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宽带波束形成器的自适应综合

声学学报 2003年第3期28卷 283-287页

作者：朱维杰孙进才曾向阳西北工业大学航海工程学院西安710072

提出一种具有频率不变波束图的宽带基阵设计方法。该方法只需给出参考波束图,无须推导权矢量的表达式,便可由计算机自动完成整个设计任务。其设计过程分为3步:(1)用数值计算的方法计算参考频率下的基阵权矢量。(2)利用自适应模拟法得到... 详细信息

提出一种具有频率不变波束图的宽带基阵设计方法。该方法只需给出参考波束图,无须推导权矢量的表达式,便可由计算机自动完成整个设计任务。其设计过程分为3步:(1)用数值计算的方法计算参考频率下的基阵权矢量。(2)利用自适应模拟法得到其它频率处的基阵权矢量。(3)以各频点处的基阵权矢量作为FIR滤波器的频率响应指标设计FIR滤波器。该方法可应用于任意阵型的阵列,且对各阵元的指向性也没有任何限制,因此本文方法具有重要的工程应用价值。

关键词：宽带波束形成器频率不变波束图 FIR滤波器宽带基阵设计自适应模拟空间滤波器噪声抑制自适应综合

时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计

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声学学报 2018年第6期43卷 883-893页

作者：任维怡陈华伟南京航空航天大学电子信息工程学院南京211106 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190

针对球面阵模态域波束形成器对传声器失配误差敏感的问题，研究了时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计。揭示了波束响应误差上界的保守性是影响现有最差性能优化方法性能的主要原因，进而提出了一种波束响应误差上... 详细信息

针对球面阵模态域波束形成器对传声器失配误差敏感的问题，研究了时域实现结构球面阵的最差性能优化稳健宽带波束形成器设计。揭示了波束响应误差上界的保守性是影响现有最差性能优化方法性能的主要原因，进而提出了一种波束响应误差上界更为紧凑的优化设计方法。理论分析表明，与现有最差性能优化方法相比，所提出方法的代价函数更小、且可行解的范围也更大。针对最差性能优化设计方法存在的波束指向上阵列响应随频率变化波动偏大而引起信号失真的问题，还给出了一种减小波束图在指向方向上受信号频率影响的约束方法。仿真分析结果表明：在相同传声器失配误差条件下，所提出的设计方法要优于现有方法，得到的波束图具有更低的旁瓣级。

关键词：宽带波束形成器优化设计方法性能优化面阵稳健结构时域失配误差

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基于DFT插值的宽带波束形成器设计

通信学报 2002年第8期23卷 59-66页

作者：朱维杰孙进才西北工业大学航海工程学院陕西西安710072

本文提出一种基于DFT插值的宽带波束形成器设计方法。首先推导了具有频率不变波束图的连续线阵的灵敏度函数与离散线列阵加权系数之间的关系;接着给出了基于DFT插值的宽带波束形成器设计的两个步骤:（1）使用窄带波束形成器的设计方法... 详细信息

本文提出一种基于DFT插值的宽带波束形成器设计方法。首先推导了具有频率不变波束图的连续线阵的灵敏度函数与离散线列阵加权系数之间的关系;接着给出了基于DFT插值的宽带波束形成器设计的两个步骤:（1）使用窄带波束形成器的设计方法计算在参考频率下基阵的加权系数;（2）根据参考频率下基阵的权系数与其它子带权系数之间的关系,利用DFT插值的方法求出其它子带的加权系数。最后,给出了一个设计实例说明本文方法的有效性。

关键词： DFT插值宽带波束形成器频率不变波束图信号处理

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远场宽带波束形成器的稳健优化设计

远场宽带波束形成器的稳健优化设计

作者：王慧南京航空航天大学

学位级别：硕士

基于麦克风阵列的宽带波束形成技术在高性能音频信号采集、声源定位等领域具有广泛的应用。但麦克风阵列往往会存在失配误差，波束形成器的性能会下降，因此设计稳健的宽带波束形成器具有重要的意义。在基于凸优化的稳健远场宽带波束形... 详细信息

