[发明专利]一种宽带频域数字波束形成方法

摘要

本发明涉及一种宽带声信号的数字波束形成方法，该方法包括正交采样、傅立叶变换、复乘移相和波束加等步骤，其中复乘移相步骤中的移相因子由两部分组成：第一部分用于完成正交波束形成中所需的相位旋转，第二部分用于完成复包络信号的波前对齐。本发明的波束形成方法着重于频域精确时延补偿的实现，利用分数点DFT循环移位方法可以对宽带信号进行精确延时，这种延时精度与信号的采样率无关，从而可以最大限度降低采样频率，减少冗余数据，大大提高波束形成实现的效率和减少系统复杂度。

主权项

1、一种宽带频域数字波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对接收阵各阵元接收到的信号进行前置放大；2)在信号处理系统中，对前置放大后的信号进行正交采样得到复包络信号，该正交采样过程包括前置滤波和次级放大，高速模数转换，正交解调，低通滤波以及数据重采样；3)对多通道的连续数据流进行分块处理，将数据流分解为相互重叠，大小为NE×NF的数据块，其中符号NE表示阵元数，NF表示进行傅立叶变换的数据长度；4)对每个数据块沿行方向进行快速傅里叶变换，得到各通道数据的频域形式X(n，k)，其中n为阵元标号，k为频率标号；5)计算各阵元在不同波束方向上的相移因子；将不同方向波束编号，成像区域的波束方向θ满足$\sin \theta =0,\pm \frac{1}{Z},\pm \frac{2}{Z},...,\pm \frac{m}{Z},...;$ 其中m为波束编号，m≤Z，Z为正整数，则对第m号波束，其相移因子P(n，k，m)＝(η(n，k))m；$\eta (n,k)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\pi d}\left(n\right)}{\mathrm{cZ}}·(f_c-\frac{k^{\prime }}{F_s{N}_F})\};$ 其中：$k^{\prime }=\left\{\begin{array}{cc}k& k=1,...,N_F/2;\\ k-N_F& k=(N_F/2)+1,...,N_F;\end{array}\right.$ 式中，n为阵元标号，k为频率标号，d(n)为第n阵元相对于阵中心的距离，c为介质中波速，fc为阵元接收信号的中心频率，Fs为正交采样后的对复包络信号的采样率，NF为傅立叶变换的数据长度。6)利用步骤5)得到的相移因子与步骤4)得到的频域数据块进行复数乘法运算，得到各波束方向上的完成补偿的频域数据，对第m号波束，补偿后的频域数据Xm′(n，k)＝X(n，k)×P(n，k，m)；7)对步骤6)得到的结果进行加和得到该波束方向的频域输出Y(k)，对第m号波束，其频域输出$Y_m\left(k\right)=\underset{n=1}{\overset{N_E}{\Sigma }}{X}_m^{\prime }(n,k),k=\mathrm{1,2},...,N_F;m=\mathrm{1,2},...,N_B;$ 其中NB为波束数目；8)判断是否所有的波束形成完毕，若判断为否，则回到步骤5)，进行下一波束的相移因子和波束形成计算，若判断为是，则进入步骤9)；9)对所有频域波束输出数据进行逆快速傅立叶变换，拼接相邻数据块，得到连续时域波束输出。