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自适应波束形成技术及其DSP实现.pdf

自适应波束形成技术及其DSP实现.pdf

上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《自适应波束形成技术及其DSP实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含代号一lQ!Ql一分类号!H旦学号密级一套丹而簧它手斟毅竞警硕士学位论文题(中、英文)目自适应波束形成技术及其DSP实现ResearchonAdap符等。

代号一lQ!Ql一分类号!H旦学号密级一套丹而簧它手斟毅竞警硕士学位论文题(中、英文)目自适应波束形成技术及其DSP实现ResearchonAdaptiveBeamformiagandDSPImplementation作者姓名刘琼指导教师姓名、职务苏涛教授学科门类工学学科、专业信号与信息处理提交论文日期二oo六年一月摘要摘要数字波束形成(DBF)技术能够极大提高雷达系统的抗干扰能力是新一代军用雷达提高目标检测性能的关键技术之一。本论文主要工作是对数字波束形成(DBF)工程实现的研究。在阐述了波束形成技术基本结构及原理的基础上论文完成了两方面的工作:.针对空时二维通用雷达信号处理机系统(s’AP)波束形成模块的DSP实现进行了研究重点阐述了二维Capon法(TSA)和多通道联合自适应处理方法(MCAP)两种空时降维方法并讨论了两种方法的性能和使用环境。选择了三通道联合自适应处理方法(CAP)算法实现该模块并给出了系统硬件结构和基于该算法的软件实现方法。.关于波束形成数据域QRlRLS并行算法工程实现的探讨希望可以通过分析设计出合理有效的DSP实现系统。另外提出了一种新的速度更快的双速率脉动阵硬件结构并应用于最小方差无失真(MVDR)波束形成算法通过仿真验证了该结构的可行性和有效性。最后简单介绍了DSP系统实现流程和目前最流行的DSP芯片ADSPTsl混合编程软件设计的方法。关键词:自适应波束形成空时二维信号处理脉动阵混合编程DSP垒呈!型堕ABSTRACTAdaptivedi#talbeamforming(DBF)techniquecallgreatlyimprovethecapabilityofinterferencesuppress.It’sakeytechniquetoimprovetargetdetectiveperformanceofmodemradar.Therealizationofadaptivebeamformingispresentedinthisdissertation.Afterintroducingthetheoriesaboutadaptivebcamforrning.theworkcanbesummarizedasfollows:.Theimplementationofbeamformingmoduleonspacetimeuniversalradarsignalprocessor.TwoalgorithmstimespaceadaptiveCrSA)algofithraandmultichanneljointadaptiveprocessing(MCAP)algorithmarepresentedinthisdissertation.channeljointadaptiveprocessing(一CAP)algorithmisrealizedinthemodule.Bothofthehardwareconfigurationandsoftwareflowofthesystemaregiveninthedissertation..AdiscussionaboutthedesignandimplementationofparallelpipelinedDBFonsystolicarray.Performanceanalysisandcomplexityarepresentedforthisdesign.AnewkindofdoublespeedsystolicarrayisadvancedandappliedforMVDRalgorithm.Thesimulationresultsarepresentedtoshowthefeasibilityandeffectivenessoftheconfigurationproposed.Finally,thepaperintroducedflowchatofsystemdesignbasedonDSP.MixedProgrammingandOptimizationbasedonthemostpopularDSPADSPTSlSaredescribedindetaiLKeywords:AdaptivebeamformingSpacetimeprocessSystolicarrayMixedProgrammingDSP创新性声明Y本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。