在指定的带宽范围内进行频率分解并进行相应的处理，在整个波束形成器的信号处理过程中，保留每一路的相对相位信息，从而保留了每路信号的空间的信息，再通过乘法器和加法器加权处理合并得到相应的恒定束宽的波束方向图。
一种通用的新型宽带波束实现方法，包括步骤如下：
1)通过天线阵列对来波信号进行接收，每个子阵元接收到信号的相位与空间位置有关，每个阵元接收的信号为单独一路；
2)将每一路信号进行频率分解处理，然后将相同频率下不同路的信号应用宽带波束形成算法设计权重，进行加权处理；
3)将每路得到的宽带分解信号进行加权输出，得到宽带恒定波束方向图。
所述步骤1)包括如下：
首先对来波进行接收，假设来波信号为S(t)，有N个阵元，阵元i(0≤i≤N)接收到的信号为
Figure BDA0001056271000000021
这里
Figure BDA0001056271000000022
为与空间位置有关的一个参量。以数组表示如下：
Figure BDA0001056271000000023
其中y(t)为接收信号，yi(t)分别表示第i个阵元接收到的信号。
本发明中需要设计均匀圆形阵列(UCA)宽带波束形成算法，那么
Figure BDA0001056271000000024
其中f是来波信号的频率，θ为来波信号的方位角，c表示光速，r表示圆形阵列的半径，θi为圆形阵列阵元的空间位置分布情况。
所述步骤2)包括如下：
对每路信号经过一组带通滤波器，得到中心频点在[fL,fH]范围内的一系列窄带信号Jik(t)，表示第i路、第k个频点上的来波信号分量，其数学映射关系如下：
Γ(yi(t))＝Jik(t) (3)
其中，Γ(·)代表每路来波信号到频率分解信号的映射关系。
对相同频率的不同路的信号应用基于粒子群算法(PSO)设计的权重进行加权累加，得到与参考频点方向图在合理误差范围内的恒定方向图。
Figure BDA0001056271000000031
其中，p(t|fo)表示参考频点fo的综合方向图，p(t|fk)表示频点fk的综合方向图，wik表示第i路、第k个频点信号的权重，该权重由基于PSO优化算法得出。
所述步骤3)包括如下：
将步骤2)中的处理得到的每个频点下的综合方向图与参考频点的综合方向图作窄带方向图综合近似，由于存在不同的窄带波束形成方法，所以处理也存在差别，在本发明中，针对圆形阵列的阵列流行的特点，此处采用基于PSO智能优化算法的实现方法设计窄带频点fk的权重wik，实现方法关键在于误差系数设计和适应度函数设计，即如下3个公式的设计：
Figure BDA0001056271000000032
Error_Max＝max(Error(θ)),θ∈[0,360) (6)
min(Error_Max)＜delta (7)
式(5)表示在p(t|fk)在方位角[0,360)范围内与参考方向图的相对误差大小，式(6)表示选取方位角角度范围内误差的最大值，式(7)表示PSO优化算法的适应度函数，表示利用PSO算法不断优化圆形天线阵列权重系数wik，使其所有粒子中最大误差的最小值小于给定的误差delta。对每个频点fk下的方向图进行所述的优化操作，就可以得到给定宽频带范围的恒定波束指向方向图设计。
本发明具有如下优点：
1)相对于传统的窄带波束形成器，宽带波束形成器可以处理更大带宽，可以携带更多信息；
2)相对于其他常见的宽带波束形成算法，基于PSO优化设计权函数的算法降低了角度依赖性，一组权系数就可以实现所要求的角度范围内的恒定波束方向图；
3)由于基于传统的天线阵列形式，可以实现与常见波束形成算法的结合使用，实现宽带波束形成器的功能复用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中新型宽带波束形成器结构的示意图；
图2为本发明中圆形阵列结构的示意图；
图3为本发明中圆形阵列宽带波束形成算法流程图；
图4为本发明中采用的圆形阵列参考频点波束方向图；
图5为本发明中采用的波束形成算法误差分布图；
图6为本发明中指定宽带范围内2D恒定波束方向图；
图7为本发明中指定宽带范围内3D恒定波束方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的通用的新型宽带波束形成系统包括天线阵列1、带通滤波器2、加权器3、加法器4和乘法器5。
