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宽带数字阵列波束形成算法及应用研究.pdf

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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《宽带数字阵列波束形成算法及应用研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学博士学位论文宽带数字阵列波束形成算法及应用研究姓名:李会勇申请学位级别:博士专业:信号与信息处理指导教师:何子述摘要摘要多功能相控阵雷达符等。

电子科技大学博士学位论文宽带数字阵列波束形成算法及应用研究姓名:李会勇申请学位级别:博士专业:信号与信息处理指导教师:何子述摘要摘要多功能相控阵雷达即用一部雷达系统可实现多部雷达的战术功能是相控阵雷达的发展方向。为了使多功能相控阵雷达具有目标识别、成像的能力这就要求相控阵雷达应具有高的距离分辨率即相控阵雷达应工作在宽带。宽带数字阵雷达为实现相控阵雷达的多功能提供了可行的硬件平台。它用数字时延取代了传统的移相器可减小孔径效应使相控阵雷达实现宽带宽角扫描。另外它还具有很高的动态范围、容易实现发射波形和频率捷变等优点。宽带数字波束形成是宽带数字阵雷达中的关键技术之一。要实现宽带波束形成不能再采用普通相控阵雷达中的移相技术而必须采用数字时延另外为了在形成正确波束指向的同时还在干扰到来方向形成零点以提高系统性能所采用的自适应算法和技术也不同于窄带自适应波束形成技术。所以以宽带数字阵雷达为应用背景开展数字时延产生、宽带波束形成、自适应宽带干扰置零、系统实现方案等关键技术研究有着重要的理论意义和实用价值这也是目前阵列信号处理研究中的热点问题。本文针对宽带数字阵雷达系统波束形成技术进行了研究主要研究包括:、研究了基于分数时延的宽带波束形成技术分析了直接射频采样模式下基于时延的波束形成结构并对分数时延的三种产生方法在宽带波束形成中的应用与实现、性能及复杂性进行了分析、比较指出尽管分数时延能够获得较理想的阵列方向图特性但是全部阵元都采用分数时延结构可能会带来系统实现的复杂性和高成本。、研究了分子阵的宽带波束形成技术。在实际大型相控阵雷达中由于阵元数成百上千甚至上万个如果每个阵元后面都采用分数时延方法会给系统海量数据的传输与存储、高速滤波器实现等方面带来很大的压力必须采用分子阵的波束形成结构以降低系统实现难度和成本。研究了子阵划分的原则和方法对基于阵元内单元移相加子阵间分数时延的宽带波束形成性能进行了分析并用仿真结果验证了方法的有效性。、研究了宽带自适应波束形成算法在数字阵中的应用。宽带自适应波束形成方法不同于窄带波束形成论文对宽带自适应波束形成算法特别是ISM和CSM算法在宽带数字阵中的自适应干扰置零方面的性能进行了分析、对比对它们在摘要不同工作频率、工作带宽、干扰模式、阵列形式等条件下的性能进行了仿真分析并讨论了快拍数、采样率、FFT点数等对干扰置零性能的影响这些结果和结论为宽带数字阵实验系统选择自适应波束形成算法以及系统参数提供理论依据。、研究了宽带数字阵雷达可能的实现方案及对应的波束形成方法。分析比较了宽带数字阵雷达可能采用的三种宽带信号:瞬时宽(频)带信号、宽带线性调频信号和频率步进信号以及直接射频采样、中频采样等方式下宽带数字阵雷达系统及波束形成实现方案及特点、难度和存在的问题。对于去斜方案提出了一种能够灵活控制波束指向的宽带波束形成方法。另外针对宽带数字阵实现时可能存在的多通道采样不同步问题分析了它对波束形成性能的影响并进行了详细的理论推导和分析以及仿真验证为今后宽带数字阵雷达系统设计提供硬件选型和波束参数选择等方面的理论参考。此外论文还针对阵列处理的另一个重要应用领域.MIMo通信系统中的检测算法进行了研究。MIMO技术是近年来的一个热点研究问题也是下一代无线通信系统(BG)中的关键技术之一。论文研究了非线性检测算法在MIMO通信系统中的应用。利用非线性算法将MIMO系统中多个天线接收信号进行合成充分利用接收信号中所包含的高阶信息提高MIMO系统检测性能。为了克服非线性检测算法在计算复杂性方面的不足提出了两种降低计算量的方法:基于矩阵递增求解的方法和基于Fisher比的稀疏化方法。仿真验证了这两种算法都能够显著降低非线性算法的计算量而且误码率性能远远超过传统的常规MIMO系统线性检测算法。关键词:数字阵雷达宽带波束形成自适应置零MIMO非线性检测lIABSTRACl'ABSTRACTMultifunctiondigitalarrayradar,whichemploysasingleradarsystemtoobtainthetacticfunctionsofmultipleradarsisveryimportantforthedevelopmentoffuturephasearrayradar.Highrangeresolutionisrequiredtoenablethemultifunctiondigitalarrayradarfortargetidentificationandtargetimaging.Thustheoperationfrequencyofthephasedarrayradarshouldbewideband.Widebanddigitalarrayradarmakestherealizationofthemultifunctionphasedarrayradarpossible.Inthewidebanddigitalarrayradar,timedelayelementsareusedinsteadofthephaseshiftersusedinthetraditionalphasedarrayradarssuchthattheapertureeffectCanbeeliminatedandwidebandwideSCancanbeimplemented.Further,thewidebanddigitalarrayradarhastheadvantagesofveryhighdynamicrangefacilitatingtransmittingwaveformsandfrequencyagility.Widebanddi【gJltalbeamformingisthekeytechniqueforthewidebanddigitalarrayradar.Widebandbeamformingrequiresreplacingphaseshiflersusedinthetraditionalphasedarrayradarsbythetimedelayelements.Ontheotherhandtoformainthedirectionofinterferencetoimprovethesystemperformanceadaptivebeamformingalgorithmsandtechniquesareneededwhicharedifferentfromthoseusedfornarrowbandadaptivebeamforming.Towardstheapplicationofwidebanddigitalarrayradar,theresearchondi【gitaltimedelay,adaptivewidebandinterferenceing,andotherrelatedtechniquesareofsignificanttheoreticalandpracticalimportance.Ofcourse廿eyareemergenttopicsinthecurrentresearchofarraysignalprocessing.Thisthesisstudiesthebeamformingforthewidebanddigitalarrayradar.Theresearchincludes:.Widebanddi西talbeamformingbasedonfractionaltimedelayisinvestigated.WhendirectRFsamplingisadoptedthebeamformingschemebasedontimedelayisdiscussed.Threetypesoffractionaltimedelayapproachesareappliedtothewidebandbeamforming.TheperformanceandcomplexityoftheseIIIABSTRACTapproachesareanalyzedandcompares.Thecomplexityofapplyingfractionaltimedelaytoallarrayelementsisshown..Bearnformingbasedonsubarraylevelisdiscussed.AlthoughfractionaltimedelayCanachieveaccuratedi百taltimedelayandobtainthedesiredarraybeampatternwhenthenumberofarrayelementsisverylargeasinsomepracticalphasedarrayradarsemployingfractionaltimedelayforeacharrayelementseemsimpossibleduetotheproblemsfacedinthedatatransmissionandstorageandhighspeedfiltering.Inthiscasewehavetoresorttothebeamformingschemeinthesubarraylevel.Theprincipleandapproachfordividingsubarraysarestudied.Theperformanceofwidebandbeamformingbasedonapplyingphaseshiflerswithinsubarrayandfractionaltimedelayerbetweensubarraysisanalyzedandillustratedbysimulations..Widebandadaptivebeamformingalgorithmsarestudied.TheperformancesofthewidebandadaptivebeamformingalgorithmsparticularlytheISMandCSMalgorithmsusedinthewidebanddigitalarrayradarsystemareanalyzedsimulatedandcompared.Theperformanceofthesealgorithmsunderdifferentoperationfrequenciesoperationbandwidthscoherentinterferencesandarrayconfigurationsareinvestigatedthroughsimulations.Thediscussionsontheimpactsofthenumberofsnapshotssamplingfrequency,andFFrpointonthebeamformingperformanceareprovidedwhichisusefulforthetestsystemdesign..Thepossiblerealizationsofthewidebanddigitalarrayradarandthecorrespondingbeamformingmethodsareinvestigated.Threetypesofwidebandsignalsareanalyzedandcomparedincludinginstantaneouswidebandsignalswidebandlinearlymodulatedsignalsandfrequencysteppedsignals.TheadvantagesdifficultiesandexistingproblemsoftherealizationofwidebanddigitalarrayradarsystembasedonthedirectRFsamplingandIFsamplingarestudied.Awidebandbeamformingapproachbasedondechirpingisproposed.Further,theimpactofthemultichannelnonsynchronizedsamplingonthebeamformingperformanceisstudiedwhichprovidesatheoreticalreferenceforthehardwareandwaveformselectionfordesigningthewidebanddigitalarrayradarsystem.IVABSTRA(玎Additionally,theapplicationofthearraysignalprocessinginMIMOcommunicationssystemisstudiedinthisthesis.MIMOtechniqueisahottopicinrecentyearswhichisoneofthekeytechniquesofthenextgenerationwirelesscommunicationssystems(BeyondG).WefocusontheapplicationofthenonlineardetectionalgorithmsinMIMOcommunicationssystem.MultiplereceivedsignalsintheMIMOsystemarecombinedusingnonlinearalgorithms.TakingtheadvantageofthehigberorderinformationthedetectionperformanceoftheMIMOsystemiSimproved.Tocombatthedrawbacksofthenonlinearalgorithmsincomputationalcomplexity,twomethodsbasedonincrementalmethodandFisherratemethodareproposedforreducingthecomputationadofthenonlinearalgorithmswhichalsoleadtoimprovedbiterrorrateperformancesthanthetraditionallineardetectionalgorithmsusedinMIMOsystems.Keywords:Digitalarrayradar,widebanddigitalbeamforming,adaptiveing,MIMOnonlineardetection.V独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方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电子科技大学或其它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作了明确的说明并表示谢意。签名:日期:刁年朋Ⅶ论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。.(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:豳堡导师签名:醐:引明堋第一章绪论.