本人签名:主至重二日期D.f.印关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人签名:导师签名:日期鲨!!:!:翌日期碰:!:丝第一章绪论第一章绪论l数字波束形成和通用DSP处理系统雷达作为一种探测工具在国防建设及国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。然而随着现代军事电子技术的迅速发展高技术对抗的水平和强度不断增强雷达也面临日益严峻的电磁环境工作和生存环境不断恶化来袭目标常常是全方位、多批次且隐身能力强而实际电子战环境中还存在着多种形式的干扰(可能是敌方有意发射的干扰或者其他雷达的辐射干扰等)被雷达天线接收以后它的功率大都高于雷达目标的回波功率导致雷达检测不到所接收的目标回波而影响雷达的检测与跟踪能力。相控阵雷达可同时形成多波束且波束可灵活控制具有很强的抗干扰能力因而受到广泛重视。众所周知相控阵雷达于上世纪五十年代伴随电控微波移相器的研制成功应运而生它在搜索观察目标时整个天线系统结构可以固定不动天线馈电系统内部的电信号频率或者相位通过受控移相微波装置进行控制使波束在空域按预定规律进行扫描。扫描过程中由于不存在机械运动惯性波束指向改变所需控制时间很短比常规雷达的反应时间相比提高了大约几十万倍。它还具有波束可灵活捷变的特点具有机械扫描雷达所不具备的许多优点因而广泛应用于搜索、跟踪、制导以及导航等各种不同用途的雷达当中。然而通常的相控阵雷达是通过微波馈电网络来形成发射和接收波束不具有根据外部环境来自适应调整加权系数而抑制干扰的能力这显然不能适应现代复杂战场环境。此外对常规相控阵雷达如果要同时形成多个波束则其馈电网络的设备量将成倍增加变得十分复杂。随着计算机技术、大规模集成电路和数字信号处理技术的发展采用数字处理方法在基带实现形成相控阵雷达接收波束成为可能这就是所谓的数字波束形成(DBF)技术。采用DBF技术较模拟方式在微波和中频上合成波束技术具有更大的灵活性和可控制性可以同时形成多波束及赋形波束并且可以根据外部干扰环境来自适应调整权系数从而达到抑制干扰的目的是一种先进的雷达技术手段。这种新的相控阵体制为信号处理向更高层次发展提供了需求。空时二维杂波滤除问题就是随之产生有待解决的问题。由于机载雷达的地杂波、海杂波等杂波呈现空时二维耦合谱特性这就决定了雷达杂波抑制基本属于空时二维滤波问题而且其二维处理需实时自适应实现即杂波抑制需使用空时二维自适应处理(SrI’AP)。自适应处理既可以实现与复杂外界环境的有效匹配自适应波束形成技术及其DSP实现同时又可在一定程度上补偿系统误差的影响因而可大大改善系统的性能。但自适应处理往往需要系统灵活形成多波束和在线实时计算自适应权从而涉及较大的运算量。数字波束形成(DBF)技术及超大规模集成电路(VLSI)的迅速发展为精确控制空时自适应权值和加快处理速度提供了保障从而为空时二维自适应处理的实际应用提供了有利的条件。然而空时二维最佳处理所需的运算量是极大的需要对大维数的杂波相关矩阵进行估计和求逆所以其应用只限于非常小的阵列规模而对于较大的阵列其运算量很大实时运算是相当困难的。降低二维处理的运算量是实际应用中必须解决的问题。Klemm从世纪年代初开始对时空二维处理的准最佳实现展开了深入研究。Klemm考察了最佳处理器的性能并就一些空时级联处理结构(如自适应波束形成级联自适应时域处理等)的性能进行了分析和比较。其研究表明二维最佳处理器所具有的优越性是无法由空时级联处理来达到的】。Klemm首先发现杂波相关矩阵的大特征值个数不大于ⅣK(假设空域采样和时域采样分别为Ⅳ和K)并在此基础上提出了空时二维联合处理的典型降维处理方法辅助通道法(AcR)p】它的性能几乎与最佳处理一致。在这之后该领域研究者相继提出了二维Capon法(TSA)i、多通道联合自适应处理方法fM.CAP)等。这些研究成果使得空时二维自适应处理技术向着实用化迈进了一大步。一般的DBF接收阵列包括天线阵元、接收模块、AID转换、波束控制模块和数字波束形成模块几部分。控制模块和波束形成模块是DBF技术的核心。DBF技术通过权值的控制可以完成高速自适应置零天线自校正超低副瓣超分辨自适应空时处理和复杂的雷达能量时间控制等功能这些特点可以使其大大提高雷达系统的抗干扰能力分辨力机动性及其他性能。在自适应干扰处理中最重要的要求是运算的实时计算因此运算速度成为自适应干扰技术实现的关键。并行算法以及Systiolic结构的应用有望解决这一问题。Farina等较早对自适应波束形成算法与实现结构进行了大量研究【m【提出了简单的自适应权值映射算法及在数据域的Systolic实现这种并行处理的思想是将一个任务分成Ⅳ个子任务同时进行处理这样就大大提高了处理的速度。目前关于波束形成处理器硬件实现问题的研究工作已开始增多】】为它的工程应用迈出了更新的一步。在现代雷达体制的工程实践中数字信号处理技术已经占据了日益重要的地位。