CN110988812A - 一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，包括对真实阵面接收数据矩阵的每一个快拍进行建模并外推，得到外推快拍，得到外推数据接收矩阵；对所述外推接收数据矩阵顺次进行整数延时和分数延时，并对延时后的结果求和，从而实现高分辨接收数字波束形成。本发明大幅提升接收数字波束形成的分辨力，从而提升了雷达发现目标和对目标定位的能力。

Description

一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法

技术领域

本发明属于雷达系统设计或信号处理领域，具体涉及一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法。

背景技术

波束形成通过对阵列阵面不同天线单元接收或者发射的信号进行处理，从而实现空间滤波，抑制干扰噪声，提高信噪比，实现多目标分辨等功能。随着计算机、集成电路技术的进步，数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)方法应运而生。DBF把以前繁杂的硬件电路改为数字模块实现，更方便调整幅度与相位，能够适应宽带信号，有效降低对模拟部件的要求，因此更加方便快捷。高分辨力波束形成技术能够分辨不同方位俯仰方向更多目标，是大幅提升对目标的探测能力与成像能力的基础，然而天线或传感器在封装，体积，以及供电系统上的限制越来越多，阵列阵面孔径在实际应用中受到越来越多的限制。根据相控阵雷达波束宽度计算公式，阵列阵面孔径越大，则波束宽度越窄，分辨力越高。如何小孔径阵列阵面上实现高分辨力接收数字波束形成得到了广泛关注。

与此同时随着雷达应用场景的复杂程度大大提升，高分辨率雷达成像越来越多的使用宽带与超宽带雷达信号。然而，经典的相控阵雷达是以窄带信号作为发射或接收信号，往往不考虑信号带宽内频率变化对波束的影响，因此相控阵技术应用于超宽带信号波束形成会导致波束指向随频率变化等诸多问题，因此使用延时技术是实现宽带与超宽带信号数字波束形成的关键环节。使用整数延时结合分数延时滤波器的方法可以灵活配置各个阵元的延时，不必采用灵活性差且昂贵的模拟电路与光学方法，简化系统实现。

综上所述，研究超宽带信号数字波束形成，特别是在孔径受限的条件下高分辨力接收数字波束形成技术及成像技术，具有十分重要的理论与实际意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，能够有效提升了小孔径阵面的数字波束形成性能，并具备简易、灵活的特点。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，包括：

对真实阵面接收数据矩阵的每一个快拍进行建模并外推，得到外推快拍，得到外推数据接收矩阵；

对所述外推接收数据矩阵顺次进行整数延时和分数延时，并对延时后的结果求和，从而实现高分辨接收数字波束形成。

可选地，所述对真实阵面接收数据矩阵的每一个快拍进行建模并外推，得到外推快拍，得到外推数据接收矩阵，包括以下步骤：

取出真实阵面接收数据矩阵Y的一个快拍y[n]，n＝0,1,……,N-1，N为快拍总数；

使用典型值法确定二维AR模型的阶数，阶数用(p_x，p_y)表示，p_x是x轴方向上的阶数，p_y是y轴方向上的阶数，p_x和p_y均为正整数，且p_x和p_y不能同时为1；