引言第一章绪论阵列信号处理是指利用放置在空间不同位置的多个传感器构成传感器阵列对信号进行采集然后通过一定的信号处理算法对接收数据进行融合和处理以提取所感兴趣的信息或提高信号输出质量。它通过对信号在时间和空间上进行采样和处理可更加充分利用包含于信号特征中的有用信息如空间角度信息、极化信息等有效地抑制同频干扰提高系统输出信号质量实现对目标的检测、定位、分类和跟踪等功能。所以阵列信号处理经过近五十年的发展已经发展成为信号处理领域中的一个重要分支在雷达、电子侦察、射电天文、通信、声纳、地震监测、医疗诊断等多个领域得到广泛应用。自适应波束形成技术是阵列信号处理中的一个重要研究内容近年来得到了很快的发展和越来越多地应用。与传统的单天线相比多个天线构成的阵列可以根据一定的最佳准则对空间每个天线接收数据进行加权处理后合并自适应地将天线阵主瓣指向期望方向而在干扰到达方向形成零点相对机械式的普通相控阵它的阵列波束图控制更加灵活方便、干扰抑制能力更好、输出信干噪比更高、空间分辨能力更强等优点。计算机技术和电子技术的快速发展为自适应波束形成技术的实现和应用提供了条件。早期的波束形成研究主要是针对窄带信号但随着阵列信号处理应用范围的不断扩大以及技术指标的进一步提高接收到的信号往往是宽带信号对宽带信号进行波束形成与窄带信号有着较大的区别处理的方法更加复杂要考虑的因素也更多如时延控制方法、通道均衡、波束聚焦、实现复杂性、实时性等。.课题的背景及意义近年来宽带数字阵雷达和MIMO通信技术是阵列信号处理的两个重要前沿研究领域。电子科技大学博士学位论文多功能相控阵雷达即用一部雷达系统可实现多部雷达的战术功能是相控阵雷达的发展方向。特别是在舰载、星载、机载等场合由于平台空间所限同时安装多个雷达天线将带来困难因此要求一部相控阵雷达系统具有多功能能同时完成多个作战任务。多功能相控阵雷达应具有远距离预警、探测洲际导弹等远距离目标的能力这就要求雷达应具有的大的功率孔径积大的搜索威力范围多功能相控阵雷达应具有常规雷达空中警戒的能力要求雷达具有大空域快速搜索的能力多目标探测、跟踪的能力多功能相控阵雷达还应具有目标识别、成像的能力这便要求相控阵雷达应具有高的距离分辨率即相控阵雷达应工作在宽带另外相控阵雷达还应具有导弹制导、拦截、杀伤力评估等功能。相控阵雷达为了能在强杂波中探测低空弱目标和隐身目标要求相控阵雷达应具有大的动态范围同时为对抗各种有源和无源干扰相控阵雷达应具有自适应旁瓣抑制、波束赋形和自适应干扰置零能力。宽带数字阵雷达为实现相控阵雷达的多功能提供了可行的硬件平台。它用数字时延取代了传统的移相器可减小孔径效应使相控阵雷达实现宽带宽角扫描可精确实现几乎连续的波束扫描和波束空间指向。由于目前常规相控阵雷达A/D变换器均置于波束形成网络以后就目前的器件水平而言使得系统的动态范围很难超过dB。而宽带数字阵雷达是在宽带T/R组件内完成对接收信号的A/D变换然后在数字处理时形成接收波束因此系统可获得很高的动态范围使雷达能在强杂波和强干扰背景下检测弱目标。基于宽带数字T/R组件的宽带数字阵雷达系统由于其发射波形、收发信号的幅相控制(加权)等都可用数字方法灵活控制因此通过对相控阵雷达系统资源的优化管理和调度使雷达系统能完成多种战术功能如快速搜索、多目标跟踪、目标识别、制导等功能。由于宽带发射波形是在T/R组件内用数字方法产生各种宽带发射波形的产生和切换十分方便使得雷达很容易实现发射波形和频率捷变。所以宽带化和数字化是今后雷达发展的重要方向。宽带数字波束形成是宽带数字阵雷达的关键技术之一。要实现宽带波束形成不能再采用普通相控阵雷达中的移相技术而必须采用数字时延来替代。另外为了在形成正确波束指向的同时还在干扰到来方向形成零点以提高系统性能所采用的自适应算法和技术也不同于窄带自适应波束形成技术。以宽带数字阵雷达应用为背景开展数字时延、自适应宽带波束形成等关键第一章绪论技术研究有着重要的理论意义和军事应用价值。阵列信号处理技术在无线通信领域也有着越来越广泛的应用特别是在新一代无线通信网中MIMO技术就是近年来的一个热点研究问题也是阵列信号处理的一个前沿研究方向。MIMO技术在接收端和发射端同时使用多副天线进行信号传输和接收发射机将多路子数据流映射到不同的发射天线并同频、同时发送接收机利用多径信道的空间不相关特性从混合信号中分离出原始子数据流。MIMO技术实现了频谱资源的重复利用在不额外增加发射功率和传输带宽的前提下使系统的容量得到倍增、性能得以极大提高是下一代无线通信系统(BG)中的关键技术之一。但是传统线性检测算法的性能不够理想有必要寻求更好的检测算法来提高MIMO系统检测性能。.自适应阵列及波束形成的研究进展自适应阵列信号处理的理论最早由VanAtta于年提出之后经历了年的发展在许多领域获得了广泛的研究和应用。对于前年的发展IEEEAP曾分三个专刊flH】分别进行了总结也可以就此把它划分成自适应阵列信号处理的三个阶段。第一个阶段(上世纪六十年代):研究主要仅集中对阵列天线的主波束进行控制方面还不能完全称它为自适应天线阵第二阶段(上世纪七十年代):主要集中在自适应零点控制上如自适应置零技术、自适应旁瓣对消等自适应干扰置零技术是这个阶段的重要技术进步它能够在未知干扰方向的情况下根据外部数据采样特性自适应在干扰方向形成零点以抑制干扰提高系统输出信号质量。