一种通用的新型宽带波束形成系统及实现方法技术方案

本发明专利技术提供了一种新型宽带波束形成系统及实现方法，该宽带波束形成系统由一组天线阵列，一组带通滤波器以及一组乘法器和加法器组成，通过天线阵元接收到空间信号，每一路信号通过一组带通滤波器，在指定的带宽范围内进行频率分解并进行相应的处理，在整个波束形成器的信号处理过程中，保留每一路的相对相位信息，从而保留了每路信号的空间的信息，再通过乘法器和加法器加权处理合并得到相应的恒定束宽的波束方向图。本发明专利技术降低了系统的硬件复杂度和系统反应的时间，从而保证得到实时、有效、灵活、可靠的宽带恒定波束指向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于电子领域的宽带系统及实现方法，具体地，涉及一种新型宽带波束形成系统及识别方法。
技术介绍
数字波束形成(DBF)是利用数字信号处理技术，对由天线阵列接收到的信号进行加权，通过调整各阵元的权值从而使得信号得以有效的接收。这是由于各阵元的权值组成阵列的权矢量，权矢量直接决定了自适应阵列的方向图，即决定了对有用信号的接收效果。早期的数字波束形成主要是针对窄带信号而言的，但随着阵列信号处理应用范围越来越广，实际中遇到了许多宽带信号处理的问题，如对地震信号、语音信号以及声纳信号的处理。传统的基于窄带的波束形成算法，当用于宽带信号时，会导致波束的指向、主瓣宽度在不同频点上发生很大的变化，引起偏差。因此，在宽带信号源大量存在的情况下，如何进行宽带波束形成，已经成为无线通信中的一个研究热点。较早出现的宽带DBF方法是基于非相干信号子空间方法(ISM)，它将宽带信号分解为若干子带，在每一个子带上直接进行窄带处理，即对每一个子带的信号相关矩阵进行窄带波束形成，对所有子带的加权值进行算术平均或几何平均，最后得出宽带信号DBF。通常这类处理算法不能得到满意的结果，主要原因在于计算量大、无法估计相干信号源。经典的Capton波束形成器或最小方差无失真响应波束形成器。这类波束形成器需要预先知道期望信号的方位信息，如果对期望信号的来波方向估计不准，会导致主波束指向一个错误的方向，此时最优权值会把期望信号当做干扰来抑制，从而在真实的来波方向形成零陷，因此在信噪比较高的环境下性能较为恶劣。对角加载技术可以在一定程度上改善波束形成的性能，但是如何准确选取对角加载量仍然是一个技术难题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种通用的新型宽带波束形成系统，同时提供一种具体的针对圆形阵列而设计的宽带波束形成系统实现方法，降低了系统的硬件复杂度和系统反应的时间，从而保证得到实时、有效、灵活、可靠的宽带恒定波束指向。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种通用的新型宽带波束形成系统，该宽带波束形成系统由一组天线阵列，一组带通滤波器以及一组乘法器和加法器组成，通过天线阵元接收到空间信号，每一路信号通过一组带通滤波器，在指定的带宽范围内进行频率分解并进行相应的处理，在整个波束形成器的信号处理过程中，保留每一路的相对相位信息，从而保留了每路信号的空间的信息，再通过乘法器和加法器加权处理合并得到相应的恒定束宽的波束方向图。一种通用的新型宽带波束实现方法，包括步骤如下：1)通过天线阵列对来波信号进行接收，每个子阵元接收到信号的相位与空间位置有关，每个阵元接收的信号为单独一路；2)将每一路信号进行频率分解处理，然后将相同频率下不同路的信号应用宽带波束形成算法设计权重，进行加权处理；3)将每路得到的宽带分解信号进行加权输出，得到宽带恒定波束方向图。所述步骤1)包括如下：首先对来波进行接收，假设来波信号为S(t)，有N个阵元，阵元i(0≤i≤N)接收到的信号为这里为与空间位置有关的一个参量。以数组表示如下：其中y(t)为接收信号，yi(t)分别表示第i个阵元接收到的信号。本专利技术中需要设计均匀圆形阵列(UCA)宽带波束形成算法，那么其中f是来波信号的频率，θ为来波信号的方位角，c表示光速，r表示圆形阵列的半径，θi为圆形阵列阵元的空间位置分布情况。