[发明专利]一种宽带频域数字波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域的波束形成技术，特别涉及宽带声信号的数字波束形成方法。

背景技术

波束形成是广泛应用于雷达、声纳、超声成像以及无线通讯中的一项技术；波束形成器的主要功能是将传感器阵列接收信号加以组合得到来自某一具体方向的信号分量，或通过辐射阵列将发射信号约束在某一空间角度范围内定向发射；这里考虑接收端波束形成过程。

基本的波束形成方法通过对各阵元接收信号进行一定的延迟处理，以补偿某一方向入射波因阵元空间位置不同带来的时延差，并将延时后的数据进行简单加和(或增加幅度加权以改善旁瓣性能)即可得到指向该方向的波束输出(参见图3a)。在数字系统中，这种“延时-加和”的波束形成方法通过序列的移位迭加实现，而延时的精度与数据采样率成正比。为了得到良好的波束形成性能(较低的波束副瓣)需要对阵元序列进行精确的延时补偿。一般情况下，为了得到良好的波束形成性能，系统的采样率需要约10倍的奈奎斯特频率(即采样定理所要求的信号采样频率)。随着信号频率的提高和阵列规模的扩大，波束形成系统的复杂度(包括数据存储、传输及运算速率等)将急剧上升，这是制约数字波束形成系统实现的主要障碍。

现有的波束形成方法包括时域波束形成和频域波束形成两大类，时域法除基本的“时延-迭加”方法外，还包括“部分-加和”、内插方法以及相移边带波束形成方法等；频域方法基于频域相移等效于时域延迟这一事实，包括基于离散傅立叶变换的应用、相移波束形成以及补零2维FFT近似方法等。如何根据实际应用场合，选择合适的时延补偿方法是波束形成系统设计的关键。

对于主动声纳，声成像和水声通讯等带通系统，最常用的方法为正交采样波束形成方法，包括四个基本的处理步骤：

1)正交采样过程：将带通波形变换到复基带，得到复包络信号(可以在基带或中频)；

2)相位旋转(Phase Rotation)：对一定波束方向，补偿频谱搬移(正交采样)所产生的相位偏差；

3)时延复包络信号，补偿复信号波前延迟；

4)迭加各通道信号，得到波束输出(复包络)。

其中，第2步和第3步的先后次序可以颠倒。这一方法可以将高频带通信号变换到基带进行，由于复基带信号的奈奎斯特频率等于信号的带宽，对于信号中心频率与带宽之比较大的系统，可以显著降低波束形成系统的采样率和运算复杂度。

基于第2、3步的具体实现，现有技术有：

a)相移波束形成

这是现有的雷达，通讯系统中普遍采用的技术，对于窄带系统，信号复包络在阵列尺度上不会发生明显变化，这时可以去掉上述第3步过程简化波束形成计算。对于宽带信号，这种方法将使得时域信号发生畸变和动目标方位估计的偏差，如对短脉冲，其信号畸变的过程可参见图3b。因此，对于现代宽带成像系统和高速宽带通讯系统，这种方法已不能满足需求。

b)直接延时方法

直接对复包络序列进行移位延时补偿(美国专利US4290127)可以改善波束波形，然而复包络信号波前补偿精度仍由采样速率决定，为了满足宽带波束形成性能的要求，采样率仍需要数倍于基带奈奎斯特频率。为了降低采样率，减少冗余数据，现有技术采用时域内插方法改善延时精度，这样对内插后的数据序列进行波束形成仍然需要在较高的频率上进行。

c)基于离散傅立叶变换(DFT)的频域时延法

通过对频域序列乘上一定的相移因子，等效于信号的时域延时，基本的处理过程参见文献(Mucci，R.A.，A Comparison of Efficient Beamforming Algorithms，IEEETrans.ASSP，Vol.32，No.3，pp548-558，June 1984.)。这种方法的时延操作精度与采样率无关，可以极大减少冗余数据，而且算法结构简单(仅包括FFT和复乘运算)，易于实现大规模并行处理。但是，这种方法基于DFT循环移位定理，在分数点移位条件下不能得到正确的时域输出。因此，这种方法通常用于只需要对波束频域输出进行处理，或对时域波形输出的连续性和精度要求不高的场合。

d)2维傅立叶变换频域波束形成方法