由于微电子技术的发展推动了DSP器件性能的提高在单片或多片DSP中完成诸如正交插值、脉冲压缩、通道均衡、自适应波束形成等雷达信号处理成为现实。但现在大多数雷达信号处理机都是针对特定的应用问题选择合适的算法然后根据算法确定系统的硬件结构利用各种专用模块完成运算。此类系统针对某种特定的处理任务可以有很高的效率但是它的通用性和扩展性差当信号处理的内容、规模发生变化或者出现新的算法时整个系统都需要重新设计设第一章绪论计开发周期长。为了缩短雷达信号处理机的开发周期可以把它设计为可扩展的模块化、标准化通用系统这样一方面可以通过简单的硬件扩展来适应信号处理规模的变化另一方面可以通过灵活的软件编程来适应信号处理问题的变化和算法的发展。作为国内雷达信号处理的前沿科研机构我们雷达信号处理重点实验室的科研工作者们在雷达的并行信号处理方面做了相当的研究已经设计出了以ADI公司的SHARC系列、TigerSHARC系列bit浮点并行DSP为核心处理单元的多种通用并行信号处理模块。正是基于这种由通用DSP构成的弗行信号处理系统使得雷达信号处理的设计更侧重于软件编程这也正好体现了电子系统向软件化发展的一大趋势。.论文的内容安排本文的主要工作有两方面:一方面是基于雷达的高速实时并行空时二维信号处理系统针对高性能DSP的自适应波束形成模块的编程工作。由于DSP汇编语言编写、调试程序难度较大周期较长通过程序模块化的工作就可以使雷达系统设计人员避免一定量的繁重的、重复性的手工编程工作从而提商系统设计效率。另一方面是关于自适应波束形成数据域并行算法工程实现的研究希望可以通过研究设计出合理有效的实现系统。本论文的主要安排如下:第二章较为全匾的介绍了雷达自适应波束形成技术包括它的基本结构、基本原理、最优准则以及应用等方面。通过这一章的简要介绍使读者对空域自适应波束形成技术有一个基本的认识。第三章把自适应波束形成扩展到空时二维进行讨论通过分析杂波特性解释空时二维信号处理的理论原理并针对提高系统主杂波区域消除效果重点讨论了M.CAP算法并详细介绍了空时二维通用信号处理机的硬件构造及该算法在空时二维通用信号处理机中的实现进行空时二维信号处理程序库的设计。第四章详细介绍了旁瓣相消、自适应波束形成的数据域高速并行算法及其脉动阵硬件结构分析其在DSP上实现的可行性。提出了一种改进的更快速的脉动阵结构并应用于MVDR算法给出了仿真结果验证了该结构的可行性和有效性。第五章首先介绍了DSP芯片的相关基本概念包括DSP与其他处理器相比的优缺点并从系统设计的角度总结了DSP的软硬件开发流程。简要介绍了两款芯片:ADSP一及ADSP.TSlS并针对目前最流行的DSP芯片ADSPTSlS的混合编程软件设计进行了详述。自适应波束形成技术及其DSP实现第二章自适应波束形成的基本算法及原理.空域滤波概述空域滤波是用一定形状的波束来通过有用信号或需要方向的信号并抑制不需要方向的干扰因而又称为波束形成。其实质是一个多通道的阵列信号处理系统既不同于通常信号的时域处理也不同于频域处理是一个空域滤波的概念。因为叠加在一起(时间上同时到达)的几个信号占有相同的频带时通常的时域滤波和频域滤波己不能将它们分开但是这些信号通常来自不同的方向波束形成就是利用这种空域的分离性来实现信号的空域处理【J。波束形成可分为数据独立波束形成、最佳波束形成和自适应波束形成。数据独立波束形成器是根据系统要求设计的不需要阵列输入信号的知识包括多波束和赋形波束在雷达系统中有广泛应用。最佳波束形成器利用信号干扰环境的先验统计特性按一定的最佳准则进行设计常见的有最小均方误差(MMSE)、最大信噪比(MaxSNR)和线性约束最小方差(LCMv)最佳波束形成器。自适应波束形成器则是在信号干扰环境的统计特性是未知或是变化的情况下利用实时的输入信号和干扰矢量进行估计从而算出近似最佳权。常用的自适应算法有uⅥS算法、采样矩阵求逆(SMI)、递推最小二乘(RLS)算法等。虽然普通的连续孔径天线如抛物面天线也可被视为空域滤波器但本论文里主要讨论采用相控阵阵列天线的波束形成器。阵列天线的波束形成可以用数字方式在基带实现(数字波束形成DBF)或用模拟方式在微波和中频上实现。近年来微波集成电路技术获得巨大的进展已研制出适于在微波实现模拟波束形成的微波信号处理芯片(MSP)】。这种技术的进一步完善和空域自适应处理技术的发展将使微波模拟波束形成技术在自适应波束形成中占重要地位。但就近期来说由于DBF的一系列优点:自适应干扰置零、超分辨定向、天线自校准、超低副瓣、阵元失效和波束校正、密集多波束、自适应空时处理、灵活的功率和时间控制等DBF仍将在自适应波束形成中占主导地位。.阵列天线的基本理论相控阵雷达发射系统广泛采用阵列天线阵列天线通常由多个偶极子天线单元组成。偶极子天线具有近似的无方向性天线方向图因而天线增益很低。为了获得较高的天线增益可将多个偶极子天线单元按一定的规则排列在一起形成一一个大的阵列天线。阵列天线有多种形式如线阵、平面阵、圆阵、球形阵等。