影响阵列波束形成的几个相关问题的研究

合集下载

阵列自适应波束形成及空时自适应处理方法研究

阵列自适应波束形成及空时自适应处理方法研究阵列自适应波束形成及空时自适应处理方法研究一、引言随着无线通信技术的不断发展和应用，阵列自适应信号处理的研究与应用越来越重要。

作为一种传统的信号处理技术，波束形成已经广泛应用于雷达、无线通信、声纳等领域。

而阵列自适应波束形成则是对传统波束形成方法的一种改进和完善，通过利用阵列天线的多径信道响应和干扰域上的统计特征，实现了自动跟踪和自适应增益控制。

二、阵列自适应波束形成的基本原理阵列自适应波束形成的基本原理是利用阵列天线的多个元件接收到的信号之间的相位和幅度差异，通过加权和相加的方式形成具有指向性的波束。

使得接收波束的指向性最大，从而抑制其他方向的干扰和噪声。

在空间波束形成的过程中，首先需要确定接收信号的传播关系，即阵列天线上的接收效应，然后通过一系列的滤波和加权处理，实现波束形成。

三、空时自适应处理方法1. LMS算法最小均方（LMS）算法是一种运用最小均方差准则的一种自适应滤波算法，它的主要思想是：通过不断的调整滤波器的权值，使滤波器的输出与期望响应尽量接近，从而实现滤除干扰和噪声的目的。

LMS算法的主要缺点是收敛速度较慢，对于信号的非平稳性和干扰的复杂性处理效果不佳。

2. RLS算法递归最小二乘（RLS）算法是一种具有较快收敛速度和较好处理效果的自适应滤波算法。

其核心思想是通过最小化预测误差平方的期望，使滤波器的输出与期望响应尽量接近。

该算法采用递归的方式，能够在每次输入一个新的样本时更新滤波器的权值，从而在实时性要求较高的应用场景具有优势。

3. BSS算法盲源分离（BSS）算法是一种利用统计学原理对混合信号进行分离的算法，可应用于信号处理和通信中的多路径干扰消除、噪声抑制等问题。

BSS算法将观测信号模型化为多个源信号按一定比例线性叠加的形式，并利用源信号之间的统计特性进行分离。

四、阵列自适应波束形成与空时自适应处理方法的研究应用阵列自适应波束形成和空时自适应处理方法在通信和雷达领域得到了广泛应用。

一种抗阵列流型误差的波束形成零陷展宽方法

一种抗阵列流型误差的波束形成零陷展宽方法赵宇;李文兴;毛晓军;张宁【摘要】针对现有波束形成零陷展宽方法在阵列流型误差情况下性能严重下降的问题,提出了一种抗阵列流型误差的零陷展宽方法.该方法首先利用不确定集优化方法,对预定区域内的干扰导向矢量进行校正,再结合协方差矩阵锐化技术构造一个零陷展宽投影矩阵,对采样协方差矩阵做投影处理,最后用投影处理后的协方差矩阵进行波束形成.仿真结果表明:所提方法在阵列流型误差的情况下,与现有波束形成零陷展宽方法相比具有更好的零陷展宽效果和输出性能,且计算复杂度很低,是一种先进的稳健波束形成零陷展宽方法.%To address the serious degradation of the performance of existing null broadening beamforming when array calibration errors exist, a null broadening beamforming method against array calibration errors was proposed.In the method, uncertain quadratic optimization was utilized to correct the steering vectors of interferences in the predeter-mined area.Covariance matrix taper technology was then combined to construct a null broadening projection ma-trix, which was used to implement projection processing for the sampling covariance.Finally, the covariance matrix that experienced projection processing was used for beamforming.In case of array calibration errors, the proposed method presented better effect and output performances than the present null broadening beamforming method.Mo-reover, the computational complexity of the proposed method is low.The proposed technique is an advanced and robust null broadening beamforming method.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)001【总页数】6页(P163-168)【关键词】自适应波束形成;零陷展宽;阵列流型误差;投影变换;协方差矩阵锐化【作者】赵宇;李文兴;毛晓军;张宁【作者单位】哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;北京机电工程研究所,北京100074【正文语种】中文【中图分类】TN911.7自适应波束形成技术通过调整加权矢量，能够在干扰方向形成零陷，抑制干扰和噪声，被广泛应用于雷达、声呐、射电天文学、移动通信等领域[1-3]。