所述步骤2)包括如下：对每路信号经过一组带通滤波器，得到中心频点在[fL,fH]范围内的一系列窄带信号Jik(t)，表示第i路、第k个频点上的来波信号分量，其数学映射关系如下：Γ(yi(t))＝Jik(t) (3)其中，Γ(·)代表每路来波信号到频率分解信号的映射关系。对相同频率的不同路的信号应用基于粒子群算法(PSO)设计的权重进行加权累加，得到与参考频点方向图在合理误差范围内的恒定方向图。 p ( t | f k ) = p ( t | f o ) · | Σ i = 1 N w i k J i k ( t ) | = p ( t | f o ) · | Σ i = 1 N w i k e 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通用的新型宽带波束形成系统，其特征在于，包括一组天线阵列、一组带通滤波器、加权器以及一组乘法器和加法器，通过天线阵元接收到空间信号，每路信号通过一组带通滤波器，在指定的带宽范围内进行频率分解和处理，在整个波束形成器的信号处理过程中，保留每路信号的相对相位信息，从而保留每路信号的空间信息，再通过乘法器和加法器加权处理合并得到相应的恒定束宽的波束方向图。

【技术特征摘要】
1.一种通用的新型宽带波束形成系统，其特征在于，包括一组天线阵列、一组带通滤波器、加权器以及一组乘法器和加法器，通过天线阵元接收到空间信号，每路信号通过一组带通滤波器，在指定的带宽范围内进行频率分解和处理，在整个波束形成器的信号处理过程中，保留每路信号的相对相位信息，从而保留每路信号的空间信息，再通过乘法器和加法器加权处理合并得到相应的恒定束宽的波束方向图。2.根据权利要求1所述的通用的新型宽带波束形成系统，其特征在于，所述天线阵列包括均匀直线阵列、均匀圆形阵列。3.根据权利要求1所述的通用的新型宽带波束形成系统，其特征在于，所述带通滤波器为窄带带通滤波器，能够提供多组频率的分解。4.根据权利要求1所述的通用的新型宽带波束形成系统，其特征在于，所述加权器为提供参考频率和目标频率的权重的加法器。5.一种通用的新型宽带波束实现方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的系统，方法步骤如下：1)通过天线阵列对来波信号进行接收，每个子阵元接收到信号的相位与空间位置有关，每个阵元接收的信号为单独一路；2)将每一路信号进行频率分解处理，然后将相同频率下不同路的信号应用宽带波束形成算法设计权重，进行加权处理；3)将每路得到的宽带分解信号进行加权输出，得到宽带恒定波束方向图。6.根据权利要求5所述的通用的新型宽带波束实现方法，其特征在于，所述步骤1)包括如下：首先对来波进行接收，假设来波信号为S(t)，有N个阵元，阵元i(0≤i≤N)接收到的信号为这里为与空间位置有关的一个参量，以数组表示如下：其中y(t)为接收信号，yi(t)分别表示第i个阵元接收到的信号，对于均匀圆形阵列(UCA)，需要设计均匀圆形阵列宽带波束形成算法，那么：其中f是来波信号的频率，θ为来波信号的方位角，c表示光速，r表示圆形阵列的半径，θi为圆形阵列阵元的空间位置分布情况。7.根据权利要求6所述的通用的新型宽带波束实现方法，所述步骤2)包括如下：对每路信号经过一组带通滤波器，得到中心频点在[fL,fH]范围内的一系列窄带信号Jik(t)，表示第i路、第k个频点上的来波信号分量，其数学映射关系如下：Γ(yi(t))＝Jik(t) (3)其中，Γ(·)代表每路来波信号到频率分解信号的映射关系，对相同频率的不同路的信号应用基于粒子群算法(PSO)设计的权重进行加权累加，得到与参考频点方向图在合理误差范围内的恒定方向图， p ( t | f k ) = p ( t | f o ) · | Σ i = 1 N w i k J i k ( t ) | = p ( t | f o ) · | Σ i = 1 N w ...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱杨，耿军平，梁仙灵，金荣洪，陈义峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31