线阵的特性比较容易解释也很方便推广为便于分析本论文只讨论线阵天线笙三童鱼适窒茎壅墅盛塑墨查簦堡丝堕型三的原理并且空域信号处理的阵列天线模型也以线阵为例进行讨论。束如图.所示为一个M单元的线阵彼此相距矗。如果远场有~信号源可近似看作平行到达接收器假设波束指向为。信号的来波方向为那么相邻两根天线所接收到的信号之间由波程差而引起的相位差为妒:兰dsin()相控阵内部各单元都有一个移相器它为阵内提供一定相位差来改变波束指向。使天线波束最大值在。方向所需的各单元之间的相移差为A甲。一三}dsinB()上式简称为相邻单元之间的阵内相位差。这样设第一阵元的接收信号的相位为则第i根天线与第一根天线之间接收信号的相位差为仍=(i一)(妒一妒。)()假设各单元激励电流用表示图.的天线系统可以看成是为满足一定副瓣要求所需的天线El径分布的幅度加权系统激励电流的相位l%可看成是为获得波束扫描所需的相位加权值即天线阵内移相器的相移值。假定单元方向图为各向同性则所有阵元输出相加后得到的阵列输出为Fp)ynie州“’(妒“’()对于远场平行波天线均匀分布的照射情况(a。=)由()得方向图函数为即=蔷=瓮寒e争蚺ps取绝对值得线阵的幅度方向图为lF(日)l()自适应波束形成技术及其DSP实现由式(.)可知线阵天线的方向图为辛格函数当妒一At:。时辛格函数为可得线阵方向图的最大值。这意味着=。时可得天线方向图的最大值。改变阵内相邻单元间的相位差就能改变波束指向以。图.画出了一个根天线的线阵方向图。要求阵元间距ds^这时天线方向图只有一个主瓣若超过了半个波长方向图可能出现较大的旁瓣称之为栅瓣。对接收方向图而言表现在不同方向上有两个很大的输出从而无法确定信号从哪个方向进入阵列。天线的波柬宽度与天线扫描角以有关当波束指向偏离阵列法线方向越大即毋。越大时波束半功率点宽度也越大。图.方向图N=a=。.几种常用的空域滤波准则..最小均方误差准则一维纳滤波器对图.的滤波器要求根据输入信号“O)一阻。(n)H:(n)H。)对期望响应d(n)进行估计估计值y(H)与d(n)之间的均方误差尽可能小。即对于图.统计滤波问题示意图(n)=)r(H)w”“(n)UT()w’已(矬)=d(珂)一(露)篇d(再)一w封甜(以)Mi”龇eo)删()()()第二章自适应波束形成的基本算法及原理根据正交原理最小均方误差的最优滤波器的充要条件是Eu(n)e”)】()若将式()和式(.)代入式()可以得到最优滤波器的另一个充要条件EIo)加)一~u研)尸j=(ii)式中o是滤波器最佳权矢量。展开并整理这个式子得到最优权为HotRr.()其中R。eu(n)u“)】()为滤波器输入的自相关函数而keu(n)a“加)】()为滤波器输入与期望响应的互相关函数。式()从更普遍的相关函数的角度定义了最优滤波器的系数这个方程称为维纳一霍夫(WienerHopf)方程。.线性约束最小方差(LCMv)准则维纳滤波器的本质是使估计误差均方值最小化没有对它的解篪加任何约束条件。然而在一些滤波应用中希望滤波器在一定约束条件下使均方误差最小化。如要求最小化线性滤波器的平均输出功率而同时约束滤波器在一些特定的感兴趣频率上响应保持恒定。我们从空域滤波上来看这个问题。假定一个天线元素均匀间隔的线阵构成的权值可调波束形成器参见图.(没有画出权值可调)这个阵列被来自远方的各向同性的源信号照射比如在时刻矗一个平面波沿着与阵列垂直方向(法线)成口角度的方向入射到阵列上。假设阵列元素间的间隔小于A/(A为传输信号的波长)以满足空间域取样理论所产生的波束形成器输出为村一)印)砜(n)荟峨e廿%()其中用电角度Oo=一如表示的到达方向与实际角度p有关:“。)是天线元素采集到的电信号:wk表示波束形成器的权值。因此空间型约束优化问题可以描述为:寻找一组权值元素使得在如下线性约束条件下】lf一罗w冲‰g(.)F"o波束形成器的输出均方值最小化。g是一个复增益定义了电角度为Oo的LCMV波束形成器的响应。波束形成器响应仅仅被约束在单频范围内从这个意义上说波束形成器是窄带的。采用拉格朗日乘子法得到期望的最优权向量为自适应波束形成技术及其DSP实现wo=g两'R丽rlS(Oo)()这里s。)’eme一州一‰r是转向矢量。在g=时波束形成器被约束成沿着N应T:Oo的观测方向的无失真响应式此时的最优解为‰=蕊R而s(Oo)()这个解通常被称为最小方差无失真响应(MVDR)估计器最优解。..最小二乘(Ls)准则最小二乘法可看成维纳滤波器理论的另一种表示方法。本质上维纳滤波器是从集平均导出的其结果是一种统计意义上最优的、在各种现实运行环境下获得的滤波器并假定该滤波器所处的环境是广义平稳的。另一方面最小二乘法是确定性的不需要对滤波器输入信号的统计特性进行假设。具体来说由于它涉及使用时间平均故其滤波结果取决于计算中所用的样本数。在计算过程中最小二乘法是~种批处理方法用来处理一批输入数据(即数据块)通过一个数据块接一个数据块的重复计算来适应非平稳数据因此其运算量相当大。不过由于计算能力已经不再像以前那样成为这种方法的障碍所以这种批处理方法正变得越来越有吸引力。下面概述最小二乘估计问题。对于图.