[发明专利]一种无需预延迟的宽带波束形成方法

权利要求书

1.一种无需预延迟的宽带波束形成方法，用于实现期望信号无失真接收的同时抑制其他来向的干扰和噪声，包含以下步骤：

步骤1、构建设定阵列下各阵元的接收信号模型，该阵列由M个阵元构成；

步骤2、下变频：对接收信号进行去载波处理，将接收信号转换为基带模拟信号；

步骤3、A/D采样：将基带模拟信号进行采样，转换为数字接收信号到数字端处理；

步骤4、将基带数字接收信号通过J阶Frost空时处理器，进行数据重组；

步骤5、用经过数据重组后的接收数据估计接收信号的自相关矩阵；

步骤6、根据无失真条件构造约束矩阵C和约束向量f，该矩阵具有MJ行Q列，该向量有Q行；

步骤7、基于线性约束无最小方差准则构建带约束的优化问题，构造代价函数，并求解最优权向量，进而得到波束形成的最终输出。

2.如权利要求1所述的一种无需预延迟的宽带波束形成方法，其特征在于，所述步骤1中构建设定阵列下各阵元的接收信号模型包括以下步骤：

选定阵列中的某一阵元作为参考阵元，其接收信号为原始的接收信号；其余阵元的接收信号根据该阵元与参考阵元的相对传播延时进行建模。

3.如权利要求1所述的一种无需预延迟的宽带波束形成方法，其特征在于，所述步骤4中将基带数字接收信号通过J阶Frost空时处理器，具体为：将每个阵元的基带数字接收信号分别通过J阶Frost空时处理器，实现空域和时域相结合；将每个抽头前加以权值，累加得到波束形成的输出。

4.如权利要求1所述的一种无需预延迟的宽带波束形成方法，其特征在于，所述步骤6中根据无失真条件构造约束矩阵C和约束向量f，具体为：在频域上推导波束形成后期望信号的输出与原始接收信号之间的关系，建立传输函数；根据无失真条件构造约束矩阵C和约束向量f。

5.如权利要求1所述的一种无需预延迟的宽带波束形成方法，其特征在于，所述步骤7中求解最优权向量，具体包括：在约束矩阵C和约束向量f的线性约束下，将所述的实现期望信号无失真接收的同时抑制其他来向的干扰和噪声构建为带约束的优化问题；根据优化问题建立代价函数，并求解最优权向量。

6.如权利要求5所述的一种无需预延迟的宽带波束形成方法，其特征在于，最优权向量求解方法包括直接求解法、最小均方算法、递归最小二乘法。

7.如权利要求1或4所述的一种无需预延迟的宽带波束形成方法，其特征在于，所述步骤6具体为：在频域上推导波束形成后期望信号的输出与原始接收信号之间的关系，建立传输函数H(f,θ₀,φ₀)；根据无失真条件构造约束矩阵C和约束向量f；其中：θ₀和φ₀分别为期望信号的俯仰角和方位角，w_m,k为第m个阵元通道第k个抽头上施加的权值，m＝1,2,…,M和k＝1,2,…,J，M为阵列的阵元数，J为Frost空时处理器的时域抽头数；s(n)为接收期望信号复包络的采样信号，T_s为采样周期，n为数字时间变量；x_m,_k(n)为第m个阵元接收的基带期望信号在Frost空时处理器第k个抽头上的信号，τ_m(θ₀,φ₀)为第m个阵元与参考阵元的相对延时；

假设信号s(n)的傅里叶变换是S(ω)，ω为数字角频率，则第m个阵元第k个抽头上的基带期望信号x_m,k(n)的傅里叶变换为：

设期望信号的基带模拟频率为B为期望信号的带宽；故X_m,k(ω)对应的基带模拟频域表示为

波束形成输出中的期望信号部分y(n)的傅里叶变换为：

传输函数记为H(f,θ₀,φ₀)，计算式为：

其中：

w_k＝[w_1,k w_2,k … w_M,k]^T

为了期望信号无失真输出，使期望信号输出的频域满足幅度增益是常数、相位和频率呈线性关系，即传输函数满足：

其中，K是幅度增益系数，取K＝1；D是输出期望信号与输入期望信号的相对延时，其取值范围为D∈[1,J-1]，而时，波束形成的效果最好；

构造约束矩阵C和约束向量f，使其满足期望信号无失真条件，即：

令：

其中，Q为频率约束点数，表示为空域导向矢量a(θ₀,φ₀,f_q)和时域导向矢量a_t(f_q)的克罗内克积：

空域导向矢量a(θ₀,φ₀,f_q)和时域导向矢量a_t(f_q)分别为：

因此，期望信号无失真条件等价于下式：

C^Hw＝f。