相控阵相位差

相控阵相位差相控阵相位差是相控阵雷达或超声波成像中的一个重要概念。

相控阵技术是通过调整和控制阵列中各个发射或接收元件的信号相位，以改变波束的指向性。

相位差是指相邻阵列元素之间的相位差异，影响了阵列形成的波束方向和特性。

以下是相控阵相位差的详细介绍：1. 相控阵技术概述：相控阵技术是一种通过动态控制阵列中的每个元素的相位，使得波束方向可以在空间中任意方向调整的技术。

这种技术在雷达、声纳、医学超声波成像等领域得到广泛应用。

2. 相位差的定义：相位差是指相邻阵列元素之间的相位差异。

相控阵系统中，通过调整每个元素的相位，可以形成一个特定方向的波束。

相位差的大小和方向决定了波束的指向。

3. 影响波束形成的因素：相位差的大小：相位差越大，波束的指向性越强，波束越集中；相位差越小，波束越宽泛。

相位差的方向：相位差的方向决定了波束的指向，可以在水平方向、垂直方向或其他方向上调整波束。

4. 调整相位差的方式：硬件调整：通过调整阵列元素的相位控制器，直接改变硬件上的相位差，实现波束调整。

数字信号处理：在数字信号处理中，通过改变每个阵列元素的相位来实现波束的调整，这通常通过复杂的算法实现。

5. 波束调整和目标追踪：相位差的调整可以用于追踪目标。

通过改变波束方向，可以实现对目标的追踪和定位，提高系统的灵活性和响应速度。

6. 应用领域：雷达系统：在雷达系统中，相控阵技术广泛用于目标追踪和空中监视。

声纳系统：在水下声纳系统中，相控阵技术用于定位和跟踪水下目标。

医学超声波成像：在医学领域，相控阵技术用于超声波成像，提高图像分辨率和诊断能力。

相控阵相位差的合理调整对于提高系统性能、实现目标追踪、改善成像质量等方面都至关重要。

在设计和应用中，需要根据具体情况合理调整相位差，以满足特定应用的要求。

超声相控线阵探头参数对波束形成的影响研究

超声相控线阵探头参数对波束形成的影响研究张永宏;任伟;葛武健【摘要】超声探伤是工业中常用的一种无损检测方法，在实际探伤过程中，正确选择超声波探头参数对探伤效果十分明显，具有重要意义。

以往为了表征探头特性，常引入探头参数对指向性的影响，但探头类型不尽相同，指向性函数的类型也有所不同。

为减小主瓣宽度角，降低旁瓣幅度，保证探伤效果，文中基于波束形成算法理论，建立回波合成信号模型，优化参数使其简化，模型简单，通过仿真分析了不同超声相控线阵探头的阵元数、阵元间距、宽度以及探头频率对波束形成的影响并总结出规律，有助于选择探头参数，为超声相控线阵探头的设计提供了依据。

%Ultrasonic flaw detection is a commonly used industrial non-destructive testing method.In the actual testing process,the correct choice of parameters on the ultrasonic probe is of key important.In the past,to characterize the probe character-istics,the directional effects on the probe parameters are often introduced.But the type of the probeis different,and types of direc-tivity function are different.In order to reduce sidelobes,minimize the width of main lobe and ensure testing results,based on algo-rithm theory,this paper established and simplified a simple synthetic echo signal model.The influence of different array elementnumber,element spacing,element width and frequency of the probe on beam forming field produced by a linear phased array trans-ducer were systematically analyzed through the emulation mode.It can be used to guide the correct choice of parameters of the de-tection probe,thus providing the basis for the design of linear phased array transducer.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】4页(P134-136,141)【关键词】超声探伤;线阵探头;波束形成;探头参数【作者】张永宏;任伟;葛武健【作者单位】南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044;南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044;南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044【正文语种】中文【中图分类】TH8780 引言超声相控阵技术[1]基于传统的超声技术的基础上，探头无需移动的情况下实现波束的聚焦和偏转，一般是在超声信号接收时进行声束合成，即对阵列中各阵元接收的超声信号延时叠加，进而得声束合成扫描线。

