递归结构波束形成方法及装置与流程

本发明涉及波束形成技术领域，具体涉及一种递归结构波束形成方法及装置。

背景技术：

波束形成，可以简单理解为，对阵列各阵元接收信号加权或者延时加权求和，其输出对不同方向形成不同的增益，采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成，是空域滤波的主要形式，因此波束形成的关键技术便是加权系数的确定。目前，大多数的波束形成技术对于加权系数的选择，是借助时域非递归型滤波器滤波系数来完成。

但是，这种技术存在的问题有很多，非递归型滤波器的频谱存在旁瓣干扰，阻带波纹会影响信号接收，所使用的天线阵元数较多，同时所形成的波束在带宽上不够理想，分辨率不高，导致波束形成效果较差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种递归结构波束形成方法及装置。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一方面：一种递归结构波束形成方法，包括：

获取期望波束的频域波束参数信息；

利用空时等效性算法，将所述频域波束参数信息转化为时域期望递归型滤波器参数；

将所述时域期望递归型滤波器参数输入至fdatool滤波器设计工具，得到递归型滤波器的滤波系数，所述滤波系数包括零点系数和极点系数；

将所述零点系数作为加权系数、所述极点系数作为反馈系数分别代入波束响应公式，得到波束形成公式；

基于所述波束形成公式，设计所述期望波束。

可选的，上述所述利用空时等效性算法，将所述频域波束参数信息转化为时域期望递归型滤波器参数，包括：

检测所述频域波束参数信息的波长信息和角度信息；

对所述波长信息和所述角度信息进行傅里叶反变换，得到所述时域期望递归型滤波器参数。

可选的，上述所述基于所述波束形成公式，形成所述期望波束之前，还包括：

获取所述频域波束参数信息的相位信息；

对所述相位信息进行傅里叶反变换，得到所述波束参数信息时域相位信息；

将所述时域相位信息带入波束响应公式，得到调整波束形成公式，作为所述波束形成公式。

可选的，上述所述基于所述波束形成公式，设计所述期望波束，包括：

通过所述波束形成公式，确定阵元数和阵元间距；

根据所述阵元数和所述阵元间距构建天线阵列，以设计所述期望波束。

可选的，上述所述通过所述波束形成公式，确定阵元数和阵元间距，还包括：

调整所述期望波束方向的输出信号的相位为同相；

确定所述同相的输出信号的最大值；

基于所述最大值、所述加权系数和所述反馈系数，确定阵元数和阵元间距。

可选的，上述所述的递归结构波束形成方法，还包括：

发送所述波束形成公式至服务领域，以使所述服务领域根据所述波束形成公式构建天线阵列，所述服务领域包括航空领域和定位追踪领域。

另一方面：一种递归结构波束形成装置，包括：

获取模块，用于获取期望波束的频域波束参数信息；

转化模块，用于利用空时等效性算法，将所述频域波束参数信息转化为时域期望递归型滤波器参数；

计算模块，用于将所述时域期望递归型滤波器参数输入至fdatool滤波器设计工具，得到递归型滤波器的滤波系数，所述滤波系数包括零点系数和极点系数；

确定模块，用于将所述零点系数作为加权系数、所述极点系数作为反馈系数分别代入波束响应公式，得到波束形成公式；基于所述波束形成公式，设计所述期望波束。

可选的，上述所述转化模块具体用于：

检测所述频域波束参数信息的波长信息和角度信息；

对所述波长信息和所述角度信息进行傅里叶反变换，得到所述时域期望递归型滤波器参数。

可选的，上述所述确定模块具体用于：

通过所述波束形成公式，确定阵元数和阵元间距；

根据所述阵元数和所述阵元间距构建天线阵列，以设计所述期望波束。

可选的，上述所述的递归结构波束形成装置，还包括：

发送模块，用于发送所述波束形成公式至服务领域，以使所述服务领域根据所述波束形成公式构建天线阵列，所述服务领域包括航空领域和定位追踪领域。

本发明采用一种递归结构波束形成方法及装置，借助时域递归型滤波器滤波系数来完成对波束形成的加权系数选择，时域递归型滤波器频谱不存在多余的副瓣以及旁瓣干扰，有效地消除了原有技术旁瓣干扰的缺陷，通过利用零极点的特性，在同等情况下，递归结构波束形成会比非递归结构波束形成使用更少的阵元数，能够有效抑制旁瓣并形成极窄的波束，同时分辨率相对更高，具有更好的空域滤波效果，从而，极大改善了波束形成技术，可以用来区分相邻的信号以提高抗干扰能力，以更高效地形成期望波束。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的递归结构波束形成方法的一种流程图；

