时域宽带波束形成方法及实验研究

【摘要】： 宽带信号具有携带的目标信息量大、混响背景相关性弱等特点，有利于目标检测、参数估计和目标特征提取，以及水声对抗和反对抗。因此，宽带信号的阵处理已成为阵列信号处理研究的重要方向和热点问题。本论文借助于优化理论，结合水池实验和湖上实验，系统、深入地研究了宽带信号的时域波束形成方法，并应用到宽带源高分辨方位估计中。主要研究内容包括： 1．系统地分析了各种宽带波束形成方法的结构和特点，利用仿真实验比较了经典的时域宽带波束形成和时域恒定束宽波束形成方法，指出时域恒定束宽波束形成方法可以有效地保护宽带信号的时域波形。 2．研究了基于子带划分的时域恒定束宽波束形成器的设计方法。在设计各子带中心频率上的恒定束宽加权时，提出了一种半定规划的优化方法。针对阵元具有指向性的圆弧阵，设计了具有低旁瓣特征的时域恒定束宽波束形成器。并用线性调频信号测试此波束形成器，验证了该方法的有效性。 3．提出了通过直接设计FIR(Finite Impulse Response：FIR)滤波器组来实现时域恒定束宽波束形成器的改进方法。使用了数字延迟线和FIR滤波器组相结合的波束形成器结构，减小了所用FIR滤波器的阶数。设计中，在约束设计波束在主瓣区域逼近期望波束的同时限制旁瓣高度。仿真实验表明，与原有方法相比，此方法可以使用较低阶次的FIR滤波器实现高精度的时域宽带恒定束宽波束形成器。 4．利用计算机仿真和水池实验，深入分析了阵列模型失配对基于理想阵列模型设计的时域恒定束宽波束形成器性能的影响。研究表明，阵列模型失配会使实测波束图严重畸变。通过实验获取实际阵列模型，基于此模型的设计可以有效缓解这种失配所引起的波束图畸变。进而利用湖上实验数据，检验了此设计方法对任意阵列的有效性。 5．基于时域恒定束宽波束形成方法，提出了可应用于任意阵列在时域实现的宽带源高分辨方位估计算法。仿真研究表明，此方法可以有效地降低运算量，并且提高了宽带源高分辨方位估计算法的性能。