线列组合阵超宽带恒定束宽波束形成器的实现方法Word文件下载.docx

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2.海军兵种指挥学院模拟训练中心,广州510430

摘要:

声纳处理超宽频带信号时,往往需要较多的阵元以保证低频端有足够大的阵列孔径。

阵元个数的增多,必然加重系统设计负担和处理负担。

针对上述困难,设计了线性组合阵列,将宽带信号按照频率倍数关系分成多个倍频程子带信号,对不同的子带使用相应的子阵进行接收。

为避免栅瓣的出现,子阵阵元间距取为子带最高频率对应波长的一半。

各子阵中心位于同一点,这样不同子阵可以共用某些阵元,减小了系统处理的通道数。

各子阵采用低旁瓣时域恒定束宽波束形成器设计方法。

通过改变采样率,各子阵共用设计出的滤波器组,从而降低了处理器算法的运算量,实现了全频段低旁瓣恒定束宽波束形成器的设计。

最后,进行了仿真,验证了算法的有效性。

关键词:

线列组合阵;

恒定束宽;

低旁瓣;

波束形成器

中图分类号:

TJ630文献标志码:

A文章编号:

1009-3486（201102-0094-04

Realizationofwidebandconstantbeamwidthbeamformerby

linearcombinedarray

LIQin1,YUANBingcheng1,LINWei1,ZHANGWenjuan2

（1.Dept.ofWeaponryEngineering,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China;

2.TrainingSimulationCenter,NavalArmsCommandAcademy,Guangzhou510430,China

Abstract:

Whenthesonardealswithwidebandsignals,manyelementsareoftenneededtoguaranteeenougharrayapertureatthebottomfrequency.Withthenumberofelementsincreased,moredifficultieswillappearinthedesignanddisposalofthesystem.Inordertosolvetheaboveproblems,thelinearcombinedarraywasdesigned.Thewidebandsignalwassplittedintoseveraloctavebandwidthsubbandsintermofdiploidfrequency,andeachsubbandwasreceivedbythecorrespondingsubarray.Toavoidthegratinglobe,thespacebetweenelementsofeachsubarraywassetashalfwavelengthofupmostfrequencyineachsubband.Thecenterofeachsubarraywasthesamepoint,sothedifferentsubarrayscouldsharesomeelementswhichreducedthechannels.Eachsubarraywasdesignedforlowsidelobeconstantbeamwidthbeamformerintimedomain.Thesamplingfrequencychangeswiththesubarray,whichmakesthecomputationalloadmuchlowerbyusingthedesignedfiltersthustorealizethedesignofwidebandlowsidelobeconstantbeamwidthbeamformer.Finally,thevalidityofmethodsmentionedwasverifiedbysimulatingoncomputer.

Keywords:

linearcombinedarray;

constantbeamwidth;

lowsidelobe;

beamformer

主被动声纳中,宽带信号的无失真接收对诸如目标识别、参数估计和波形分析等声纳的后置处理至关重要[1]。

对于常规宽带波束形成器而言,不同频率的信号所形成的空间滤波器形状不同,波束主瓣宽度随频率发生变化,只有波束指向方向上的响应相同。

因此,当波束对准宽带信号源时波束输出的信

第23卷第2期2011年4月海军工程大学学报

JOURNALOFNAVALUNIVERSITYOFENGINEERINGVol.23No.2Apr.2011

号不会失真,但在波束宽度内的其他方向上就会出现失真[2]。

恒定束宽波束形成器可以解决这一问题,

它可使不同频率的信号所形成的空间滤波器形状在主瓣宽度内相同[3-5]

。

文中针对超宽带信号,提出了一种线列组合阵。

该组合阵将需要处理的宽带信号按照频率倍数关系分成若干倍频程子带信号,对不同的子带使用相应孔径的子阵进行接收,这些子阵通过嵌套方式组合而成,从而使不同子阵可以共用某些阵元。