波束形成基础原理总结

波束赋形算法研究包括以下几个方面:1.常规的波束赋形算法研究。

即研究如何加强感兴趣信号,提高信道处理增益,研究的是一般的波束赋形问题。

2.鲁棒性波束赋形算法研究。

研究在智能天线阵列非理想情况下,即当阵元存在位置偏差、角度估计误差、各阵元到达基带通路的不一致性、天线校准误差等情况下,如何保证智能天线波束赋形算法的有效性问题。

3.零陷算法研究。

研究在恶劣的通信环境下,即当存在强干扰情况下,如何保证对感兴趣信号增益不变,而在强干扰源方向形成零陷,从而消除干扰,达到有效地估计出感兴趣信号的目的。

阵列天线基本概念（见《基站天线波束赋形及其应用研究_白晓平》）阵列天线（又称天线阵）是由若干离散的具有不同的振幅和相位的辐射单元按一定规律排列并相互连接在一起构成的天线系统。

利用电磁波的干扰与叠加，阵列天线可以加强在所需方向的辐射信号，并减少在非期望方向的电磁波干扰，因此它具有较强的辐射方向性。

组成天线阵的辐射单元称为天线元或阵元。

相邻天线元间的距离称为阵间距。

按照天线元的排列方式，天线阵可分为直线阵，平面阵和立体阵。

阵列天线的方向性理论主要包括阵列方向性分析和阵列方向性综合。

前者是指在已知阵元排列方式、阵元数目、阵间距、阵元电流的幅度、相位分布的情况下分析得出天线阵方向性的过程；后者是指定预期的阵列方向图，通过算法寻求对应于该方向图的阵元个数、阵间距、阵元电流分布规律等。