这个时期的阵列天线才称得上是自适应天线阵列它除了能够正确控制天线主波束指向还能够自适应在干扰方向形成零点以抑制干扰第三个阶段(上世纪八十年代):主要研究集中在空间谱估计上这个时期超分辨率的测向算法得到了广泛研究和迅速发展。VanVeen、Godara、HaykiIl等人的综述文章和专著也较系统地对自适应阵列技术的研究进展情况及各种主要技术的应用进行了论述和总结。波束形成技术是阵列信号处理中核心的技术之一。根据波束形成算法中是否需要参考信号可以将波束形成算法分为两大类:基于参考信号的波束形成和盲自适应波束形成算法。基于参考信号的波束形成算法又可以分为基于空间参考信号和基于时间参考信号的波束形成算法。基于空间参考信号的波束形成算法:这类算法需要事先知道一些关于接收信电子科技大学博士学位论文号的空间信息如信号到达方向、信号个数等。常见的基于空间参考信号的自适应波束形成算法包括最大信噪比算法(MaxSNR)和线性约束最小方差算法(LCMV)等。基于空间参考的波束形成算法的性能取决于给定信号到达方向的正确性如果获得的角度存在误差则这类方法的性能会急剧下降。基于时间参考信号的波束形成算法:这类算法要求系统能够提供参考信号或训练信号。这种方式不需要知道信号的到达方向具有较好的稳健性有着较广泛的应用特别是在通信系统中。不足之处就是算法在计算过程中需要有个参考信号或训练信号以进行加权系数的更新这在有些应用场合是无法满足的。较有代表性的基于时间参考信号的波束形成算法包括LMS、RLS算法等。盲自适应算法:这类算法不需要专门的训练信号或信号的来波到达方向而是充分利用信号自身特性(如:高阶统计量【刀【、循环平稳性【】【、恒模特性【】f】)进行波束形成所以这类算法通常对阵列模型误差有很强的稳健性但前提条件是需要用到信号的一些先验知识其收敛速度往往较慢且需要的学习样本较多。比如在恒模算法中要求期望信号的模值保持不变基于累积量的算法则需要信号的高斯特性等。自适应波束形成的算法往往运算量较大对硬件设备也要求较高对于目前的硬件处理速度要对实际系统完成实时运算有时还存在一定的困难。因此自适应波束形成的快速算法以及实时处理也是一个研究重点】.【。为了解决算法在单DSP芯片上实现的难度并行处理算法及实现结构是也是一个重要的研究内容它也促进了基于数据域的自适应波束形成算法的快速发展。典型的数据域算法有Gram.Schmidt正交化算法【刀和基于Givens旋转变换的QR分解方法【】【它们可以利用Systolic结构进行高速的实现。Systolic结构是一种用并行流水方式实现高速信号处理和数据处理的硬件实现方式由H.T.Kung首先提出S.Y.Kung在其基础上提出了Wavefront处理结构。另外稳健的波束形成算法也是近来的一个研究重点。目前稳健的自适应波束形成算法主要包括:基于特征空间的自适应波束形成M。M人工噪声注入法即对角加载法【H线性约束方法【正交投影法。前面讲的盲波束形成算法也属于稳健波束形成算法中的一类。以上讨论的方法主要是针对窄带阵列信号处理随着对目标信息获取的要求越来越高阵列接收信号为宽带信号的情况也越来越普遍对于宽带信号窄带波束形成的方法不再完全适用。在宽带数字阵列中不可以再采用移相器来实现对天线主瓣的指向控制因第一章绪论为信号带宽很宽各阵元之间需要补偿的相位差不再是常数研究者提出采用实时延时线TrD(TmeTimeDelay)取代移相器l】的方法来取代。模拟rD方法常由波导或同轴电缆构成这些方法存在体积大、功耗大、成本高和受温度等环境影响大的缺点。文献【】采用了光纤作为TTD在射频上实现了宽带信号的时延传统的数字时延方法有很多种如采用过密采样、数字时域内插【】等方法但它们无法获得信号的任意时延而且会造成数据量的激增。频域线性相位加权【】方法则由于受FFT点数的影响时延精度受到很大限制。文献【】针对一种基于高斯模型的超宽带信号(无载波)提出了数字延迟线和分数时延滤波器相结合的方法。对于自适应宽带波束形成技术自年Frost提出了宽带数字波束形成结构【】以来宽带自适应波束形成技术已经有很多研究文献出现】。目前对宽带信号的自适应波束形成算法的研究主要分为两类口儿一是以Frost提出的宽带自适应阵列处理结构为基础称为空时处理方法另一种是将宽带信号进行FFT变换得到按频率分路的多路信号然后分别对各个频率的信号进行窄带自适应波束形成处理此方法称为频域处理方法”。频域处理方法主要有两大类第一类是非相干信号子空间处理方法(ISMIncoherentSignalsubspaceMethod)第二类是相干信号子空间处理方法(CSMCoherentSignalsubspaceMethod)。两种方法在处理结构上是一致的主要区别在于加权向量计算时是否进行聚焦运算。另外现有的自适应波束形成算法大多是在一定理想的假设条件下得到的但是在实际系统中往往存在着许多误差和非理想因素各阵列通道之间的不一致性使得现在的阵列信号处理算法在实际工程应用中的性能大幅度下斛尤其对于宽带系统必须采用通道均衡技术补偿通道失配。一种解决的方法是在每个通道后加抽头延迟线进行补偿【】。Fante研究了自适应阵的自均衡能力【另外为了增加系统实现上的实时性后来又提出了带宽分割法f”它能够显著降低计算运算量尽管性能受到一定影响但是有较好的实际应用价值。