使用格型算法确定二维AR模型参数；

利用所述二维AR模型参数进行矢量外推，扩展y[n]，得到外推快拍y_E[n]；

在完成全部快拍y[n]的扩展后，所有外推快拍y_E[n]构成了外推数据接收矩阵Y_E。

所述p_x的典型值范围是1-L_x/2，p_y的典型值是1-L_y/2，其中，L_x和L_y分别为沿x轴和y轴的天线数。

快拍y[n]的表达式为：

其中，u_x真实阵为沿x轴的天线序号u_x＝0，1,……，L_x-1，；u_y为真实阵沿y轴的天线序号，u_y＝0，1，……，L_x-1；

为真实阵面第(u_x，u_y)个天线单元接收的信号，

f_s是采样率；

是该天线单元的噪声；n为采样序号，n＝0，1，…，N-1，

是第m个入射信号到真实阵面第(u_x，u_y)个天线的距离；

L_x和L_y分别为真实阵沿x轴和y轴的天线数，因而真实阵天线单元是一个L_x×L_y矩形阵；d_x和d_y分别为沿x轴y轴上的阵元间距；θ_m和

表示第m个入射信号的方位角与俯仰角；信号源的总个数为M，m＝0,1,……,M-1。

所述外推快拍y_E[n]的表达式为：

其中：

外推阵中，第(l_x,l_y)个天线的信号的表达式为：

其中，

是第m个目标到外推阵第(l_x,l_y)个天线的距离，

c为光速；

为为外推阵第(l_x,l_y)个天线单元上的模拟噪声信号；

为外推阵第(l_x,l_y)个天线单元经过采样后得到的数字信号。f_s是采样率；θ_m和

表示第m个入射信号的方位角与俯仰角；信号源的总个数为M，m＝0，1，……，M-1。

l_x是外推阵沿x轴的序号，l_x＝0，…，L_x-1；

l_y是外推阵沿y轴的序号l_y＝0，…，L_y-1。

所述对所述外推接收数据矩阵顺次进行整数延时和分数延时，具体为：

基于数据位移的方法对所述外推接收数据矩阵进行整数延时；

利用分数延时滤波器完成对所述外推接收数据矩阵的分数延时。

可选地，所述分数延时滤波器的系数表达式为：

其中，d表示

floor(·)表示去向下取整操作，L为滤波器阶数。

经分数延时滤波器处理后的信号的表达式为：

其中O表示经过滤波器后的信号输出，

是延时补偿，

的表达式为：

式中，

表示需要增强该方向的入射信号，θ表示方位角，

表示俯仰角，其中θ∈[-90,90]，

是外推阵第(l_x,l_y)个天线的延时。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明大幅提升接收数字波束形成的分辨力，从而提升了雷达发现目标和对目标定位的能力。

本发明在满足高分辨力的同时，减少天线阵元的使用量。

本发明能够灵活、简易地实现超宽带信号的延时。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明的实现超宽带信号接收数字波束形成方法的流程图。

图2是本发明的真实天线单元面阵示意图；

图3是本发明中步骤(1)的实现原理图。

图4(a)为原始面阵接收波束图；

图4(b)为真实大孔径面阵接收波束图；

图4(c)为虚拟面阵接收波束图；

图5(a)为原始面阵接收波束图；

图5(b)为真实大孔径面阵接收波束图；

图5(c)为使用虚拟面阵的接收波束图；

图6(a)为原始面阵接收波束图；

图6(b)为真实大孔径面阵接收波束图；

图6(c)为虚拟面阵接收波束图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明的实现超宽带信号接收数字波束形成方法，具体包括以下两个步骤

步骤(1)对真实阵面接收数据矩阵Y的每一个快拍y[n]进行建模并外推，得到虚拟阵面外推快拍y_E[n]，从而得到外推数据接收矩阵Y_E，所述外推数据接收矩阵Y_E即虚拟面阵接收数据矩阵；

步骤(2)对所述外推接收数据矩阵Y_E顺次进行整数延时和分数延时，并对延时后的结果求和，从而实现高分辨接收数字波束形成。

在实际应用过程中，输入数据为真实阵面接收数据矩阵Y，真实阵面的示意图如图2所示。所有天线单元位于xoy平面上，L_x和L_y分别为沿x轴和y轴的天线数，因而面阵天线单元的尺寸L_x×L_y。d_x和d_y分别为沿x轴y轴上的阵元间距。θ_m和

表示第m个入射信号的方位角与俯仰角。信号源的总个数为M，m＝0,1,……,M-1。真实阵第(u_x，u_y)个天线单元接收的信号可以表示为：

其中，u_x为沿x轴的天线序号u_x＝0，1,……，L_x-1，；u_y为沿y轴的天线序号，u_y＝0，1，……，L_x-1；c为光速；

为真实阵面第(u_x，u_y)个天线单元接收的信号，f_s是采样率；

是该天线单元的噪声；n为采样序号，n＝0，1，…，N-1，

是第m个入射信号到真实阵面第(u_x，u_y)个天线的距离；

超宽带信号y(t)由下式表示：

其中，μ＝B/t₀，B为信号带宽。t₀为信号时长，t₀＝N/f_s.f₀为起始频率，因而中心频率为f₀-B/2。

对于单个快拍而言，所有天线单元接收到的信号矩阵y[n]可由下式表示：

y[n]是一个L_x×L_y×1矩阵，其中n＝0,1,…,N-1。所有y[n]构成了真实阵面接收数据矩阵Y，Y是一个L_x×L_y×N矩阵。

所述步骤(1)的流程图如图3所示。首先，取出原始测量数据矩阵Y的一个快拍y[n]，其中，n＝0,1,……,N-1，N为快拍总数。接着，使用典型值法确定二维AR模型的阶数，所述阶数用(p_x,p_y)表示，p_x是x轴方向上的阶数，p_y是y轴方向上的阶数。p_x和p_y均为正整数，且p_x和p_y不能同时为1。典型值法就是直接选取定p_x和p_y的典型值。p_x典型值范围是1到L_x/2。p_y的典型值是1到L_y/2。然后使用格型算法确定二维AR模型参数，该方法是一种使用迭代方法得到二维AR模型参数的快速算法。接着是利用得到的二维AR模型参数进行矢量外推，扩展y[n]，并得到外推快拍y_E[n]，并将y_E[n]保存。在完成全部快拍y[n]的扩展后，所有外推快拍y_E[n]构成了外推数据接收矩阵Y_E。