对于无源阵，一般来说分析和综合是可逆的。

阵列天线分析方法天线的远区场特性是通常所说的天线辐射特性。

天线的近、远区场的划分比较复杂，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。

因此，在分析天线辐射特性时观察点距离应远大于天线总尺寸及三倍的工作波长。

阵列天线的辐射特性取决于阵元因素和阵列因素。

阵元因素包括阵元的激励电流幅度相位、电压驻波比、增益、方向图、极化方式，阵列因素主要包括阵元数目、阵元排列方式、阵元间距。

LCMV波束形成器算法研究的开题报告

LCMV波束形成器算法研究的开题报告一、选题背景波束形成技术是一种将多个单元阵列/远场点信号进行合成，产生一个方向性高的复合天线的技术。

在现代通信和雷达系统中，波束形成是一项重要的技术。

对于通信系统来说，它可以提高信噪比、在复杂的多径和干扰环境中提高信号质量。

在雷达系统中，它可以增加雷达的发射能量和接收灵敏度，提高目标探测率和跟踪精度。

因此，波束形成技术在通信和雷达系统的应用上有着广泛的应用。

在波束形成技术中，线性约束最小方差（LCMV）算法是一种广泛应用的波束形成算法。

LCMV算法可以通过调整权重系数，抑制不必要的信号干扰和噪声干扰，使得目标信号的信噪比得到增强，从而提高系统的性能。

因此，对于LCMV算法的研究和优化有着重要的意义。

二、研究内容本项目的研究内容为LCMV波束形成器的算法研究。

首先将针对LCMV算法进行深入的分析和研究，并结合实际问题，提出一种更加高效和实用的LCMV算法。

同时考虑到信号干扰和噪声干扰的问题，将在算法中采用适当的抑制方法，提高信噪比和抗干扰能力。

最后将对算法进行仿真测试和性能分析，评估算法的可行性和实用性。

三、研究意义本项目的研究针对LCMV波束形成器的算法，在通信和雷达系统中有着广泛的应用。

该研究的成果将具有以下几个方面的意义：1、提高通信和雷达系统的性能，增强目标信号的信噪比和抗干扰能力，提高探测率和跟踪精度。

2、为研究和设计更加高效和实用的波束形成算法提供经验和参考。

3、加深对LCMV算法的理解，促进其在其他应用领域的研究和应用。

四、研究方法本项目将采取以下研究方法：1、对LCMV算法进行深入的分析和研究，理解其基本原理和关键技术。

2、结合实际问题，提出一种更加高效和实用的LCMV算法，并考虑对信号干扰和噪声干扰的抑制方法。

3、对算法进行仿真测试和性能分析，评估其可行性和实用性。

五、预期结果本项目预期达到以下几个方面的结果：1、深入理解LCMV算法的原理和关键技术。

小尺度阵列稳健的波束形成方法仿真研究

中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ｂ
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＯｉｌｔｈｅＤｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙＰａｔｔｅｒｎ
ｏｆＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄＬｉｎｅａｒＡｒｒａｙ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｔｈｅｍｉｎｉａｔｕｉｒｚｅｄｌｉｎｅａｒａｒｒａｙｗｈｉｃｈｅｌｅｍｅｎｔｓｐｉ，ＣＨＥＮＨａｎｇ，ＭＡＣｕｎ—ｂａｏ，ＳＯＮＧＤｏｎｇ
（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＸｉａｎＳｈａｎｘｉ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
ｌｅｓｓｔｈａｎａｑｕａｔｒｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｉｓｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｓｍａｌｌｓｃａｌｅｌｉｎｅａｒａｒａｙｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆａｓｍａｌｌａｐｅｔｒｕｒｅａｒａｙ，ｉｔｉｓｄｉｆｉｆｃｕｌｔｙｔｏｏｂｔａｉｎｇｏｏｄｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓａｎｄｈｉｇｈｇａｉｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｍｉｎｉａｔｕｉｒｚｅｄｌｉｎｅａｒａｒａｙｔｈｒｏｕｇｈｆｏｕｒｂｅａｍｏｒｆｍｉｎｇａｌｇｏｉｒｔｈｍｓ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｗｈｉｔｅ

阵列多波束三坐标雷达的数字波束形成及信号处理技术研究

１引言
相对于两坐标雷达而言，坐标雷达因能同时获三得目标方位、离、角等三维坐标参数，目标的定距仰对
位更加准确，够同时发现、能录取、踪多批目标，跟而受
电扫和一维电扫技术得到并行发展。方位和俯仰波束
上相位扫描的阵列多波束三坐标雷达，通过采用发射
搜索雷达中，方位和仰角多采用纯机械扫描，虽然简单经济，但存在数据率低和处理目标批数受限等问题；电扫描具有可实现无惯性波束扫描、目标容量大、数据率
高、可实现边扫描边跟踪、部雷达可实现多种功能以一及抗干扰性能好、环境适应能力强等优点，成为三坐标雷达发展方向。目前，根据不同的战术背景需求，两维
ｄｍｅｉｎｌｐａｅｓａｎｎｎｅｅａｉｎｉｄ．Ａｎｌｓｓｉｄｎｉｌｔｎｉｏｅｆｒｔｅｉｎｓｏａｈｓｃｎｉｇｉｌｖｔｏｓｍａｅａｙｉｓｍａｅａｄｓｍｕａｉｓｄｎｏｈｏ
ａａｙｉｓｃｒｅｔａｄｆａｉｌｎｓａｌｓｅｏｄｂｓｓｆｒｅｇｎｅｉｇｉｌｍｅｔｔｎｎｌｓｓｉｏｃｎｅｓｂｅａｄｅｔｂｉｈｓａｇｏａｉｎｉｅｒｎｍｐｅｎａｉ．ｏｏＫｅｗｏｒｙｄｓ：３Ｄａａ；ｓｇａｏｅｓｎｒｄｒｉｎｌｐｒｃｓｉｇ；ＤＢＦ
（．９４４部队，１１０河北秦皇岛０６０；．南京船舶雷达研究所，６０１２南京２００）１０３