尽管自适应阵列处理及波束形成技术经过几十年的发展取得了丰富的理论成果以及应用成果但是随着应用领域的不但增大以及应用场合和背景的进一步复杂这个领域还有许多问题亟待解决需要开展更深入研究以更好地服务于人类。.阵列信号处理在雷达和通信中的应用在工程应用方面随着超大规模集成电路技术和计算机技术的发展为阵列电子科技大学博士学位论文信号处理理论向实用技术的转化提供了条件现代雷达和通信系统就是其两个重要的应用领域。数字阵列雷达是目前世界上最先进的相控阵雷达随着高速采样技术和高速数字处理器的发展宽带雷达信号的全数字处理成为可能。宽带数字阵列雷达的众多优点使其具有广阔的军事和商业用途。近年来国外一些发达国家在数字阵列雷达系统方面投入了大量的人力物力实用化数字阵列雷达的研究也取得了一定的进展出现了一些采用数字波束形成(DigitalBeamformingDBF)技术的实验系统和数字阵雷达系统。美国海军研究局(oNR)财年设立了数字阵列雷达开发计划研制个阵元的L波段数字阵列雷达的实验样机系纠】【】并对基于DDS的发射数字波束形成和基于A/D的接收数字波束形成的核心技术开展了研究工作。年月乌克兰Ukspetstechnika公司对数字阵列雷达研发项目的相关成果进行了内部展示该数字阵列雷达不仅适用于地基、舰载雷达也适用于机载雷达。年初LockheedMartin公司成功地验证了数字波束形成雷达定位和跟踪真实目标(进出Piladephia地区的商业和军用飞机)的能力目前正在努力发展先进的空中和导弹防御雷达以实现数字雷达技术急切的需求。国内与雷达相关的几个电子研究所以及高校也积极开展了关于数字阵雷达体系结构、关键技术、实验系统等方面的研究取得了一定的研究成果。中电集团电子所在年提出了直接数字波束控制系统的概念年研制出基于DDS技术的单元自适应波束形成发射阵列年成功研制出了单元一维收发全数字波束形成试验系统可以观察Km以内的汽车、飞机等目标是全数字相控阵雷达的雏形。年该所完成了个单元的数字阵列雷达时延验证系统研制标志性成果为高度集成和可靠的数字阵列模块(D蝴)。目前该所正在进行数字阵列雷达工程应用研究【】【。中电集团电子所、西电、国防科大、成电等单位也在总装等部门的支持下开展了宽带数字阵雷达相关技术的研究工作。上世纪年代以来随着移动通信产业的快速发展以及对移动通信传播、组网技术、天线理论等方面研究的逐渐深入智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。它在不增加系统复杂度的情况下能提高服务质量实现网络容量。所谓的智能天线就是指阵列信号处理在移动通信中的应用。作为智能天线发展的两大方向之一自适应波束成形在智能天线的研究中受到了普遍的重视。第一章绪论世界上许多国家都非常重视智能天线在未来移动通信系统中的地位和作用开展了大量的理论研究工作并建立起了一些实验平台I嘲。随着人们对移动通信传输速率、传输质量、业务类型的不断提高对无线通信技术提出了更高要求在众多新技术中基于空间分集的多输入多输出(MIMO)技术被认为是最有前途的解决方案之~。MIMO技术的核心思想是:在通信链路的收、发两端分别配备多根天线发射机将多路子数据流映射到不同的发射天线并同频、同时发送。接收机利用多径信道的空间不相关特性从混合信号中分离出原始子数据流技术上实现了频谱资源的重复利用在不额外增加发射功率和传输带宽的前提下使系统的容量得到倍增、性能得以极大提高这些优点使其在频谱资源日趋紧张的今天倍受青睐【H成为下一代无线通信系统(BG)中的关键技术之一。MIMO技术的性能与系统所采用的信号检测算法之间有极大的关联因此信号检测技术一直是其研究热点之一。【】【】.本文的主要研究内容和章节安排本论文的主要研究工作分别得到了国家“雷达技术研究"项目和国家高技术研究发展计划(计划)重大专项课题“新型天线与分集技术研究”的支持。主要对宽带数字阵雷达的特点、实现架构、关键技术等方面进行了研究为宽带数字阵今后的实际应用提供技术参考和理论依据。另外一个内容主要是针对新一代无线通信系统中的关键技术MIMO系统检测技术进行了研究对其阵列接收端检测算法进行一定的改进重点研究了减少非线性算法计算量的方法。本文的主要研究内容及章节安排如下:第一章为绪论对课题的背景和意义、相关理论的研究进展以及该技术在雷达和通信中的应用情况进行作了介绍。第二章首先介绍了阵列信号接收模型然后分析了宽带信号波束形成不能采用移相器的原因并对宽带波束形成的分数时延产生方法及实现结构进行了介绍、分析、仿真和比较最后对基于分数时延的宽带数字阵雷达波束形成性能进行了分析和仿真验证。第三章为了减小宽带波束形成实现的复杂性提出了采用基于子阵的宽带波束形成结构这样既可以减少分数时延滤波器个数也增大了所需产生的时延量便于分数时延滤波器的实现。在讨论子阵划分方法、原则、存在的问题基础上针对宽带数字阵雷达系统技术指标对采用阵元移相加子阵级分数时延的波束形电子科技大学博士学位论文成结构进行了性能仿真和分析得到了一些具有一定参考价值的结论。第四章在前面主要考虑波束主瓣对准的基础上分析了两大类宽带自适应波束形成算法一ISM算法和CSM算法对其在不同环境下的性能进行了仿真包括不同阵列形式、工作频率、工作带宽、干扰形式、快拍数、FFT点数等对于宽带自适应波束形成性能的影响进行了分析、仿真、对比为今后实验系统参数以及自适应波束形成算法的选择提供理论依据。第五章对宽带数字阵雷达中的波束形成技术及方案进行了研究、分析与对比。