步骤(1)中，y_E[n]的表达式可由下式表示：

其中

y_UL[n]是一个

矩阵,y_U[n]是一个

矩阵，y_UR[n]是一个

矩阵,y_L[n]是一个

矩阵，y_L[n]是一个

矩阵，y_DL[n]是一个

矩阵,y_D[n]是一个

矩阵，y_DR[n]是一个

矩阵。8个矩阵y_UL[n],y_U[n]，y_UR[n],y_L[n]，y_L[n]，y_DL[n],y_D[n]，y_DR[n]均由矩阵y[n]利用所述二维AR模型参数进行矢量外推而来，使用格型算法确定二维AR模型参数。

Y_E[n]中，第(l_x,l_y)个天线的信号可由下式表示：

其中，

是扩展阵中第m个目标到第(l_x,l_y)个天线的距离，

可由下式表示

l_x是外推阵沿x轴的序号，l_x＝0，…，L_x-1；

l_y是外推阵沿y轴的序号l_y＝0，…，L_y-1。

步骤(2)是使用数字延时技术对外推数据接收矩阵Y_E延时，并求和，从而实现高分辨接收数字波束形成。使用数字延时技术时，先进行整数延时，再进行分数延时。整数延时通过对某一天线单元接收数字信号进行数据移位实现。分数延时通过分数延时滤波器实现。

定义

为

通过分数延时滤波器后的信号，

由下式表示：

其中O表示经过滤波器后的信号输出，

是延时补偿，

的表达式为：

表示需要增强该方向的入射信号，θ表示方位角，

表示俯仰角，θ∈[-90,90]，

是第(l_x,l_y)个天线的延时，

由整数延时

与分数延时

两部分组成，即

当θ＝θ_m且

时，阵列达到最大输出。

分数延时滤波器的设计方法如下：

将

简写成D，将整数延时

与分数延时

分别简写为I和d，则

D＝I+d,d∈[-0.5,0.5]

整数延时部分D通过数据移位完成，分数延时部分d通过分数延时滤波器实现。分数延时滤波器系数h[l]由下式表示

式中，floor(·)表示去向下取整操作。该滤波器可以写出闭式解，使用方便。至此，高分辨接收数字波束形成完成。

系统的输出是波束图，即不同方位向俯仰向的信号幅度图或归一化幅度图。

仿真实验：

仿真实验有共有三组，每组仿真中我们使用三种不同的方法比较波束形成效果，第一种是原始面阵接收阵列信号的波束形成，第二种方法真实大孔径接收面阵信号矩阵的波束形成，第三种是使用该虚拟阵面结合分数延时滤波器的高分辨波束形成方法，虚拟面阵的孔径将扩充到与真实大孔径面阵相同。三组仿真中，第一组仿真为单目标的面阵波束形成，第二组仿真为两个相同信噪比目标的波束形成，第三组仿真为两个不同信噪比的波束形成。为使波束形成的效果图显示更清晰，所有低于-20dB的旁瓣将会被设置为-20dB。

每组仿真中阵面接收的信号仍为超宽带线性调频信号，该信号表示如下

上式中B＝0.5GHz,f_s＝4.5GHz,f₀＝2.25GHz，N＝500。d_x＝d_y＝0.075m。阵列扩展因子α_x＝α_y＝7。分数延时滤波器阶数L为31。

第一组仿真用于实现单目标高分辨力面阵波束形成，下表为该仿真的参数。

图4展示了三种方法的波束形成效果对比。图4(a)图4(b)以及图4(c)分别为对原始面阵接收信号，真实大孔径面阵接收信号和虚拟面阵接收信号的波束形成图。从图(b)和图(c)中可以看出使用虚拟阵的波束宽度与使用真实大孔径阵的波束宽度相仿。图(c)中的波峰出现在正确的来波方向。因此，使用虚拟面阵能够有效提升阵面分辨力。

第二组仿真用于实现双目标高分辨力面阵波束形成，两个目标信噪比相同，下表为该仿真的参数。

图5展示了三种方法的波束形成效果对比。图5(a)图5(b)以及图5(c)分别为对原始面阵接收信号，真实大孔径面阵接收信号和虚拟面阵接收信号的波束形成图。从图5(a)中可以看出，两个目标无法分辨，而从图5(c)中可以看出两个目标的波峰出现在正确的来波方向。而且波束宽度大大减小，分辨力有了很大提升。因此，该方法适合小尺寸面阵的高分辨超宽带信号波束形成。