天线阵列1为通用阵列结构，均匀直线阵列或者均匀圆形阵列，本实施例提供均匀圆形阵列实现方法。
带通滤波器2为窄带带通滤波器，可提供多组频率的分解。
加权器3为提供参考频率和目标频率的权重的加法器。
加法器4为提供权重为1的加法器。
乘法器5为通用两级乘法器。
如图2所示，采用圆形天线阵列作为宽带波束形成器的天线阵元阵列，本实施案例采用了N＝5的圆形阵列进行实施方式说明。
如图3所示，采用基于PSO的宽带波束形成算法流程图，首先是利用图2所述的圆形天线阵列进行宽带信号的采集，然后利用带通滤波器进行每一子通道信号的频率分解，然后利用PSO宽带波束形成算法计算初始权重，根据适应度函数对宽带范围内的频点方向图与参考频点的方向图的误差是否达到收敛条件，如果没有达到则继续优化设计，达到了就输出结果权重，则得到满足宽带范围内的恒定波束形成条件的宽带波束方向图。
如图4所示，参考频点fo＝2.5GHz，N＝5的圆形阵列的窄带参考方向图。
如图5所示，采用图3所示的流程图进行宽带波束形成流程过后，得到的最优权重的相对误差在方向角360度里的分布情况，可以看出，相对误差都在0.02之下。
如图6和图7所示，频率在[2.2GHz,2.8GHz]范围内的宽带信号，经过处理之后的2D和3D方向图，可以看出取得了良好的效果。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种通用的新型宽带波束形成系统，其特征在于，包括一组天线阵列、一组带通滤波器、加权器以及一组乘法器和加法器，所述天线阵列为均匀圆形阵列；
首先对来波进行接收，假设来波信号为S(t)，有N个阵元，阵元i接收到的信号为
Figure FDA0002595114390000011
其中0≤i≤N，这里
Figure FDA0002595114390000012
为与空间位置有关的一个参量，以数组表示如下：
Figure FDA0002595114390000013
其中y(t)为接收信号，yi(t)分别表示第i个阵元接收到的信号，
对于均匀圆形阵列(UCA)，需要设计均匀圆形阵列宽带波束形成算法，那么：
Figure FDA0002595114390000014
其中f是来波信号的频率，θ为来波信号的方位角，c表示光速，r表示圆形阵列的半径，θi为圆形阵列阵元的空间位置分布情况；
对每路信号经过一组带通滤波器，得到中心频点在[fL,fH]范围内的一系列窄带信号Jik(t)，表示第i路、第k个频点上的来波信号分量，其数学映射关系如下：
Γ(yi(t))＝Jik(t) (3)
其中，Γ(·)代表每路来波信号到频率分解信号的映射关系，
对相同频率的不同路的信号应用基于粒子群算法(PSO)设计的权重进行加权累加，得到与参考频点fo的综合方向图在合理误差范围内的频点fk的综合方向图，
Figure FDA0002595114390000015
其中，p(t|fo)表示参考频点fo的综合方向图，p(t|fk)表示频点fk的综合方向图，wik表示第i路、第k个频点信号的权重，该权重由基于PSO优化算法得出；
将处理得到的每个频点下的综合方向图与参考频点的综合方向图作窄带方向图综合近似，针对圆形阵列采用基于PSO优化算法的实现方法设计频点fk的权重wik，实现方法关键在于误差系数设计和适应度函数设计，即如下3个公式的设计：
Figure FDA0002595114390000021
Error_Max＝max(Error(θ)),θ∈[0°,360°) (6)
min(Error_Max)＜delta (7)
式(5)表示在p(t|fk)在方位角[0°,360°)范围内与参考频点fo的综合方向图的相对误差大小，式(6)表示选取方位角角度范围内误差的最大值，式(7)表示PSO优化算法的适应度函数，表示利用PSO算法不断优化圆形天线阵列权重系数wik，使其所有粒子中最大误差的最小值小于给定的误差delta，对每个频点fk下的综合方向图进行优化操作，即可得到给定宽频带范围的恒定波束指向方向图设计。
2.根据权利要求1所述的通用的新型宽带波束形成系统，其特征在于，所述带通滤波器为窄带带通滤波器，能够提供多组频率的分解。
3.根据权利要求1所述的通用的新型宽带波束形成系统，其特征在于，所述加权器为提供参考频率和目标频率的权重的加法器。
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