首先分析比较了宽带数字阵雷达可能采用的三种宽带信号:瞬时宽(频)带信号、宽带线性调频信号和频率步进信号以及直接射频采样、中频采样等方式下宽带波束形成的实现、特点、技术难度以及存在的问题然后对基于拉伸处理的宽带波束形成原理进行了介绍提出了一种能够灵活控制波束指向的宽带波束形成方法。最后对宽带数字阵雷达具体实现时存在的采样时钟不同步问题给波束形成带来的影响进行了理论分析和仿真验证。第六章对无线MIMO通信系统中的阵列接收端非线性检测算法进行了研究。针对非线性检测算法计算量较大的不足提出了基于矩阵递推求解的算法和基于Fisher比进行空间降维的算法它们都能够大大降低计算复杂性算法的实用性得到增强并且通过多种不同的仿真条件对提出算法的有效性进行了验证。第七章对全文进行总结并提出了一些可以进一步研究的问题。第二章基于数字时延的宽带数字波束形成第二章基于数字时延的宽带数字波束形成需求背景的进一步广泛以及任务要求的进一步提高给雷达在技术指标上提出了更高的要求。如多功能相控阵雷达除了要求具有常规相控阵雷达功能外还要求具有目标识别、成像的能力这就需要相控阵雷达必须工作在宽带模式。宽带数字阵列的波束控制不同于传统相控阵雷达可以通过移相器来控制波束指向必须用时延单元来取代移相器否则随着信号带宽的增大阵列波束指向会出现偏移和扫描不准的现象无法实现雷达宽带、宽角扫描。数字化、宽带化是现代雷达的发展趋势有必要针对宽带数字阵雷达开展其中的关键技术研究。实时高精度数字时延技术就是其中一个关键技术。常见的时延产生方法主要是模拟方法它们在实际应用中存在一定不足如较常见的同轴电缆方式存在工程实现体积大、信号传输损耗大等不足利用光纤来实现光实时时延线晦门是一种较有效地解决相控阵孔径效应的方法不过它也不能实现任意精度的时延。因而针对宽带数字阵雷达系统研究一种高效高精度的可变分数时延滤波器是很有必要的。分数时延滤波器(FDF)嘲是一种对输入信号实现连续可变精确时延的数字滤波器在数字信号处理领域有着重要的作用。本章针对分数时延滤波器在宽带波束形成中的应用开展了研究以宽带数字阵雷达为应用背景针对系统指标对分数时延滤波器在数字阵中的实现方案以及性能进行了研究和仿真分析。.阵列天线信号接收模型..窄带信号模型考虑如图所示的一个由肘个天线单元组成的阵列系统假设参考阵元收到的远场来波信号为:xo(t)=s(f)eJ科()其中国是来波的角频率s(f)为来波信号的幅度。则阵元m的接收信号为%(f)=J(f一乇)ej。‘卜‘’()其中电子科技大学博士学位论文%=生siIl()孙铸咖怔卜陋口=明e’m~r()假设到达阵列的来波信号个数为K方向分别为幺k=K阵列接收式中阵列的接收数据xQ)=kO)屯仰)..J‰)r信号数据矩阵s(刀)=b()屯(刀)..&(以)r阵列流型矩阵A(秒)=a(幺)a(幺)...a(以)r对于均匀线阵a(吼)=exp(jffdsin(,)/)...exp(j万d(M)sin(tk)/)t)r其中名为信号波长d为均匀线阵相邻阵元问距n(刀)=【啊(刀)他(刀)...‰O)r为噪声数据R=E(XXⅣ)=All。A瓯I()第二章基于数字时延的宽带数字波束形成..宽带信号模型上述的阵列信号接收模型是针对窄带接收信号的现在越来越多的系统都采用宽带信号以提高性能满足技战术指标。当来波信号是宽带信号时阵列信号接收模型不再与窄带模型完全相同不能简单套用窄带模型对宽带信号进行处理否则就会得到有偏差甚至错误的结果。所以必须建立适合宽带信号的阵列接收模型。目前对于窄带、宽带与超宽带尚无完全统一的定义不过普遍认可的定义是:当相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于%称为窄带(NB)在%与%之间为宽带(WB)大于%时称为超宽带(Imm)。也有少数观点认为相对带宽小于%为窄带在%与%之间为宽带大于等于%为超宽带。实际中的宽带雷达声纳和扩频通信系统的相对带宽通常为%一%。在雷达系统中常见的宽带信号包括瞬时宽带信号、宽带线性调频信号和频率步进信号。线性调频信号具有较大的时宽频宽积(TB》)较好地解决了作用距离与距离分辨力之间的矛盾适用于远程、超远程警戒雷达得到了较广泛的应用。宽带信号可以被看成若干相邻频率窄带信号之和以简化分析。假定宽带信号s(以)是由J个窄带信号叠加而成即‘J(刀)=屯(刀)()m=l其中‰(刀)是对中心频率厶窄带信号‰(f)的采样信号对于上式中的每个窄带信号就可以利用上节的窄带信号阵列模型所以单个宽带信号入射时阵列接收数据可以写成x()=a(厶D‰(力)n(以)()如同s(刀)一样n(n)也可以被写为.个窄带噪声信号之和.l(刀)=‰(z)()m=l于是()式可以被重新写为:x(以)=【a(五矽)屯(”)n厶()】()m=i当有K似K)个远场信号与(以):(以)sx(n)分别来自B岛&方向则第m个阵元的输出为:靠(嚣)=s如一毛(谚))‰(力m=lM(一)电子科技大学博士学位论文式中毛(q)为来波信号墨伽)到达阵元朋的相对时延将()式写成频域形式:L(乃)=%(乃q)母(乃)帆(乃)i=令‰(刀)为阵元聊上的噪声。m=M()s(乃)=【最(乃)疋(乃)(乃)】N(乃)=【Ⅳl(乃)Ⅳ(乃)NMCD)()A(fj)=【a(乃q)a(D岛)a(k畋)】a(D)=q(乃口)口:(乃)口Ⅳ(‘够)】则有:x(乃)=A(‘)s(六)N(一)()上式即为阵列输出的宽带频域模型它与窄带时域模型很相似。