同时,对不同子阵采用不同的采样频率,使不同子阵可以使用同一宽带波束形成器而保持相同的空间滤波特性,这样大大简化了设计过程,提高了信号处理的速度。

此外,文中还基于凸优化理论[6],提出了一种稳健的低旁瓣时域恒定束宽波束形成器设计方法,具有较强的干扰抑制能力。

1线列组合阵结构原理

线列组合阵的结构如图1所示。

假设需要处理的宽带信号频率范围是[f

低,f高]（f高=16f低,

将图1线列组合阵结构图Fig.1Structuremapoflinearcombinedarray

其划分为4个倍频程,分别对应4个子阵。

第1个子

阵对应频带[f高/2,f高],为避免栅瓣的出现,阵元间距

取为最高频率对应着波长的一半,即d1=c/（2f高。

第2个子阵对应频带[f高/4,f高/2],阵元间距d2=

2d1。

第3个子阵对应频带[f高/8,f高/4],阵元间距

d3=4d1。

第4个子阵对应频带[f低,f高/8],阵元间距

d4=8d1。

假设每个子阵数目为N,线列组合阵元数目为

N总,

N总=N+

2,N=4n+1（n为正整数;

N+2

N=4n+3（n为正整数。

（1每个子阵后接的宽带波束形成器既可以在频域实现也可以在时域实现。

由于频域方法是一种块处理的方法,所以波束输出不流畅,且运算量大。

因此,文中采用基于FIR滤波器的时域宽带波束形成方法。

时域形成方法是连续处理,波束输出波形比频域波束形成保真度高,但运算量要大。

每个阵元接收到的信号通过FIR滤波器可实现不同频率上的幅度和相位加权,把输出的信号相加就得到时域的波束输出。

设第n号阵元后接的长度为L的FIR滤波器系数为hn=[hn0,hn1,,hn（L-1]T

则该FIR滤波器的频率响应为

Hn（f=

L-1l=0

hnlexp（-j2lf/fs=hTne（f。

（2式中:

e（f=[1,e-j2f/fs,,e-j2（L-1f/fs]T;

fs为采样频率。

采样周期为Ts=1/fs。

时域宽带波束形成器在频率为f、方向为时的波束响应为

p（,f=wH（fa（,f=

Nn=1Hn（fan（,f=Nn=1hTne（fan（,f。

（3式中:

w（f=[w1（f,w2（f,,wN（f]

T为子带中心频率为f的窄带信号的复加权向量,a（,f=[a1（,f,a2（,f,,aN（,f]T为信号频率为f、方向为时的导向矢量。

对于均匀线列阵,an（,f=

exp-j2fc

n=1,2,,N。

由式（3可以看出

Hn（f=w*n（f,n=1,2,,N。

（4定义1NL维向量hT=[hT1,hT2,,hTN],NL1维向量b（,f=a（,fe（f,则时域宽带波束

形成器的波束响应可表示为95第2期李琴等:

p（,f=hTb（,f,

（5b（,f=a（,fe（f=exp-j2fcexp[-j2fl/fs]。

（6

式中:

l=0,1,,L;

n=1,2,,N。

由此可看出:

当频率增加为原来的2倍时,要想使式（6中使用同一组滤波器系数得到相同的波束响应,则需将阵元间距变为原来的一半,同时系统的采样频率增加为原来的2倍。

显然,组合阵的结构设计满足前一个条件。

笔者针对某一个频段设计时域宽带波束形成器,然后通过改变处理系统的采样率,使各个子阵都能使用此滤波器系数向量得到相同的空间滤波特性。

2子阵恒定束宽波束形成器的设计

对于线列组合阵实现工作频段内波束宽度恒定的问题,文中提出一种低旁瓣宽带恒定束宽波束形成器设计方法。

任取一子阵,阵元数为N,工作频带为[fl,fu]。

该子阵恒定束宽波束形成器的设计步骤如下:

步骤1将子阵工作频率划分为K个子带,子带中心频率为fk[fl,fu],k=1,,K,保证每个子带满足窄带条件;

步骤2构造期望波束响应pd（。

该期望波束响应可以是某参考频率的常规波束响应,或者是由某种优化方法产生的优化波束响应;

步骤3针对每个子带,