一种频率不变波束形成器设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供的一种频率不变波束形成器设计方法，包括：在目标频带上设置等间隔的频点，选取一个频点作为参考频点；根据给定的参考波束计算参考频点对应的参考权向量；根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应；根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。本发明专利技术中，通过计算参考权向量，然后再根据参考权向量计算出各个阵元后接滤波器的频率响应及时域系数，从而在设计出符合要求的波束形成器的同时，创造出全新的计算方式，简化了计算过程，减少了设计波束形成器的计算量，为快速高效地设计波束形成器奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种频率不变波束形成器设计方法及装置
本专利技术涉及宽带阵列波束形成
，尤其涉及一种频率不变波束形成器设计方法及装置。
技术介绍
波束形成是指采用空间分布的传感器阵列采集场数据，然后对接收的阵列数据进行线性组合处理得到一个标量波束输出，而进行这一过程的器件为波束形成器。阵列波束形成技术广泛应用于雷达、声呐、语音处理和无线通信等领域。在很多应用场景(如宽带高分辨雷达阵列和麦克风阵列)中，阵列需要处理宽带信号，此时我们需要设计宽带波束形成器。在很多情况下，如超声探测、地震勘测，特别是在水声通信和检测等领域，通常需要利用基阵接收信号的频谱特征进行目标的检测与分类，这就要求基阵能够不失真地接收宽带信号，因此设计波束形成器的时候要求波束形成器的波束图具有与频率无关的特性，即频率不变性。对于一个固定孔径的阵列来说，传统波束形成器方向图的波束宽度和信号频率是成反比的，这使得非阵列指向上的入射信号在波束形成器的输出出现幅度失真。在很多应用场合(如麦克风阵列，或者依赖时域波形来进行目标识别的宽带/超宽带雷达)中，这种失真是不允许的，为此我们需要设计频率不变(或恒定束宽)波束形成器。宽带波束形成器有时域和频域两种实现方式。其中，时域波束形成器是通过在各阵元后面接上一个滤波器，并将各滤波器的输出加在一起来实现的。相对于频率域实现方式来说，该结构具有系统延迟小，设计精度高的优点，因而该实现形式在实际中(特别是自适应波束形成器中)使用的非常广泛。常用的时域宽带波束形成器设计方法有子阵分解法，凸优化设计法、最小二乘法和多维快速傅立叶变换法(以下简称多维FFT方法，FFT为FastFourierTransform)等。其中子阵分解法要求的阵元数比较多；插值滤波法的设计精度不高。而凸优化设计法在求解过程中需要多次迭代，运算量比较大；最小二乘法虽然运算量相对凸优化方法要小，但其需要矩阵求逆运算，运算量与变量维数的三次方成比例关系；当阵元数或滤波器长度较大时，这两种方法的运算量都将迅速增大。多维FFT方法已经是这些方法中运算量最小的方法了。然而，这种多维FFT方法相对于实际应用来说，还是存在运算量大，导致在一些硬件配置较低的处理器中设计波束形成器的时候往往需要等待较长时间，甚至导致无法实时计算的技术问题。因此，需要提出一种新的时域频率不变波束形成器设计方法，且该方法相比多维FFT法具有相近的性能和更低的运算量。
技术实现思路
本专利技术提供了一种频率不变波束形成器设计方法及装置，用于解决宽带波束形成器设计运算量大，导致在设计波束形成器的时候往往需要等待较长时间，甚至导致无法计算的技术问题。本专利技术提供的一种频率不变波束形成器设计方法，包括：在目标频带上设置等间隔的频点，选取一个频点作为参考频点；根据给定的参考波束计算参考频点对应的参考权向量；根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应；根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。优选地，所述根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应具体包括：根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过Sinc函数插值法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量；将频域加权向量组成矩阵，获得各个阵元后接滤波器的频率响应；其中，所述Sinc函数插值法中的插值公式为：其中，vk(m)是插值得到的第m个阵元后接滤波器的第k个频点的频域加权向量值，βk＝fk/fref为第k个频点与参考频点的比值，L为参考权向量的长度，w(l)是参考波束对应的加权函数，k＝1,2,…,K为频点序号，共有K个频点，m＝1,2,…,M为阵元序号，共有M个阵元。优选地，所述将频域加权向量组成矩阵，获得各个阵元后接滤波器的频率响应具体为：以阵元后接滤波器的序号值为行，以频点的序号值为列将频域加权向量组成M行K列的矩阵；将第m行的元素组合作为第m个阵元后接滤波器的频率响应，获得各个阵元后接滤波器的频率响应。优选地，所述根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数具体为：根据滤波器的频率响应通过快速傅里叶逆变换方法计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。优选地，所述根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数之后还包括：根据各个阵元后接滤波器的时域系数配置波束形成器。本专利技术提供的一种频率不变波束形成器设计装置，具体为一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：在目标频带上设置等间隔的频点，选取一个频点作为参考频点；根据给定的参考波束计算参考频点对应的参考权向量；根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应；根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。