在阵列雷达系统中为了提高信号检测性能希望阵列波束图主瓣指向能够对准目标信号来波方向。对于目标信号是窄带信号还是宽带信号所采用的处理方式是不同的对于窄带信号通常可以采用移相的方式。以M单元均匀线阵为例如图.所示。dsin移相器kM图相控阵线阵扫描原理图可以求得远场区某方向上电场矢量叠加结果为E(O,t):兰gjvftej(i)d(硒n%sinn)()f#l其中t为时间变量波束七=刀'/A‰=万/凡名、知分别是工作频率厂和系统设计频率石对应的波长。()式相加后可以得到第二章基于数字时延的宽带数字波束形成聊)=习ejM丽d(k酾sinOkosinOB)e刎()进一步可写成E(:sin(警d(ksinkosins))g警d(触伊‰s‘n岛)P矽()、sin(圭d(ksinOI,osint)n))所以瞬时电压幅值方向图为IE(p)ilIssi。nn(【等{dd【(尼kssinnO一‰kossmin%OB"))l()瞬时功率方向图为l砰‘叫ssiinn((警掷d(kssiinn秒一舳kosin驯On))()式()在ksinOkosinO,=的条件下得到最大值满足此条件的即是阵列方向图的主瓣指向即‰。一一=arcsill(每sin吃)()尼根据ko、k的定义可以写成‰一一=arcsiIl(手sin吃)图不同频率下普通相控阵列的归一化功率方向图()电子科技大学博士学位论文根据式(.)可得到:如果产届时此时阵列天线的主瓣指向与期望方向相同否则会出现与期望方向不一致发生指向偏移。所以对于宽带数字阵雷达由于信号带宽较大用传统移相器控制方向时只能针对一个频率准确指向对某些频率会发生波束指向与期望方向偏移的现象。图.对这种情况进行了验证仿真。仿真中阵元数N=相控阵移相器对应的工作频率fo=.GHz入射信号频率范围为.GHz~.GHz为了不出现栅瓣取阵元间距d=以h/期望主瓣铅=。。根据式(.)可以得到不同频率.厂的阵列波束图。从图中可以看出:当工作频率分别为GHz、.GHz、.GHz时普通相控阵方向图的主瓣分别指向.。、。和。。所以当入射信号为宽带信号时不能再采用传统的移相方法来形成正确的波束指向因为不同频率对应的相移值是不同的而从公式()可以看出:阵列单元之间对于不同频率存在的时间延迟是相同的如果在各个阵元之间采用时延单元取代移相单元就可以补偿信号到达不同阵元之间的时间差将主瓣指向对准期望方向。因此对于宽带数字阵雷达有必要研究精度高、实现简单、稳定性好和易控制的时延方法以取代窄带相控阵雷达中的移相器。分数时延滤波器是一种对输入信号实现连续可变的精确时延的数字滤波器下面将研究其应用于数字阵雷达的可能性及性能。..基于时延的宽带波束形成原理川)一d(专矿‰(f)()其中五是信号的载波鼎瓦为脉冲持续斌rect(To)=墨l鬈彪州f)为基带信号。采用零中频处理p的基带宽带信号可表示成:啪)一cf(专坝f)()第k号阵元接收到的信号形式为吒(垆删(半)eJ(确(tkAO)S(fkAr)()第二章基于数字时延的宽带数字波束形成写成基带形式x,b(t)并展开可得%(f):recf(芈)eJx/cfoars(fkAf)』()根据式()可知为了在期望方向形成正确主瓣指向可以先对阵元信号进行移相补偿eJ。Moa再时延kAr后就可以形成正确的波束指向。对于均匀线阵第k号阵元相对参考阵元回波时延为t=kArrk:kdsin()一一、厶厶了C假设采样周期为T时第k号阵元需要补偿的时延可表示为旦:三()三表示整数倍采样周期时延L"round(竽警)()round函数表示四舍五入。表示分数倍采样周期时延一.<A.:立一三:立一厂o“刀d(kdsi.)r丁c』()对阵列接收信号进行采样后可以采用分数时延滤波器产生所需时延使各通道信号在期望方向上时间对齐。图宽带数字阵宽带波束形成结构另外分数时延滤波器的时延特性与滤波器阶数有关为了获得好的时延性能通常要求NL。为了减少时延单元的实现复杂性可以对整数倍采样周期时延用数字时延线来实现剩余时延量采用分数滤波器来实现如图所示。根据上面的分析可知要对宽带信号在基带数字域形成正确的波束指向可以在电子科技大学博士学位论文接收通道通过移相补偿加时延单元来实现。时延单元又可以分成整数倍时延和分数倍时延单元来分别完成这样有利于降低系统实现成本。.分数时延滤波器的基本原理..理想分数时延滤波器的形式目月U分致町延耀汲器征雷达汲束彤厩钡】觋胜用利珂枚少。埋恐阴分致盯贴滤波器的冲激响应可利用图推导r一一一一一一一一一一一一一lI咂期型恒申川I一一一一一一一一一一一一一J图分数时延原理图中t(f)是缸z】的内插川)=薹娴sinc象(H硼()式()中T为采样周期哆=等对t(f)时延可得yA垆邪=荟kin娴sinc象(坩)】()对咒(f)采样可得州=胁D=咖r叫=薹删sinc【曩(刀丁一f一硎()设D=而q=等to万,=!T代入式()可得M刀】=xksinc(nDk)()式()可以写为缸刀】与如下k【刀】的卷积:y()=x(”)宰砧(刀)第二章基于数字时延的宽带数字波束形成理想的分数时延滤波器的冲激响应可表示为:毛In】=sinc(nD)..分数时延精度对系统的影响为

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