基于麦克风阵列的宽带波束形成技术在高性能音频信号采集、声源定位等领域具有广泛的应用。但麦克风阵列往往会存在失配误差，波束形成器的性能会下降，因此设计稳健的宽带波束形成器具有重要的意义。在基于凸优化的稳健远场宽带波束形成器设计中，目前对权值的白噪声增益范数约束大小如何确定是一个关键问题，为此本文给出了凸优化设计中对权值范数约束大小的公式推导。此外在某些特定应用场景中，目标声源信号是运动的，而常规的波束形成器每个波束指向下对应相应固定的权值，改变波束指向需重新求解权值，很难实时迅速调整波束指向，基于此本文采用Farrow结构滤波器，研究了波束指向可调的频率不变波束形成器(Frequency Invariant Beamformer, FIB)的稳健设计。本文所做的工作主要包括以下几点： 1、研究了远场最差性能最优化稳健波束形成器设计方法。在该设计中，如何确定误差参数是其中的关键。本文假设阵列存在幅度相位误差、位置误差或者同时存在这两种误差，并且已知误差分布的最大值，分别推导出误差参数的下限，最后通过仿真实验验证了方法的有效性。该设计可以转化为凸优化问题，通过SeDuMi软件包解出最优的权值。 2、在实际应用中，由于阵列同时存在最大误差的概率较小，最差性能最优化设计会对波束造成过约束问题，因而导致信号在通带内尤其是通带边缘处产生低通滤波，引起信号失真。为了解决该问题，研究了基于最差平均性能最优化的稳健设计方法。在该设计中，假设已知阵列误差统计平均值的最大值，一一推导出误差参数的下限。最后通过仿真实验与最差性能最优化方法进行比较，该方法得到的波束形成器性能更优。 3、为了实现波束指向能够实时迅速调整，研究了基于Farrow结构的波束指向可调的宽带波束形成器。在现有的基于最小二乘波束指向可调的稳健波束形成器设计中，对于宽带信号，会存在频率不一致问题。为了解决该问题，我们添加SRV参量约束，设计了基于最小二乘的波束指向可调稳健FIB。最后将这两种设计效果通过仿真进行了比较，结果表明基于最小二乘的宽带稳健FIB设计的频率一致性更优。

关键词：宽带波束形成器稳健性最差性能最优化 Farrow结构滤波器波束指向可调

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一种树形结构宽带波束形成器的设计与研究

一种树形结构宽带波束形成器的设计与研究

作者：康宁电子科技大学

学位级别：硕士

波束形成,一种用于定向信号传输或接收的传感器阵列信号处理技术,已广泛应用于通信和导航系统。在声纳、通讯、雷达、地震、音响和麦克风阵列等领域有着重要的应用。波束形成的目标是通过增强期望信号在来波方向的增益,同时抑制其他来... 详细信息

波束形成,一种用于定向信号传输或接收的传感器阵列信号处理技术,已广泛应用于通信和导航系统。在声纳、通讯、雷达、地震、音响和麦克风阵列等领域有着重要的应用。波束形成的目标是通过增强期望信号在来波方向的增益,同时抑制其他来波方向信号以及背景噪声,从而提高系统的信号干扰噪声比(SINR,Signal-to-interfere and noise ratio)。在实际应用中,宽带信号的优势明显,其较高的分辨率能够改善系统的通信、检测等性能。因此在雷达、通信和声纳等系统中经常使用宽带信号。所以设计和研究宽带信号波束形成器有着重大的现实意义。本文以宽带信号波束形成器为主要研究内容。首先讨论了当前常见的宽带波束形成器—Frost波束形成器。随着信号带宽的增加,滤波器抽头数目也相应增加。从而导致计算量变大,权值收敛的速度减慢,系统的自适应调节能力下降等问题。为了解决这些问题,本文研究了以下几个方面的内容:1、针对上述问题,我们提出了两种新的结构来实现宽带波束形成:树形结构和改进的树形结构宽带波束形成器。树形结构是由一些模块级联组成,这些模块是以Frost波束形成器为基本组成,它们有较少的通道数和抽头延迟级数。设计了树形结构的算法和流程,并讨论了该算法的计算量和理论输出SINR。2、为了实现树形宽带波束形成器的权值更新,提出了两种迭代方式:层—层迭代和步—步迭代。两种迭代各有优劣,前者可获得较高的SINR,后者的更新时间更短。通过对比树形结构和等效的Frost宽带波束形成器,树形结构波束形成器的计算负荷显著减小。此外,各模块实现了并行更新,这有利于增强系统的实时性。3、讨论了存在导向矢量误差和干扰情况下,系统的鲁棒性和有效性。将干扰源分为单一窄带源、单一宽带源、双宽带源三种情况进行仿真。通过计算机的仿真可以验证树形结构是有效的。因为新型结构从本质上说是次优化的,所以上述优点的获得是以牺牲输出SINR为代价的。在实际应用中,往往看重系统的稳健性和实时性,所以这种牺牲是值得的。