优选地，所述根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应具体包括：根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过Sinc函数插值法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量；将频域加权向量组成矩阵，获得各个阵元后接滤波器的频率响应；其中，所述Sinc函数插值法中的插值公式为：其中，vk(m)是插值得到的第m个阵元后接滤波器的第k个频点的频域加权向量值，βk＝fk/fref为第k个频点与参考频点的比值，L为参考权向量的长度，w(l)是参考波束对应的加权函数，k＝1,2,…,K为频点序号，共有K个频点，m＝1,2,…,M为阵元序号，共有M个阵元。优选地，所述将频域加权向量组成矩阵，获得各个阵元后接滤波器的频率响应具体为：以阵元后接滤波器的序号值为行，以频点的序号值为列将频域加权向量组成M行K列的矩阵；将第m行的元素组合作为第m个阵元后接滤波器的频率响应，获得各个阵元后接滤波器的频率响应。优选地，所述根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数具体为：根据滤波器的频率响应通过快速傅里叶逆变换方法计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。优选地，所述根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数之后还包括：根据各个阵元后接滤波器的时域系数配置波束形成器。从以上技术方案可以看出，本专利技术具有以下优点：本专利技术提供的一种频率不变波束形成器设计方法，包括：在目标频带上设置等间隔的频点，选取一个频点作为参考频点；根据给定的参考波束计算参考频点对应的参考权向量；根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应；根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。本专利技术中，通过计算参考权向量，然后再根据参考权向量计算出各个阵元后接滤波器的频率响应及时域系数，从而在设计出符合要求的波束形成器的同时，创造出全新的计算方式，简化了计算过程，减少了设计波束形成器的计算量，为快速高效地设计波束形成器奠定基础。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频率不变波束形成器设计方法，其特征在于，包括：在目标频带上设置等间隔的频点，选取一个频点作为参考频点；根据给定的参考波束计算参考频点对应的参考权向量；根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应；根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。

【技术特征摘要】
1.一种频率不变波束形成器设计方法，其特征在于，包括：在目标频带上设置等间隔的频点，选取一个频点作为参考频点；根据给定的参考波束计算参考频点对应的参考权向量；根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应；根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。2.根据权利要求1所述的一种频率不变波束形成器设计方法，其特征在于，所述根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过插值重采样法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量，进而获得各个阵元后接滤波器的频率响应具体包括：根据参考权向量、频点参数和阵元参数通过Sinc函数插值法计算各个等间隔频点对应的频域加权向量；将频域加权向量组成矩阵，获得各个阵元后接滤波器的频率响应；其中，所述Sinc函数插值法中的插值公式为：其中，vk(m)是插值得到的第m个阵元后接滤波器的第k个频点的频域加权向量值，βk＝fk/fref为第k个频点与参考频点的比值，L为参考权向量的长度，w(l)是参考波束对应的加权函数，k＝1,2,…,K为频点序号，共有K个频点，m＝1,2,…,M为阵元序号，共有M个阵元。3.根据权利要求2所述的一种频率不变波束形成器设计方法，其特征在于，所述将频域加权向量组成矩阵，获得各个阵元后接滤波器的频率响应具体为：以阵元后接滤波器的序号值为行，以频点的序号值为列将频域加权向量组成M行K列的矩阵；将第m行的元素组合作为第m个阵元后接滤波器的频率响应，获得各个阵元后接滤波器的频率响应。4.根据权利要求1所述的一种频率不变波束形成器设计方法，其特征在于，所述根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数具体为：根据滤波器的频率响应通过快速傅里叶逆变换方法计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数。5.根据权利要求1所述的一种频率不变波束形成器设计方法，其特征在于，所述根据滤波器的频率响应计算获得各个阵元后接滤波器的时域系数之后还包括：根据各个阵元后接滤波器的时域系数配置波束形成器。6.一种频率不变波束形成器设计装置，具体为一种计算机设备，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旺，
申请(专利权)人：湖南时变通讯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43