[發明專利]一種無需預延遲的寬帶波束形成方法

有效

• 申請號: 201911047680.1
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110708103B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 謝菊蘭;饒申宇;馮雅棟;郭明宇;鄧宇昊;何子述
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B7/08;H04B17/391
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 鄧黎

1.一種無需預延遲的寬帶波束形成方法，用于實現期望信號無失真接收的同時抑制其他來向的干擾和噪聲，包含以下步驟：

步驟1、構建設定陣列下各陣元的接收信號模型，該陣列由M個陣元構成；

步驟2、下變頻：對接收信號進行去載波處理，將接收信號轉換為基帶模擬信號；

步驟3、A/D采樣：將基帶模擬信號進行采樣，轉換為數字接收信號到數字端處理；

步驟4、將基帶數字接收信號通過J階Frost空時處理器，進行數據重組；

步驟5、用經過數據重組后的接收數據估計接收信號的自相關矩陣；

步驟6、根據無失真條件構造約束矩陣C和約束向量f，該矩陣具有MJ行Q列，該向量有Q行；

步驟7、基于線性約束無最小方差準則構建帶約束的優化問題，構造代價函數，并求解最優權向量，進而得到波束形成的最終輸出。

2.如權利要求1所述的一種無需預延遲的寬帶波束形成方法，其特征在于，所述步驟1中構建設定陣列下各陣元的接收信號模型包括以下步驟：

選定陣列中的某一陣元作為參考陣元，其接收信號為原始的接收信號；其余陣元的接收信號根據該陣元與參考陣元的相對傳播延時進行建模。

3.如權利要求1所述的一種無需預延遲的寬帶波束形成方法，其特征在于，所述步驟4中將基帶數字接收信號通過J階Frost空時處理器，具體為：將每個陣元的基帶數字接收信號分別通過J階Frost空時處理器，實現空域和時域相結合；將每個抽頭前加以權值，累加得到波束形成的輸出。

4.如權利要求1所述的一種無需預延遲的寬帶波束形成方法，其特征在于，所述步驟6中根據無失真條件構造約束矩陣C和約束向量f，具體為：在頻域上推導波束形成后期望信號的輸出與原始接收信號之間的關系，建立傳輸函數；根據無失真條件構造約束矩陣C和約束向量f。

5.如權利要求1所述的一種無需預延遲的寬帶波束形成方法，其特征在于，所述步驟7中求解最優權向量，具體包括：在約束矩陣C和約束向量f的線性約束下，將所述的實現期望信號無失真接收的同時抑制其他來向的干擾和噪聲構建為帶約束的優化問題；根據優化問題建立代價函數，并求解最優權向量。

6.如權利要求5所述的一種無需預延遲的寬帶波束形成方法，其特征在于，最優權向量求解方法包括直接求解法、最小均方算法、遞歸最小二乘法。

7.如權利要求1或4所述的一種無需預延遲的寬帶波束形成方法，其特征在于，所述步驟6具體為：在頻域上推導波束形成后期望信號的輸出與原始接收信號之間的關系，建立傳輸函數H(f,θ₀,φ₀)；根據無失真條件構造約束矩陣C和約束向量f；其中：θ₀和φ₀分別為期望信號的俯仰角和方位角，w_m,k為第m個陣元通道第k個抽頭上施加的權值，m＝1,2,…,M和k＝1,2,…,J，M為陣列的陣元數，J為Frost空時處理器的時域抽頭數；s(n)為接收期望信號復包絡的采樣信號，T_s為采樣周期，n為數字時間變量；x_m,_k(n)為第m個陣元接收的基帶期望信號在Frost空時處理器第k個抽頭上的信號，τ_m(θ₀,φ₀)為第m個陣元與參考陣元的相對延時；

假設信號s(n)的傅里葉變換是S(ω)，ω為數字角頻率，則第m個陣元第k個抽頭上的基帶期望信號x_m,k(n)的傅里葉變換為：

設期望信號的基帶模擬頻率為B為期望信號的帶寬；故X_m,k(ω)對應的基帶模擬頻域表示為

波束形成輸出中的期望信號部分y(n)的傅里葉變換為：

傳輸函數記為H(f,θ₀,φ₀)，計算式為：

其中：

w_k＝[w_1,k w_2,k … w_M,k]^T

為了期望信號無失真輸出，使期望信號輸出的頻域滿足幅度增益是常數、相位和頻率呈線性關系，即傳輸函數滿足：

其中，K是幅度增益系數，取K＝1；D是輸出期望信號與輸入期望信號的相對延時，其取值范圍為D∈[1,J-1]，而時，波束形成的效果最好；

構造約束矩陣C和約束向量f，使其滿足期望信號無失真條件，即：

令：

其中，Q為頻率約束點數，表示為空域導向矢量a(θ₀,φ₀,f_q)和時域導向矢量a_t(f_q)的克羅內克積：

空域導向矢量a(θ₀,φ₀,f_q)和時域導向矢量a_t(f_q)分別為：

因此，期望信號無失真條件等價于下式：

C^Hw＝f。