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

Key Words beam forming，array shape，incident wave angle，incident wave frequency，signal to noise ratio Class Number TB566
1 引言
波束形成是阵列信号处理中一个重要的课题，其主要作用包括：形成基阵接收系统的方向性，估计信号到达方向，抑制空间干扰与环境噪声，进行空域滤波，提高信噪比，进行多目标分辨，为目标识别提供信息，为信号源的定位创造条件等等；通过波束形成处理，可以实现对目标的检测与定位。［1~5］波束形成的处理过程为：采用空间分布的传感器阵列采集场（声场、电磁场等）数据，然后对所采集的数据进行线性加权组合处理得到一个标量的波束输出，该处理过程即为波束形成，即是指将一定几何形状（例如直线、圆、圆弧等）排列的多元基阵的各阵元输出经过处理（例如加权、时延、求和等）形成空间指向性的方法［6］。波束形成也是将一个多
总第 287 期 2018 年第 5 期
舰船电子工程 Ship舰Ele船ctr电onic子En工gin程eering
Vol. 38 No. 5 63
影响阵列波束形成的几个相关问题的研究∗
代伟彭水
（91388 部队湛江 524022）
摘要论文以空间域波束形成的理论和方法为依据，运用计算机仿真的方法，详细研究了直线阵的波束形成情况以及非等间距阵元、入射波角度变化、入射波频率变化、信噪比变化等因素对波束形成结果的影响。研究结果表明当入射波垂直入射时波束形成特性最好；随着信噪比的减小，阵列的波束形成性能变差。
针对这一问题，本文主要以直线阵为研究对
∗ 收稿日期：2017 年 11 月 11 日，修回日期：2017 年 12 月 23 日作者简介：代伟，男，博士，研究方向：水声通信、水声信号处理。彭水，男，博士，工程师，研究方向：水声通信、水声信号处理。
64
代伟等：影响阵列波束形成的几个相关问题的研究
元阵经过适当处理使其对某些空间上的入射波具有所需响应的方法。波束形成的实现方法有很多，特别是在实际应用中，随着微电子技术、计算机技术的快速发展，数字信号处理技术的运用使得时域、频域下的波束形成方法相互贯穿［7］。基于波束形成技术的这些特点和优势使其在声呐工程、水声通信以及水声信号处理中得到广泛的应用。
DAI Wei PENG Shui （No. 91388 Troops of PLA，Zhanjiang 524022）
Abstract Beam forming of line array was investigated by computer simulation based on the theories and methods of space beam forming. The changes of incident wave angle，incident wave frequency，signal to noise ratio and the distance between array el⁃ ements is different were studied in order to obtain the influences on the results of the beam forming. It was found that the properties of beam forming are best when the incident wave is perpendicular to the line array. The properties of beam forming will become worse with the decreasing of the signal to noise ratio.
随着波束形成技术在水声工程中的应用日益广泛，人们对于水声信号处理中的波束形成问题的研究也越来越多，例如频域宽带波束形成［8］、数字波束形成［9］、自适应波束形成等［10］等，但对不同阵形阵列的波束形成问题的研究较少，尤其对于从信号的不同角度对阵列信号的波束形成问题做系统分析研究的报道还没有看到。
关键词波束形成；阵形；入射波角度；入射波频率；入射波信噪比中图分类号 TB566 DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2018. 05. 015
Several Relative Problems Investigation on Which Influenced the Array Beam Forming
对于直线阵，如图 1 所示。选择入射波频率为 f0 ，入射波速度为 v ，入射波角度为 θ0 ，阵元间距为 d ，阵元总数为 N ，N 个阵元排成一条直线，阵元之间成等间隔均匀分布，当声波斜入射到直线阵阵列上时，声波在第 n 个阵元和第 1 个阵元之间会产生 Dd 的声程差，Dd = (n - 1)d cos θ0 。如果直线阵阵元间距不相等，则等间距直线阵变成变间距直线阵。对于直线阵，本论文研究了等间距直线阵入射波角度从 0.1°开始以 10°为增量变化至 170.1°时的波束形成结果，入射波频率分别为 1KHz、3KHz、 10KHz、50KHz、100KHz 时的波束形成图以及输入信号信噪比分别为 1000、50、0、-10、-100 时的波束形成图。同时研究了圆阵和圆弧阵与直线阵象，通过计算机仿真的方法，从入射波角度、入射波频率、信噪比等不同角度对各种阵列的波束形成特性做了较为详细的理论计算，同时研究了变间距对阵列波束形成的影响。
2 阵列模型与波束形成原理
2.1 阵列的数学物理模型本论文所研究的问题主要来源于水声场中阵
列信号处理的相关课题，针对所研究领域的实际情况，主要设计了直线阵作为主要的研究对象，在理论研究中假设阵列所处环境为理想情况，即不考虑水声场的不均匀性和非线性，声波信号是理想的，同时认为阵元之间是各向同性的。作为比较参考，设计了等间距和变间距的直线阵，同时设计了圆阵和圆弧阵来与直线阵的波束形成结果进行对比。