宽带波束形成算法设计与实现

论文摘要

波束形成作为阵列信号处理的基本方法,在雷达、声纳、通信等诸多领域得到了广泛应用。波束形成主要有两方面的作用,一方面获得抗噪声、干扰和混响的空间增益,另一方面得到较高的空间分辨率,用以确定目标方位。同时,为了提高系统时域分辨率从而提高检测/通信性能,声纳、雷达、通信等系统中经常采用宽带信号形式。因此对宽带信号波束形成方法的研究有着重要的实际意义。本文首先介绍了波束形成和空间滤波的基本概念以及常见的波束形成方法,包括时域插值波束形成方法和频域波束形成方法,之后发展了时域波束形成方法的多相FIR滤波器实现,并针对带通信号提出了基于多相FIR滤波器的带通采样波束形成方法。这种方法具有以下特点:1、选择合适的采样频率,使得采样输出的同时自然实现正交解调,避免了正交解调模拟电路的使用;2、采用FIR滤波器一次性完成与信号匹配的低通滤波、内插延时和相位旋转,实现真正的延时波束形成;3、内插系数由补零内插波束形成方法中获取各路信号对应延时内插点的低通滤波系数确定。该方法尤其适用于宽带信号的处理。实际阵列系统中各阵元通道之间接收响应往往存在不同程度的差异,特别对于宽带信号系统,因此必须进行通道校准,否则将会因失配导致波束形成性能的下降。本论文结合特征子空间校准和通道均衡校准两种方法,进行了通道接收响应失配的建模和校准研究。在上述理论研究的基础上,本论文进行了有关的计算机仿真实验。执行了带通道校准的时域波束形成和匹配滤波,分析了波束形成的相关性能,并和采用频域波束形成方法的仿真进行了比较。结果表明两者在波束形成的仿真实现性能上并无明显差别,但论文提出的时域波束形成方法在波束数较少时能减少所需要的硬件计算资源。最后,本论文把基于多相FIR滤波器的带通采样波束形成方法在DSP-FPGA硬件平台上进行了实现和验证。在硬件实现上提出了一种级联结构多通道FIR滤波器,该结构适合于在FPGA中实现,较传统滤波器执行节省大量逻辑资源。仿真与实际测试结果都表明所设计的VHDL代码很好地执行了宽带波束形成的功能,达到了波束形成的实时性要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 研究历史和现状
• 1.3 论文的成果和结构
• 第二章 波束形成处理中的基本概念
• 2.1 通用波束形成
• 2.1.1 三维信号空间
• 2.1.2 通用波束形成公式
• 2.2 均匀线阵波束形成
• 2.2.1 离散均匀线阵正横方向波束模式分析
• 2.2.2 驾驶向量
• 2.2.3 空域混叠
• 2.2.4 波束宽度
• 2.2.5 波束数目
• 2.3 信号插值理论及多相FIR滤波器
• 2.3.1 信号插值的原理
• 2.3.2 多相插值FIR滤波器
• 2.3.3 补零内插对输出信噪比的影响
• 2.4 系统工作环境
• 2.5 本章小结
• 第三章 波束形成方法及结构
• 3.1 基本的时间域宽带波束形成
• 3.2 基本的频域宽带波束形成
• 3.3 插值波束形成的两种结构
• 3.3.1 插值滤波器前置结构
• 3.3.2 插值滤波器后置结构
• 3.3.3 计算量分析
• 3.4 应用多相FIR滤波器的波束形成
• 3.5 基于多相FIR滤波器的带通采样波束形成
• 3.6 本章小结
• 第四章 通道失配与通道校准
• 4.1 系统误差的来源
• 4.2 失配模型的建立
• 4.3 通道校准的原理及方法
• 4.4 特征子空间校准方法
• 4.5 通道均衡校准方法
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统仿真及性能评估
• 5.1 仿真参数及波形设计
• 5.2 时域波束形成仿真
• 5.3 频域波束形成仿真
• 5.4 计算量与逻辑资源分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 带通采样宽带波束形成的硬件实现
• 6.1 硬件平台及工作流程
• 6.2 波束形成算法的FPGA硬件结构
• 6.3 参数设定及系统测试
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间参加的科研项目与科研成果
• 致谢