第三组仿真用于实现双目标高分辨力面阵波束形成，两个目标信噪比不，下表为该仿真的参数。

图6展示了三种方法的波束形成效果对比。图6(a)、图6(b)以及图6(c)分别为对原始面阵接收信号，真实大孔径面阵接收信号和虚拟面阵接收信号的波束形成图。从图6(c)中可以看出波峰出现在正确的来波方向，且能够检测出信噪比较小的目标。因此，该方法能够提升雷达发现目标和对目标定位的能力并大幅减小天线数。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，其特征在于，包括：

对真实阵面接收数据矩阵的每一个快拍进行建模并外推，得到外推快拍，进而得到外推数据接收矩阵；

对所述外推接收数据矩阵顺次进行整数延时和分数延时，并对延时后的结果求和，从而实现高分辨接收数字波束形成。

2.根据权利要求1所述的一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，其特征在于：所述对真实阵面接收数据矩阵的每一个快拍进行建模并外推，得到外推快拍，进而得到外推数据接收矩阵，包括以下步骤：

取出真实阵面接收数据矩阵Y的一个快拍y[n]，n＝0，1，……，N-1，N为快拍总数；

使用典型值法确定二维AR模型的阶数，阶数用(p_x，p_y)表示，p_x是x轴方向上的阶数，p_y是y轴方向上的阶数，p_x和p_y均为正整数，且p_x和p_y不能同时为1；

使用格型算法确定二维AR模型参数；

利用所述二维AR模型参数进行矢量外推，扩展y[n]，得到外推快拍y_E[n]；

在完成全部快拍y[n]的扩展后，所有外推快拍y_E[n]构成了外推数据接收矩阵Y_E。

3.根据权利要求2所述的一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，其特征在于：所述p_x的典型值范围是1-L_x/2，p_y的典型值是1-L_y/2，其中，L_x和L_y分别为沿x轴和y轴的天线数。

4.根据权利要求2所述的一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，其特征在于：所述真实阵面接收数据的某个快拍y[n]的表达式为：

其中，u_x为沿x轴的天线序号u_x＝0，1，……，L_x-1，；u_y为沿y轴的天线序号，u_y＝0，1，……，L_x-1；c为光速；

为真实阵面第(u_x，u_y)个天线单元接收的信号，f_s是采样率；

是该天线单元的噪声；n为采样序号，n＝0，1，…，N-1，

是第m个入射信号到真实阵面第(u_x，u_y)个天线的距离；

L_x和L_y分别为沿x轴和y轴的天线数，因而面阵天线单元的尺寸L_x×L_y；d_x和d_y分别为沿x轴y轴上的阵元间距；θ_m和

表示第m个入射信号的方位角与俯仰角；信号源的总个数为M，m＝0，1，……，M-1。

5.根据权利要求4所述的一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，其特征在于：所述外推快拍y_E[n]的表达式为：

其中：

y_UL[n]是一个

矩阵,y_U[n]是一个

矩阵，y_UR[n]是一个

矩阵,y_L[n]是一个

矩阵，y_L[n]是一个

矩阵，y_DL[n]是一个

矩阵,y_D[n]是一个

矩阵，y_DR[n]是一个

矩阵，8个矩阵y_UL[n],y_U[n]，y_UR[n],y_L[n]，y_L[n]，y_DL[n],y_D[n]，y_DR[n]均由矩阵y[n]利用所述二维AR模型参数进行矢量外推而来，二维AR模型参数使用格型算法确定；

外推阵中，第(l_x,l_y)个天线的信号的表达式为：

其中，

是第m个目标到外推阵第(l_x,l_y)个天线的距离，

c为光速；

为为外推阵第(l_x,l_y)个天线单元上的模拟噪声信号；

为外推阵第(l_x,l_y)个天线单元经过采样后得到的数字信号，f_s是采样率；θ_m和

表示第m个入射信号的方位角与俯仰角；信号源的总个数为M，m＝0，1，……，M-1，

l_x是外推阵沿x轴的序号，l_x＝0，…，L_x-1；

l_y是外推阵沿y轴的序号l_y＝0，…，L_y-1。

6.根据权利要求1所述的一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，其特征在于：所述对所述外推接收数据矩阵顺次进行整数延时和分数延时，具体为：

基于数据位移的方法对所述外推接收数据矩阵进行整数延时；

利用分数延时滤波器完成对所述外推接收数据矩阵的分数延时。

7.根据权利要求6所述的一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，其特征在于：所述分数延时滤波器的系数表达式为：

其中，用d表示

floor(·)表示去向下取整操作，L为滤波器阶数。

8.根据权利要求1所述的一种实现超宽带信号接收数字波束形成方法，其特征在于：经分数延时滤波器处理后的信号的表达式为：

其中O表示经过滤波器后的信号输出，

是延时补偿，

的表达式为：

式中，

表示需要增强该方向的入射信号，θ表示方位角，

表示俯仰角，其中θ∈[-90,90]，

是第(l_x,l_y)个天线的延时。

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