CN111814688A - 基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法及装置、存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法及装置、存储介质。其方法包括:设置傅立叶变换之后数据进行多次累加求和的长度L;对N个子阵采集的数据St按列进行傅立叶变换,得到Sf;对Sf进行按列求和得到SΣ;找到SΣ中最大值的位置P;利用修正FFT方法,计算频率偏差值Δ;利用离散傅立叶变换核函数与一维阵列信号导向矢量模型的相似性,将频率点信息映射为角度信息以计算出目标信号角度θ。捕获装置包括依次连接的累加模块、FFT模块、求和模块、最大值模块、频偏模块和角度模块。可将O(N 3 )的计算量降低到O(NlogN),显著降低计算量,并且可以利用现有的Xilinx和Altera的FFTip核,快速开发,降低开发难度。
Description
技术领域
本发明属于信号处理领域,涉及数字波束形成技术,尤其与一种基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法及装置相关。
背景技术
随着对空域信号的检测和参数估计要求越来越高,数字波束形成(DBF,DigitalBeam Forming)技术作为空域处理的主要手段迅速发展。DBF技术在众多领域得到广泛应用,例如雷达、通信、导航、声纳等领域。
数字波束形成在进行数字合成之前,需要知道信号的波达方向(DOA,Directionof Arrival),而已有的DOA估计方法计算量偏大,例如MUSIC等方法,需要对自相关矩阵进行特征值分解,计算量为O(N 3 ),上述方法会随着子阵数量增加而运算量巨增,在利用FPGA实现MUSIC算法时,会面临严重的资源紧缺问题。
发明内容
针对上述相关现有技术的不足与缺陷,本发明提供一种基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法及装置,将O(N 3 )的计算量降低到O(NlogN),显著降低计算量,并且可以利用现有的Xilinx和Altera的FFTip核,快速开发,降低开发难度。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术:
基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法,其特征在于,包括步骤:
设置傅立叶变换之后数据进行多次累加求和的长度L;
对N个子阵采集的数据St按列进行傅立叶变换,得到Sf;
对Sf进行按列求和得到SΣ;
找到SΣ中最大值的位置P;
利用修正FFT方法,计算频率偏差值Δ:
利用离散傅立叶变换核函数与一维阵列信号导向矢量模型的相似性,将频率点信息映射为角度信息以计算出目标信号角度θ。
基于FFTc的数字波束形成角度捕获装置,其特征在于,包括:
累加模块,用于设置傅立叶变换之后数据进行多次累加求和的长度L;
FFT模块,用于对N个子阵采集的数据St按列进行傅立叶变换,得到Sf;
求和模块,用于对Sf进行按列求和得到SΣ;
最大值模块,用于从SΣ中找到最大值的位置P;
频偏模块,用于利用修正FFT方法,计算频率偏差值Δ:
角度模块,用于利用离散傅立叶变换核函数与一维阵列信号导向矢量模型的相似性,将频率点信息映射为角度信息以计算出目标信号角度θ。
进一步,角度模块所采用的离散傅立叶变换的核函数为n=1,2,3......,n
为离散的采样点;采用的一维阵列信号导向矢量模型,n=1,2,3......,n为子
阵数量;将频率点信息映射为角度信息是通过映射关系:。
最大值模块,用于以1为起始点计算得到最大值的位置P;
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行所述的基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法。
本发明有益效果在于:
相比于传统的MUSIC算法需要对自相关矩阵进行特征值分解,其存在计算量大、计算流程复杂、造成FPGA资源消耗大、开发困难等问题;本发明的应用,基于FFTc的数字波束形成角度捕获,可将O(N 3 )的计算量降低到O(NlogN),显著降低计算量,减少FPGA芯片的资源消耗,现有的Xilinx和Altera开发工具中已经包含了FFTip核,能够利用现有的ip核进行开发,降低了FPGA开发难度。
附图说明
图1为本申请实施例的基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法流程图。
图2为本申请实施例的多次累加与单次累加后的计算频率比对图。
图3为本申请实施例的基于FFTc的数字波束形成角度捕获装置结构图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
具体的,采用修正的FFTc方法来计算频率。
实施例1
如图1所示,为本实例提供的基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法流程图。
主要包括如下步骤:
步骤1,设置傅立叶变换之后数据累加求和的长度L。针对一次采样数据求角度误差较大,采样多次累加的方法,降低噪声和系统误差对FFT的影响;
如图2所示,图2为一次FFTc计算结果和1024次累加以后的结果对比,可以看出累加以后明显抑制了噪声影响。
最大值的位置P是以1为起始点计算得到。
步骤5,利用修正FFT方法,计算频率偏差值Δ;
利用离散傅立叶变换核函数与一维阵列信号导向矢量模型的相似性,将频率点信息映射为角度信息以计算出目标信号角度θ。
实施例2
如图3所示,为本实例提供的基于FFTc的数字波束形成角度捕获装置。
捕获装置包括依次连接的累加模块、FFT模块、求和模块、最大值模块、频偏模块和角度模块。
作为本实例捕获装置的具体实施手段:
具体的,累加模块,用于设置傅立叶变换之后数据进行多次累加求和的长度L;
具体的,频偏模块,用于利用修正FFT方法,计算频率偏差值Δ:
具体的,角度模块,用于利用离散傅立叶变换核函数与一维阵列信号导向矢量模型的相似性,将频率点信息映射为角度信息以计算出目标信号角度θ。
角度模块所采用的离散傅立叶变换的核函数为n=1,2,3......,n为离散
的采样点;采用的一维阵列信号导向矢量模型,n=1,2,3......,n为子阵数量;
将频率点信息映射为角度信息是通过映射关系:。
实施例3
本申请同时提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行所述的基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法。
处理器可以为FPGA、CPU、DSP、ASIC、或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
计算机程序包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。
计算机可读存储介质可以包括:能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
下面结合仿真实验对申请实施例的效果进一步说明。
仿真环境:
累加长度L为1024。
按照上述步骤计算,得到的仿真结果如表1所示,显示了不同预设角度条件下的实际计算角度。
通过表1可以看出,通过本实施来的方法/装置/存储介质进行捕获,与预设角度值差异费非常小,达到了捕获要求。
对于N=32的均匀阵列,若采用MUSCI算法则需要32768次乘法,采用本实例的方法/装置/存储介质,仅需要160次乘法,乘法次数大幅度降低,极大降低了运算/计算量,节约了硬件资源。
Claims (10)
10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如权利要求1~5中任意一项所述的基于FFTc的数字波束形成角度捕获方法。
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