[发明专利]一种宽带数字波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及雷达、声纳及无线通信领域，特别涉及宽带数字波束形成方法。

背景技术

波束形成是广泛应用于雷达、声纳、通信、航天等领域的一项技术。波束形 成器通常与声纳发射或接收阵列协同工作，同样它也可以与电磁波发射或接收 阵列协同工作。

为了让传感器阵列指向一个或多个特定的方向，加强从某个或多个方向的信 号，基本的波束形成方法是对每一路阵元接收的信号按该波束方向进行延时， 然后再把补偿至同相位的各路信号相加，得到指向该方向的波束输出(参见图 1)。近年来，现代声定位、高速水声通讯以及声成像等技术领域为了得到更高 的性能，普遍采用宽带信号机制。用简单的相移法对宽带信号进行波束形成是 不适用的，在时域可以采用延时的方法来处理，在频域主要应用宽带信号的FFT 方法来实现多波束输出。本发明涉及的主要是用时域的延时方法来进行接收波 束形成。

一个多波束形成系统往往需要承担巨大的运算量，对计算速度和计算并行度 提出了很高的要求。对于多波束形成技术的实现，一个关键的技术问题就是希 望能够将波束精确地定向在期望的方向上，同时又希望输入信号的采样率不致 过高，以减轻软、硬件的压力。在数字系统中，常规的“延时求和”的波束形成方 法通过样本序列的移位相加实现，而延时的精度与数据采样率成正比。为了得 到较高的波束定向精度和良好的波束形成性能需要对阵元序列进行精确的延时 控制，因此需要很高的采样频率，同时也大大增加了波束形成的计算量。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。

针对以上矛盾，发展了内插波束形成方法，这种方法虽然可以降低对采样速 率的要求，但代价是增加了补零内插的操作，增加了额外的运算量。这种波束 形成器的结构如图2所示，先对各路阵元信号的相邻两采样点之间等间隔插入 (D-1)个零值点，然后各自通过进行低通滤波，得到一个采样频率更高的信号， 以上两步执行了内插增速采样。然后根据波束方向对内插后的各路信号进行相 应的“延时求和”，此时的延时会比利用原始信号更精确，因为现在的最小延时单 位是采样周期的1/D。

目前在波束形成系统中一种比较常用的方法是正交采样波束形成，包括四个 基本的步骤：

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；

2)时延复包络信号，补偿各路复包络信号的相对延时；

3)相位旋转：对不同延时，补偿频谱搬移(正交采样)所产生的相位偏差；

4)迭加各通道信号，得到复包络波束输出。

这一波束形成方法可以将带通信号变换到基带进行处理，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频率和运算量。对于步骤2中的延时可以采用 前述补零内插的方法来处理。

在当今大多数声纳系统当中，载波频率一般在几千赫兹到几百千赫兹，而 ADC器件的工作频率能达到几十兆赫兹，因此在波束形成器中可以采用时分复 用采样的结构。

本发明中的宽带数字波束形成方法是针对声纳系统的应用环境描述的，但其 原理在雷达系统中亦是相通的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种宽带数字波束形成方法。

一种宽带数字波束形成方法包括如下步骤：

1)对N路接收阵元的带通信号x_i(t)＝I_i(t)cos(ω_ct)-Q_i(t)sin(ω_ct)进行前置放大 和抗混叠滤波等信号调理，式中I_i(t)和Q_i(t)分别为带通信号x_i(t)的基带同相和正 交信号；