所示肼根天线构成的线性阵列假设~组具有n点采样点的输入信号矢量为x(n)I【x”()一()x”如)对期望信号a(n)的估计误差为:e(n)一d(n)一X(n)w()式中Wa【WW:~】为加权矢量。最小二乘(LS)准则在于选择加权矢量W使加权平方误差累积和性能函数nn亭o)一刀忙)I=薹刀ke罅)e‘)=e”o)A加))()为最小。为了降低距当前时刻|远的输入矢量x(k)及响应误差g(女)对性能函数的影响在式()中引入了遗忘因子A且有osA。式中A(n)=Diagdt"~A。由V。亭=()可求得最佳权矢量应满足的方程为w。=防”o)A(”)xo)J陋”)A研)d(n)J(.)式(.)称为最小二乘正规方程。第二章自适应波束形成的基本算法及原理.自适应数字波束形成器及其算法数字波束形成(DBF)接收技术是把先进的数字信号处理技术应用于天线波束形成而发展起来的一门新兴技术是阵列信号处理的重要组成部分。阵列信号处理通常包括三个方面:空间谱估计估计接收带宽内的信号的到达方向波束形成技术使得阵列天线方向图得主瓣指向所需方向零点技术使得天线方向图的零点对准干扰方向。数字波束形成技术将电扫描、自适应置零、多波束和超低副瓣技术很好结合。其原理如图.所示阵列天线接收的各路信号经下变频、A/D采样后在波束形成算法的控制下由波束形成器形成波束在特定的方向上形成主波束接收有用信号并且在干扰方向上形成零点来抑制其他方向的干扰信号。波束形成使用独立传感器阵列接收来自某一距离的信号对接收信号取样处理以区分信号和噪声的空间特性。波束形成器必须满足两个要求|k)主波束有快速转向能力可以实时对准目标借此保护目标(源)信号。具备干扰消除能力使得输出信干比最大。图.M个传感器阵列的自适应波束形成器假设天线阵是由M个特性相同的阵元组成的等距线阵以第一个阵元为参考点D个窄带信号分别位于相对于阵列平面方向岛%处则阵列接收信号为x(f)=AS(t)N(t)()其中X(t)【乇O)xdt)屯(f)r是天线接收信号向量xi(t)是第i个天线阵元接收信号A=瞳。口:拉。】是信号导向矢量Ⅳ)=【nO)疗:(r)‰(f)r是阵元噪声向量。通常假设各阵元噪声为相互独立功率均为《的高斯白噪声。波束形成器输出为Ml(n)=罗以蕾)=w”z)(.)!!皂垩查垫塞垄堕垫查墨茎旦塑塞里其中wt【ⅥWWMr。..线性约束最小方差(LCMV)波束形成器满足波束形成两点要求的一种方法是采用线性约束最小方差波束形成算法它是根据阵列接收数据的统计特性对权向量w加以线性约束使波束形成器在信号方向保持单位响应的同时输出功率达到最小即满足:minP=rainE妒o)】miflwRwsubjecttoC“Wg()矩阵R=ex(t)x”(f)卜假爿“《矩阵c为约束矩阵向量g为增益向量其元素为常数元素。设共有三个线性约束条件则C是一个ML矩阵g是~个L向量矩阵c的每一列表示一个线性约束。由拉格朗日乘子法得解为W=Rc(c”Rc)“g()当约束矩阵为信号导向矢量吼ts(Oo)时权值即为()式所示。当g为时为最小方差无失真响应(MVDR)解见式()。采用SMI方法求最佳权值实际工程计算中R用其K次采样信号得到的估计K值五=吉丑(‘)置”“)代替。由于蠢。运算量非常大实时实现比较困难因此可A符以选择采用Cholesky分解方法在DSP上进行实现具体方法将在下一章详细介绍。在本节中采用阵元数为的线阵来进行仿真按照信号干扰噪声比(SINR)收敛的要求计算自适应权值的快拍数应该满足条件KN一(Ⅳs)因此选用快拍数K=进行仿真。具体仿真条件为:干扰从进入干噪比为dB信号从角进入信噪比为dB。图,为仿真结果波束形成的方向图在干扰方向形成很深的零陷在信号方向形成波束。鸭曳缈酾辆渊奄牛:掌::ep采样点数r采样点蕴图.自适应波束形成方向图(N=)图.显示出了采样点数的不同对自适应波束形成效果的影响。由图可见采样点数越多零陷越深旁瓣越低效果越好。第二章自适应波束形成的基本算法及原理..自适应旁瓣相消器自适应旁瓣相消技术也是波束形成中的常用技术。它通过波束扫描来对准信号并通过设计天线波束图使其自适应的在干扰方向产生很深的零点来有效消除旁瓣进入的有源干扰。如图.所示(a)是天线波束图干扰从旁瓣进入经过波束设计后在干扰方向产生零陷来滤除干扰如所示。(a)(b)图.自适应旁瓣相消图.自适应旁瓣相消器...自适应旁瓣相消的基本原理图.就是一个基本的自适应旁瓣相消器与一般意义上的波束形成器不同它由一根主天线和若干个辅助天线构成。实际上对于大型阵列一般会将阵元按照一定原则划分形成主阵和子阵作为主天线和辅助天线。如图.所示的主阵和子阵的幅度方向图主阵的接收方向图中主瓣较窄旁瓣较低子阵的接收方向图中主瓣较宽其幅度与主阵的旁瓣相当。/、If/、、..^J糯^n.{.n^胍^..。^^墙mjfl川lMf{lHli键~U#l}Nflnn舟A。。I扪ll川HⅦH*"FIlifi##g}.。f:f!:’盘瘦图.