关键词：波束形成导向矢量误差宽带波束形成器树形结构信号干扰噪声比

基于神经网络FIR滤波器的宽带波束形成器综合

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基于神经网络FIR滤波器的宽带波束形成器综合

第三十届中国控制会议

作者：邵杰叶宁唐金华南京航空航天大学电子信息工程学院东南大学水声信号处理教育部重点实验室南京人口学院信息科学系

本文提出一种设计声纳宽带恒定束宽波束形成器的方法.该算法首先采用基于变学习率BP神经网络方法自适应地设计具有线性相位的FIR滤波器组,再采用数字延迟线补偿各阵元接收信号间的时延.对提出的宽带波束形成器结构进行了仿真验证,仿真... 详细信息

本文提出一种设计声纳宽带恒定束宽波束形成器的方法.该算法首先采用基于变学习率BP神经网络方法自适应地设计具有线性相位的FIR滤波器组,再采用数字延迟线补偿各阵元接收信号间的时延.对提出的宽带波束形成器结构进行了仿真验证,仿真中阵形为16元等间隔线阵.仿真结果表明:基于BP神经网络HR滤波器的宽带波束形成器具有更好的性能,同时,由于所设计的FIR滤波器是对称结构,可以有效减少宽带波束形成器的运算量.

关键词：声纳系统宽带波束形成器神经网络 FIR滤波器

来源： cnki会议评论

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最大稀疏稳健恒定束宽波束形成器设计

通信学报 2015年第9期36卷 160-168页

作者：吴凯苏涛李强何学辉西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室陕西西安710071

为了降低宽带阵列恒定束宽的实现复杂性,在分析宽带阵列稀疏性的基础上,构造了以阵元和抽头延迟线(TDL,tapped delay line)稀疏性的凸组合为目标函数,满足恒定束宽约束的波束形成器优化模型,降低了所需的阵元和TDL个数。引入重加权机制... 详细信息

为了降低宽带阵列恒定束宽的实现复杂性,在分析宽带阵列稀疏性的基础上,构造了以阵元和抽头延迟线(TDL,tapped delay line)稀疏性的凸组合为目标函数,满足恒定束宽约束的波束形成器优化模型,降低了所需的阵元和TDL个数。引入重加权机制,通过序列凸优化,使稀疏性递增并收敛到最大值,证明了保证波束形成器稳健性的范数约束与最大TDL稀疏目标函数之间的等价性。仿真结果表明,可用较少的阵元及TDL个数获得相同的恒定束宽性能,具有工程实用价值。

关键词：宽带波束形成器恒定束宽最大稀疏稳健序列凸优化

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基于SOPC的宽带波束形成系统设计与实现

基于SOPC的宽带波束形成系统设计与实现

作者：陈秋实哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

波束形成是应用非常广泛的一种阵列信号处理技术，它的主要功能是对接收信号进行空域滤波，滤除空间某些方位干扰，而让指定方向上的信号能量增强。相较于窄带信号，宽带信号可以携带更多的目标信息，具有较弱的混响背景相关特性等特点... 详细信息

