宽带恒定束宽波束形成方法研究

论文摘要

由于宽带信号具有携带的目标信息量大、混响背景相关性弱、有利于目标检测及参数估计与目标特征提取等诸多优点,这使得宽带信号处理已成为信号处理领域中重要研究方向和研究热点。本论文针对宽带阵列信号处理问题,在详细讨论了窄带波束形成及优化基础上,深入地研究了宽带信号的频域和时域恒定束宽波束形成方法,其中着重讨论了时域恒定束宽波束形成。本文主要研究工作包括:1、研究了常见的窄带波束形成算法原理及各算法的收敛稳健性能,总结出可根据输入信噪比,采用不同波束形成算法。针对任意结构和阵元指向性阵列,研究了自适应波束优化设计方法。2、系统地分析了各种宽带波束形成方法的结构和特点,利用仿真实验说明了当信号从主瓣区域内非波束指向方向入射时,经典时域宽带波束形成器的宽带信号时域输出存在失真。并研究了基于二阶锥规划的FIR(Finite Impulse Response:FIR)数字滤波器的设计原理,仿真设计了一个精确时延FIR滤波器。3、讨论了频域恒定束宽波束形成器设计方法。详细研究了线列阵和任意结构阵列的频域宽带恒定束宽波束的设计方法,并仿真验证了方法的正确性。4、深入研究了基于子带划分的时域恒定束宽波束形成设计方法。该方法通过二阶锥规划方法设计各子带中心频率上的恒定束宽加权,并利用FIR滤波器拟和这些频率上的恒定束宽加权来实现时域恒定束宽波束形成器的设计。以阵元具有方向性的均匀离散圆弧阵为例,设计了具有低旁瓣特征的时域恒定束宽波束形成器,并用线形调频信号测试此波束形成器,验证了该方法的有效性。5、研究分析了通过直接设计FIR滤波器组来实现时域恒定束宽波束形成器的方法。以设计均匀离散圆弧阵的宽带恒定束宽波束形成为例,采用两类优化方法进行仿真,并对仿真结果进行了比较。仿真结果说明采用第二类方法,即要求波束在主瓣区域最佳地逼近期望波束而在旁瓣区域小于一给定值时,得到的波束能更好地满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究历史及发展现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 阵列信号模型
• 2.1 窄带信号模型
• 2.2 宽带信号模型
• 2.3 噪声统计模型
• 2.4 接收阵列流形
• 2.4.1 任意几何结构阵列
• 2.4.2 特殊几何结构阵列
• 2.5 本章小结
• 第三章 窄带波束形成及优化设计
• 3.1 窄带波束形成原理
• 3.2 常见窄带波束形成及仿真
• 3.2.1 SMI 直接矩阵求逆
• 3.2.2 对角加载
• 3.2.3 基于特征结构的自适应波束形成
• 3.2.4 计算机仿真结果
• 3.3 窄带波束优化设计
• 3.3.1 任意阵的窄带波束优化设计
• 3.3.2 计算机仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 宽带波束形成
• 4.1 频域宽带波束形成
• 4.2 经典的宽带时域波束形成
• 4.3 改进的宽带时域波束形成
• 4.4 FIR 数字滤波器设计原理
• 4.4.1 二阶锥规划基本原理
• 4.4.2 基于二阶锥规划的FIR 数字滤波器设计原理
• 4.4.3 FIR 数字滤波器设计仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 频域宽带恒定束宽波束形成设计
• 5.1 线列阵宽带恒定束宽波束形成设计
• 5.1.1 连续线阵的宽带波束形成设计
• 5.1.2 线阵灵敏度函数的DFT 插值
• 5.2 任意结构阵列宽带恒定束宽波束形成设计
• 5.3 恒定束宽波束形成器的设计仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 时域宽带恒定束宽波束形成设计
• 6.1 分子带的时域恒定束宽加权
• 6.1.1 基本原理
• 6.1.2 恒定束宽加权的设计
• 6.2 恒定束宽波束形成的仿真研究
• 6.2.1 设计满足主瓣约束的恒定束宽波束
• 6.2.2 设计满足旁瓣约束的恒定束宽波束
• 6.3 束宽恒定的低旁瓣时域波束形成
• 6.3.1 设计实例
• 6.3.2 仿真实验
• 6.4 直接设计FIR 滤波器组来实现恒定束宽加权
• 6.4.1 最优化问题的设计
• 6.4.2 二阶椎规划的设计
• 6.5 仿真研究
• 6.5.1 第一类方法的设计结果
• 6.5.2 第二类方法的设计结果
• 6.5.3 两类优化方法主瓣区域设计精度的比较
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结和工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文