主阵和子阵的幅度方向圉当雷达处于强干扰环境时主阵(主天线)接收信号和干扰它的接收方向图的主瓣(主波束)具有很强的方向性主瓣宽度很窄因此用来对准目标方向干扰从旁瓣进入子阵(辅助天线阵)接收干扰它的主瓣很“胖”呈弱方向性不能用来确定目标的方向它的增益与主天线的旁瓣增益相当从中进入的信号与主通道相比可以忽略不计。当存在旁瓣干扰时主通道的干扰信号与辅助通道中的干扰信号幅度相当相位存在波程差引起的固定相移。运用维纳滤波原理可以使主通道的干扰信号输出功率最小。以肘个辅助天线的旁瓣相消为例参见图.假定有n个时钟快拍采样主天线输入为d(f)aO)d()d印)辅助天线输入为X叫‘(f)x:(f)z。(f)r则加自适应波束形成技术及其DSP实现权相消后输出信号为)(f)=dO)一wlx=d(t)一w一一%屯一一”靠()其中W一【叶WⅥr为复数加权值a根据维纳滤波的维纳一霍夫方程阵列天线的最佳权向量%。满足下列关系:Wopt=《Rd()式中尺。=Exx”】是MxM维的辅助天线干扰的自相关函数R。=exdH(f)】为M维的主天线与辅助天线的互相关函数。式(的矩阵方程严格完整的表示了准最佳空间滤波时应取的权系数但辅助天线单元较多时表示式相当复杂难于与系统内的实际问题相联系不便用它来直接分析实际问题。...自适应旁瓣相消的实现与仿真本节考虑主天线由个通道进行波束加权合成扫描指向信号:采用两个辅助天线的自适应旁瓣相消系统它可以形成两个空间零点以对付两个不同入射方向的干扰这与单个辅助天线对付单个干扰的情况类似。单旁瓣相消系统对来自一个角度的单频干扰产生零点但是当干扰有一定频宽时零点附近的分量仍会有剩余两个辅助通道产生的权值对应的滤波器凹口会增宽很多可以进一步减小相消输出剩余使相滑性能提高很多。假定主天线输入为d(f)辅助天线输入为xl(t)、屯O)输出信号为)(f)。根据数字旁瓣相消原理我们需要处理实时的输入数据来求取权值并进行加权处理。一般情况下外部环境处于缓变状态对所有采样点进行权值运算就没有必要了。工程上为了实时实现旁瓣相消会抽取部分样本进行权值运算再对所有采样数据进行加权这种方法是行之有效的。对于未知统计特性的干扰信号采用时间平均来代替集合平均所以相关函数的求解采用了统计平均即。一言薹薯。域)a嘟m)‰专薹删嘶)(i=)()f)为了使权值估计尽可能接近最佳又要考虑实时性可以选择样本数Ⅳ。进行最优权值的计算。图.为自适应旁瓣对消程序仿真结果。仿真条件为:主天线由通道进行波束合成辅助通道由两通道组成进行旁瓣对消。~个点频信号从角入射信噪比dB频率为KHz。两个点频干扰分别从一和角入射干噪比分别为dB和dB频率为MHz和KHz采样率为MHz。由仿真图(a)、(b)可以看到经过点样本求权旁瓣相消之后天线方向图在一。和。形成很深的零陷干扰基本被滤除掉了。若增加采样点则零陷更深第二章白适应波束形成的基本算法及原理见(c)图消除效果更好。(a)自适应旁瓣相消前功率谱(b)自适应旁瓣相消后功率谱i矿急.i毫卜采样点数^也m.蓼:窀鼹矗采样点数I飞‰^产一。母翟瀚矧、一一’葶。擎‘誉J}孓l(c)白适应旁瓣相消方向图图.自适应旁瓣相消性能分析..广义旁瓣相消器(GSC)广义旁瓣相消器是线性约束最小方差(LCMV)波束形成算法的实现方法之一。通过GSC进行LCMV算法实现可以把有约束的自适应权向量转化为无约束的自适应权向量并可以降低维数运算得以简化本节只作定性介绍。令M(肘一工)矩阵c。的列向量定义为式()矩阵c的列向量张成的空间的正交补空间的基即c”c。o零矩阵。是Lx(ML)矩阵。把Mx波束形成器权向量依据矩阵形式写为fVWciq卜ICve%KGwo()【一心Jv是L向量K是一L)xl向量为权值中不受约束的部分。由()及正交补空间的定义得c“w。=g()式()L菱.NWq是权向量w满足约束条件的部分Wa是不受约束条件影响的部分提供波束形成器的自由度。因此依据式()波束形成器可以用如图.自适应波束形成技术及其DSP实现所示的框图来表示它类似一个旁瓣相消器包含两个处理分支:M维权向量%组成的静态波束形成支路和由c口和%组成的噪声估计支路这样的波束形成器称为广义旁瓣消除器(GSC)。图.广义舅瓣楣消器框图将式()、()代入LCMV定义式()即权矢量须满足rain(%一ew.)R(wqcaK)subjecttoC“KgCe()解为M=(cRe)。掣矾()K=c(c“C)‘()考虑静噪环境下相关矩阵满足R。Gr其中是MxM的单位阵盯是噪声方差。代入式()得此时的K一(Ce)。cwq根据定义权向量w。正交于矩阵c。的列向量。由此可知最优权向量K在静噪环境下等于零.由式(.)可求出w%。W。被称为静态权向量它起着类似于以角频率W为谐振频率的带通滤波器的作用。图.显示了当天线数为导向矢量角频率Wo为时的w。。.I、、f对\V图,%频率响应图.阻塞矩阵e频率响应矩阵Ca的频率响应类似一个带阻滤波器组如图.所示。其中的每个滤波器都调协在w。上它阻断了角频率处的接收信号消除静态权向量为%的带通滤波器旁瓣渗漏出来的干扰因此被称为阻塞矩阵。第三章空时二维信号处理第三章空时二维信号处理.平面相控阵天线模型及杂波特性相控阵雷达一般采用平面天线平面阵的阵元数为几百。