波束形成是应用非常广泛的一种阵列信号处理技术，它的主要功能是对接收信号进行空域滤波，滤除空间某些方位干扰，而让指定方向上的信号能量增强。相较于窄带信号，宽带信号可以携带更多的目标信息，具有较弱的混响背景相关特性等特点，因此宽带波束形成技术发展迅速，但在提高系统分辨率和参数估计的精确度的同时，其较大的运算量、数据量对数字平台的处理能力、传输能力、存储能力和显示能力提出了更高要求，是工程应用中的难点。目前，宽带波束形成器的传统实现途径是运用大规模可编程逻辑器件和数字信号处理芯片来实现波束形成的运算，处理结果通过总线传入计算机进行数据存储、处理、成图显示和分析，导致了系统的复杂性，增加了调试难度和开发周期。本文提出了一种基于SOPC（可编程片上系统）的宽带波束形成器显控系统，利用FPGA实时实现多通道宽带数据的波束形成处理，并在FPGA外围扩展VGA和PS/2等外设，基于NIOS软核构建显控系统，实时显示原始数据和波束数据。相比于传统实现途径，该方法充分利用了FPGA的并行性和可扩展性的优势，在单一处理器内完成全部的数据处理和显控功能，实现结构紧凑，功能稳定可靠，为声呐信号处理器的构建提供了一个新的思路。论文的主要研究内容可归纳如下：首先，本文对常用的宽带波束形成方法进行了研究，主要包括时域和频域方法的基本原理及结构。给出了宽带波束形成器的理论模型，重点介绍了基于最大平坦准则的分数时延滤波器的设计原理，并对其进行了计算机仿真验证。其次，在Quartus II软件中利用Verilog HDL语言编程实现了基于最大平坦准则的宽带波束形成算法，利用Modelsim进行仿真验证后，将其移植到FPGA硬件平台实时实现，并将实际实现的结果与理论仿真结果进行对比分析。再次，完成SOPC显控平台的设计。主要包括VGA、PS/2自定义外设的驱动开发，μC/GUI嵌入式图形界面在NiosII中的移植，人机交互界面窗体的设计，以及三维图形到二维界面上显示的坐标变换等。最后，在各个部分验证通过的基础上，对整个系统进行联调与测试，验证了系统实现方案的正确性与有效性，以及SOPC系统的稳定性。

关键词：宽带波束形成器分数时延 FPGA μC/GUI SOPC

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宽带波束形成关键技术及算法研究

宽带波束形成关键技术及算法研究

作者：钱扬上海交通大学

学位级别：硕士

随着社会快速发展,人们对无线传输系统的速率和容量期望越来越高,宽带信号在通信系统中应用越来越广泛。天线作为射频最前端,是接收宽带信号的首要通道,具有宽带恒定方向图的天线阵列是实现稳定通信的关键。在很宽的频率范围内利用波束... 详细信息

随着社会快速发展,人们对无线传输系统的速率和容量期望越来越高,宽带信号在通信系统中应用越来越广泛。天线作为射频最前端,是接收宽带信号的首要通道,具有宽带恒定方向图的天线阵列是实现稳定通信的关键。在很宽的频率范围内利用波束形成方法使得天线阵列的方向图逼近期望方向图,可以实现天线阵列无失真地收/发宽带信号,这就是宽带波束形成技术,目前已成为阵列信号处理领域的一个研究热点。首先,本文总结了国内外宽带波束形成技术的研究现状,分析了宽带信号与窄带信号处理方法的异同,梳理了几种常见的宽带波束形成方法所面临的问题,另外,还对粒子群和量子粒子群算法的原理与实现流程进行了分析。其次,针对均匀线阵接收宽带信号产生的方向图畸变问题,提出了一种基于Bessel权向量的宽带波束形成器。从截断后的Bessel级数展开式与均匀线阵的方向图函数相似的特性出发,推导Bessel级数的截断位置与阵列单元数的关系,并确定使用第一类Bessel函数设计均匀线阵的权向量。仿真结果表明:应用Bessel权向量后,在1GHz频率范围内,均匀线阵可以无失真地接收宽带信号,不同频率的方向图函数幅值与期望方向图函数幅值的相对误差降低到10以下,且单元越多相对误差越小。第三,将反向学习引入粒子群算法中,实现了对粒子群算法的改进。由概率论可知,正向解和反向解各有50%的概率比另一个解更靠近全局最优解,当正向解与反向解同时搜索时,将大大提高算法的搜索效率。仿真结果表明无论是收敛速度还是收敛精度,基于反向学习的粒子群算法都要优于粒子群算法和量子粒子群算法的性能。最后,利用基于反向学习的粒子群算法设计了圆环阵和均匀线阵的宽带波束形成器。该方法首先增加了子窄带方向图函数与期望方向图函数的相乘运算,将宽带波束形成器的设计转换成目标方向图函数幅值恒为1的方向图综合问题,然后使用基于反向学习的粒子群算法设计圆环阵和均匀线阵的权向量。仿真结果表明:在1GHz频率范围内,圆环阵和均匀线阵都可以无失真地接收宽带信号。

关键词：宽带波束形成器 Bessel权向量粒子群算法反向学习