[发明专利]基于全通型可变分数延时滤波器的宽带数字波束形成方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及宽带数字波束形成，可用于宽带数字阵列雷达信号处理。

背景技术

阵列雷达信号处理，就是将多个传感器设置在空间的不同位置，组成传感器阵列，并利用它对空间信号进行接收和处理，旨在提取出阵列所接收的感兴趣的信号及其特征信息，同时抑制干扰和噪声或不感兴趣的信号。它具有波束控制灵活、处理增益高、抗干扰能力强和空间分辨力高等优点，在雷达、射电天文、声呐、通信、测向、地震学及医学诊断等领域获得人们的广泛关注和迅速发展。阵列信号处理的研究内容主要有两类：一类是空间谱估计，它通过阵列接收数据，估计信号来波方向；一类是波束形成，也称作空域滤波，其目的是将天线接收的不同来向信号进行采样，通过一定的加权，尽可能地提高阵列输出的有用信号的强度，同时抑制其它来向的信号强度。

目前，波束形成技术大都是针对窄带信号而言的，但随着阵列信号处理的应用范围越来越广，遇到许多宽带信号处理的问题，如声呐信号、雷达信号、地震信号等。宽带信号可以近似等同于各窄带阵列模型的简单求和，如果仍然利用窄带波束形成处理技术处理宽带信号，则因不能根据不同的频率分量实现不同的加权，导致波束方向图发生畸变，具体表现为波束指向偏移和波束展宽，即空间色散和时间色散问题。现有的宽带波束形成方法主要有频域和时域宽带波束形成方法。

频域宽带波束形成方法，是先对宽带信号进行窄带分解，然后对每一个窄带分量做相应的波束加权。已有的频域宽带恒定束宽波束形成方法主要利用不同孔径的子阵接收不同的信号频域分量，补偿波束随频率的变化。由于子阵数目有限，该方法形成的波束虽然可以在各个频段内保持恒定束宽，但信号在整个频率单位内仍有畸变，且实现比较复杂。同时，利用离散傅里叶变换在频域上对各频率分量进行窄带波束形成处理，是一种块处理方法，块与块之间的相位无法连接，导致输出信号时域波形的相位不连续。

时域宽带波束形成方法，是通常采用抽头延迟线组结构或FIR滤波器结构来实现宽带波束形成。抽头延迟线的长度或FIR滤波器的阶数取决于入射信号的带宽：带宽越大，抽头延迟线的长度越长或FIR滤波器的阶数越高。当频率较高、带宽较大时，需要较长长度的抽头延迟线组或较高阶数的FIR滤波器，收敛速度较慢，计算量较大，同时采样频率实现困难，甚至无法实现。另外，在已有的宽带数字波束形成方法中，每个阵元相对于参考阵元具有不同的延时，需要为每个阵元设计不同的分数延时滤波器，设计复杂度高，任务量大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述宽带数字波束形成方法中存在的问题，提出一种基于全通型可变分数延时滤波器的宽带数字波束形成方法，以减小所需滤波器的阶数，降低了设计复杂度。

为实现上述目的，本发明包括以下步骤：

(1)根据雷达系统参数确定采样率f_s，得到采样时间t_s＝1/f_s；

(2)根据阵列的几何结构确定每个雷达阵元相对于参考阵元的时间延时τ_n，并通过延时τ_n和采样时间t_s，得到滤波器的时延τ_qn＝τ_n/t_s，其中，n代表阵元号索引，为τ_qn四舍五入取整的结果；

(3)选择AD芯片，将各个雷达阵元接收的模拟信号转化成数字信号x_n，其中，1≤n≤N，N为总的阵元个数；

(4)根据雷达系统参数，采用迭代优化方法设计全通型分数延时滤波器；

(5)将数字信号x_n和滤波器的时延Δ作为输入变量，输入到全通型可变分数延时滤波器进行滤波，得到滤波后的信号向量

(6)给滤波后的信号向量乘上相位补偿因子exp(j2πs·d/λ)，以补偿各个阵元接收信号的相位延迟，得到滤波补偿后的信号向量为其中，exp(·)表示求自然对数e的幂，j为虚数单位，π表示半圆对应的弧度，s为信号的传播矢量，d表示n号阵元和参考阵元之间的距离矢量，λ为信号波长；

(7)根据雷达波束旁瓣电平δ_L选择窗函数对加权求和，得到波束形成结果其中，W(n)是选定的窗函数的离散函数值，1≤n≤N。

本发明具有以下优点：

(1)节省硬件资源。全通型可变分数延时滤波器属于无限冲激响应滤波器，相比于有限冲激FIR滤波器，可以用更少的滤波器阶数实现相同的滤波性能；