如果在阵元级做自适应处理控制数目将过于庞大因此这类相控阵通常采用子阵级控制。考虑到便于对天线的方位图做灵活控制一般采用列予阵各列内部采用同样的加权做F、ⅣJ、。。’‘‘o、'OO。、M}!!!J.弋一一。图.阵列几何关系微波合成而自适应权只对列子阵进行控制。这样平面阵等效于线阵每一等效阵元均具有日。(妒)的方向图。图.所示为一天线模型天线为M行Ⅳ列的矩形阵列阵元在行和列方向均等间隔放置间距为d并设d=^/(A为雷达波长)。图中为方位角印为高低角tf为锥角假设天线主瓣指向为p。妒。)阵列采用可分离加权。设列子阵和行子阵的加权值分别为。(m一,.M)和J。(n一,N)。则根据图.的几何关系可得到列子阵方向图为蛐)=耋佃{J孕(m瑚卸“))整个阵面总的接收方向图则为舷小蹦咯扣p孚(cS帅s叫(z)F(妒垆)=Hn(妒)善Lexpl兰}o一)(c。s妒一cos妒。)l()图.自适应接收方向图}上d自适应波束形成技术及其DSP实现天线空间二维方向图如图所示其中肘=Ⅳ=列子阵和行子阵均采用固定的dB切比雪夫加权波束指向:妒。=。Oo=。。从图中可以看出方向图有明显的高低角主平面和主锥面在非主平面区副瓣电平为二维副瓣电平的乘积其值很小。雷达信号处理是按距离门和多普勒频率单元进行的注意距离门与妒一一对应(距离环概念)多普勒频率与锥角余弦cosTp一一对应【】。对N阵来说妒是锥面角而对于行线阵来说其空间锥面角是妒它与口缈有关系:cosg,一cosOcosp。若f|一定则tps妒而当妒一定时妒的取值范围为【q,。一纠或写成。一(。一妒)。(。一妒)】。这就是说F妒)的支撑区只是平面上的一个三角形区域(在。s妒s。和。sfs。范围内)如图.所示。对于图.的天线模型假设载机航速为y雷达波长为A则锥角(相对于航向)为妒处的地杂波多普勒频率厶为m厶=costp式中一^的厶和妒之间的关系表明了时空等效性也就是说一定的妒锥面对应一定的多普勒频率厶即该锥面与大地相交的双曲线上的各处杂波其多普勒频率均图.侧视杂波谱例为厶而与高低角无关(亦即与杂波的距离无关)。其几何意义是地杂波谱在厶/f口cosy,(f为脉冲重复频率)的二维空间呈“脊背型”沿斜带分布斜带的斜率为口=fA/v。若在锥角妒。形成凹口便可使厶。的频率分量杂波大大下降图示出了理想杂波谱的一个例子空时处理就是对这种杂波谱的最佳处理。图.给出了空时自适应处理的原理。该图示出了在方位角costp(空间频率和频率厶(时间频率)两个座标的平面上的杂波和目标。从图中可以看出沿对角线分布的杂波并可看出与发射波对应的杂波主瓣及副瓣。空时白适应处理利用杂波谱在方位角多普勒频率座标平面上沿对角线方向呈窄带山脊状这一事实在该对角线方向形成具有窄带凹口的空时滤波器。图.中示出了该滤波器的传输响应还示出了一个快速目标和一个慢速目标。可以看出它能保证无论快速目标或是慢速目标均在其通带内从而使其能顺利通过。第三章空时二维信号处理纯时黛嚣鼓挚渡港放嚣图.侧视阵空时自适应滤波原理单纯的时域自适应滤波等效于对投影到频率轴上的杂波及目标进行处理这种处理在于采用传输特性为杂波谱倒数的对消滤波器进行滤波。单纯时域滤波器响应示于图.的正面。该响应在杂波谱主瓣处形成了相应的凹口(阻带)从而将杂波大大降低。快速目标的多普勒频率与杂波中心偏移大因而可以通过对消滤波器而不会被抑制。但是由于慢速目标的多普勒频率低可能在滤波器凹口内而被削弱。单纯的空域自适应滤波等效于对投影到空间频率cos#,轴上的杂波和目标进行处理。若仍然采用空域传输特性为杂波空间谱倒数的空域滤波器(比如功率倒置法】抑制杂波则无论快速目标还是慢速目标均在滤波器凹口内因而都要被抑制或削弱。这一情况示于图的左侧面。若采用其他算法比如约束最小法则由于杂波方向与目标方向接近而无法抑制杂波。.空时二维自适应信号处理的基本原理空时二维处理实质是将一维空域滤波技术推广到时间与空间二维域中其基本结构如图.所示。由于雷达采用平面阵并在列子阵级加权作波束合成因此图.空时二维自适应处理原理图自适应波束形成技术及其DSP实现图中的阵元实际上为列子阵。该系统在高斯杂波背景加确知信号(即目标的空间方向与多普勒频率已知)的模型下根据似然比检测理论导出最优权值。用NK维w表示处理器的权矢量则w=【Mw:wlxw。wr’’‰r()该处理器可以描述为如下的数学优化问题:{竺蔗竺()Ssj.一其中Rexx”为由接收数据形成的协方差矩阵ⅣKNK维s为空时二维导引向量用以对某锥角和某多普勒频率进行检测。导引向量是NKxl的列向量。S=aso墨()它由空间形成的波束(DBF)和时域的窄带多普勒滤波(DFF)所构成:S。=【e’’e’‘”一’‘r(.a)墨一e“e’‘“’”r(b)其中眦和Wt分别表示空间与时间归一化频率。表示Kronecker直积定义如下设A=(%)ecB一‰)Ec”则称如下的分块矩阵BauBaB‘alnBBanBanBmBamBamBC””()为A与B的直积。由式()得空时二维最优处理器的权矢量”J口珥为锄肛RS()其中弘为一常数。从()式可以看出表达式由杂波协方差逆矩阵和目标矢量两部分组成。