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近场宽带波束形成算法研究

霍广  
【摘要】:随着现代信号处理技术的持续发展,作为其中的重要组成部分的阵列信号处理技术在该领域的地位也愈加凸显。在此之中,自适应波束形成技术凭借其优良的性能被广泛的应用于雷达、天文、地震预报以及医疗诊断等领域,众多的应用需求使其成了阵列信号处理研究者们关注的热点。目前研究的自适应波束形成大多是针对远场环境下的窄带信号进行处理,但是随着信号处理技术的不断进步,宽带信号凭借其诸多优越性已经被越来越普遍的应用。与此同时,麦克风阵列、车载音响、核磁共振等众多近场环境下的需求也不断出现。因此针对近场环境下的宽带波束形成算法的研究具有及其重要的意义。本文针对近场环境下的宽带信号波束形成算法进行研究,并且对算法在圆阵内部全部区域的输出性能和噪声抑制问题展开了深入探讨。本文的主要工作如下:首先,介绍了圆形阵列内部近场宽带信号波束形成问题,并针对该问题应用了网格点划分和逐点扫描的处理方法。通过对波动方程求解得到近场阵列响应并结合时域宽带信号处理方法推导了本文阵列模型的响应矩阵。其次,通过空间响应偏差(SRV)的概念对宽带波束形成频率不变性进行诠释,并基于此给出了两种分别采用凸优化和最小二乘法(LS)的宽带波束形成方法,仿真结果表明两种算法都具有较好的旁瓣性能和频率不变性,但是凸优化方法会导致期望信号增益损失。再次,对基于SRV约束的LS算法的圆形阵列内部波束形成性能进行了验证,并提出了一种基于迭代变加权的改进算法有效的克服了其在个别来波方向无法有效实现波束形成要求的问题。而后,针对近场宽带信号波束形成中的噪声抑制问题进行了探讨,提出了一种结合了SRV约束的LCMV宽带算法,讨论了SRV约束的施加范围对最终波束输出产生的影响,并且采用了权矢量正交分解的方法来提高波束形成的旁瓣和噪声性能,通过推导得到了其最优解。仿真结果证明了提出的算法具有较小的空间响应偏差,旁瓣抑制性能也较好,但是由于需要兼顾空间响应偏差所以相比于常规算法的噪声输出性能有所退化。仿真也证明了新算法在低采样快拍数时的SNR输出能更快的收敛到稳定值,并且在高输入信噪比的条件下能够得到同常规LCMV算法相同的输出性能。最后,介绍了阵元延迟线(SDL)的基本理论,并且分析了在近场均匀圆阵中应用SDL的可行性,提出了一种解决近场环境下均匀圆阵宽带波束形成问题的SDL阵列模型,并且进行了仿真验证。


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