考虑到杂波加噪声的协方差矩阵R是iE定Hermite的对此进行特征分解。有肌善硼‰j薹孵()其中^如z:~是协方差矩阵的P个大特征值为正实数NKP个特征值近似等于噪声方差盯K为第i个特征矢量。由于曰也是正定Hermite的所以=善妻群吉荟NK。蹦即。将上式代人()式可得‰=肛侈一黔)篁三童至堕三丝焦兰竺里一一塑式中q=(专一专)s上式表明最优权矢量%是矢量组sKKo】的线性组合也就是说系统只需有P个自由度即可有效抑制杂波。而且可以把wo口。分解为两部分:‰一心一比。)其中%表示静态权矢量它是固定的常规波束形成矢量%表示自适应抑制杂波的权矢量。很明显这种最优处理器在原理上也等同于广义旁瓣相消器(so)。即用K的线性组合以抵消渗入主波束S里的杂波。由于控制自由度的减少系统的运算得以简化。.时空二维Capon法及其改进算法空时二维最优处理虽然性能优越但对实际的大系统目前几乎无法实现。~是由于运算量太大如果假设空域和时域采样数分别为Ⅳ和K则自适应权值的计图.联合自适应处理CAP原理示意图算需要对(NKNK)维的杂波协方差矩阵进行估计和求逆其运算量为O(IVK)若假设N一K=即运算量约为.x实现实时处理是极其困难的:二是由于无法准确估计杂波协方差矩阵大系统对构成协方差矩阵的采样要求很高一般难以满足因而高维系统的最优处理是不现实的。所以降低系统处理维数的准最优处理方法成为空时二维自适应处理的核心内容。根据Klemm对空时杂波相关矩阵特征值的分析虽然相关矩阵为NK阶但其大特征值个数不超过ⅣK个。根据这一事实可以设计出计算复杂度低得多的空时联合处理。我们在通用雷达信号处理机中采用的方法是多通道二维联合自适应处理方法如图.所示。这一方法先通过时域常规滤波处理使用传统的MTI(三脉冲相消)实现主杂波对消然后采用一组高带外衰减的多普勒滤波器(采用DFT技术)对每个通道的输出进行滤波处理最后使用传统的最小方差法(简称Capon法)对相同多普勒频率输出和它相邻的左右通道输出一起进行自适应处理这种方法称为三通道联合处理方法记为CAP(若为M通道联合处理则记为M.CAP。有些文献也称之为DTSTAP”)。它由时空二维Capon法(TSA有些文献称为自适应波束形成技术及其DSP实现DTSTAP)演变而来弘ol。..时空二维Capon法(TSA)原理图.是按空域分贝、时域分贝切比雪夫权画出的空时二维信号的导向矢量由图可见除方位角cos妒(空间频率)和频率厶(时间频率)两主平面的副瓣比较高以外其他区域副瓣电平极低因此整个杂波谱对输出有影响的只是图.所示的A、c处。实际上A处的杂波通常被称为主杂波可以用主杂波跟踪滤波器(比如三脉冲MTI)以及高带外衰减的窄带多普勒滤波器加以有效抑制。至于C处的杂波由于与目标具有相同的多普勒频率只能在空域加以滤波。时空二维Capon法根据上述基本思想先用深加权的时域滤波器做预处理在时域先对各天线阵元输出用窄带滤波器抑制大量的杂波乘余的主要集中于图.空时二维导向矢量一定方向的杂波采用后续的空域自适应来完成它与M.CAP方法的区别在于它只取一个多普勒输出做自适应处理因此结构与图.类似(去掉左右辅助通道)但它的运算量要比Mo世方法少很多。图.画出了针对一定的波束指l句对某一组多普勒通道进行检测实际上目标速度是未知的对于一定的波束指向对应所有的多普勒通道都应并行的进行检测图中只画出了一组(第k组)。这种方法对于目标多普勒频率与主杂波谱不十分靠近的情况杂波抑制性能十分良好。当目标多普勒频率十分靠近主杂波谱时这种方法的杂波抑制性能将下降。这对主瓣杂波谱宽只占垒频域很小比例的高重复频率系统不必再进行特殊处理但在低、中重复频率的场合主瓣杂波展宽的影响要大得多从而导致这一方法在主杂波区的性能很差。由于部分高速目标将与低速目标混叠于主杂波区因此主杂波区的检测问题不只是低速目标的检测问题对这一区域性能的有效改善异常重要而MCAP方法则可以有效改善之。.多通道联合自适应处理方法(M.o”)众所周知在中、低重复频率体制下主杂波谱表现在多普勒频率域展得很宽造成很大的速度不灵敏区。当目标多普勒频率十分接近主杂波谱时杂波已经从主通道的主瓣渗入这时还只是沿检测的多普勒频率厶取一组辅助通道显然不足以表征输出杂波分布从而性能下降。若在检测的厶两侧各多取一列作为第三章空时二维信号处理附加的辅助通道可使其性能明显改善。图.画出了第k组检测结构针对第k个多普勒通道。这时的后续处理已不局限于空域而是局部域的空时二维联合处理。应当指出只做一维空域滤波是针对二维杂波谱在空间轴投影进行的{而作局部域的空时二维联合处理则在二维谱平面分离目标和杂波在主杂波区附近后者的性能要好很多。对于CAP方法构成三列的时空数据向量(Nxl)为一一、r呸一lZz二Z。rj()其协方差矩阵砭E【B彰】经推导得:RjlR肿。I()RtJR一鼍uo矸么)”Ru。弼)。。。表示第t列通道与第列通道的空域相关矩阵。根据线性约束最小方差准则最佳权向量为吨=以(琏)S。。)这时的导引向量S是

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