图2是波束形成阵列的一种结构示意图；

图3是本发明实施例提供的递归结构波束形成方法的另一种流程图；

图4是本发明实施例提供的递归结构波束形成装置的一种结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明实施例提供的递归结构波束形成方法的一种流程图。

如图1所示，本实施例的提供的一种递归结构波束形成方法，包括以下步骤：

s11、获取期望波束的频域波束参数信息。

定义用户所需要的波束为期望波束，期望波束的形成包含着系列的参数，通过设置参数的不同得到不同的波束，于是通过获取期望波束的波束参数信息可以准确的设计出期望波束。获取的具体方式在本实施例中不进行明确限定，可以是用户自行输入的，也可以是根据需要自动计算得出的参数信息，只要能够有效地获取到期望波束对应的波束参数信息即可。

s12、利用空时等效性算法，将频域波束参数信息转化为时域期望递归型滤波器参数。

以非递归型滤波器为例对空时等效性进行说明，波束响应表达式如下：

其中n为阵元数，λ为波长，d为阵元间距，θ为信号发射/接收角度，w为加权系数。

fir滤波器时域表达式：

fir滤波器的离散傅里叶变换(dtft)如下：

其中t为采样周期。

对比式(1)、(3)，可以得到时空对应关系如下：

sinθ/λ<->fd<->twi<->h(i)(4)

对应的sinθ/λ称之为入射信号的空间频率，阵元间距d称之为空间采样周期，1/d称为空间采样频率，dtft得到的是h(f)的频谱，波束响应得到w、g关于空间频率sinθ/λ的谱，进而可以得到关于入射角θ的方向图。要使w在θ∈[-π/2，π/2]上的方向图具有良好的方向选择性等效于使h(i)在采样周期为t的情况下，在f∈[-1/λ，1/λ]上的频谱具有良好的频率选择性，这就是波束形成中空时等效性的基本描述。

通过仿真对空时等效性进行验证，例如：设入射信号波长0.5m，入射角度0，均匀线阵阵元间距0.25m，使该阵在入射方向上形成波束等效于在采样率4hz的情况下，构造一个低通时域滤波器。使用fdatool设计得到时域低通滤波器，将对应的滤波器系数作为波束形成的加权系数，分别得到h(i)的频谱以及wi的方向图。基于上述推导及仿真分析，空时等效性成立，波束形成加权系数的选择可以通过时域滤波器的滤波系数得到。

因此，将频域波束参数信息转化为时域期望递归型滤波器参数，首先检测频域波束参数信息的波长信息和角度信息，对波长信息和角度信息进行傅里叶反变换，得到时域期望递归型滤波器参数。便成功的将波束形成的频域参数转化为对应的时域参数，便于更直接的得到波束。

s13、将时域期望递归型滤波器参数输入至fdatool滤波器设计工具，得到递归型滤波器的滤波系数。

滤波系数包括零点系数和极点系数，零点可以改变各模态在输出中的比例关系，极点确定系统的运动模态，决定系统的稳定性。得到滤波器的参数后，直接将参数输入fdatool滤波器设计工具，便得到了滤波器的滤波系数，得到的过程为系统自动输出，只需将对应的参数输入即可。

s14、将滤波系数中的零点系数作为加权系数、滤波系数中的极点系数作为反馈系数分别代入波束响应公式，得到波束形成公式。

由于递归性滤波器波束响应公式的基本表达式是一定的，因此便将得到的零点系数作为加权系数，极点系数作为反馈系数带入波束响应公式，得到波束形成公式。

当需要考虑到调整波束的相位时，需要做相应的相位处理，首先获取频域波束参数信息的相位信息，对相位信息进行傅里叶反变换，得到波束参数信息时域相位信息，将时域相位信息带入波束响应公式，得到调整波束形成公式，作为波束形成公式，考虑到调整波束相位的问题使得最终得到的期望波束更加准确。

s15、基于波束形成公式，设计期望波束。

由上述步骤得到了波束形成公式，通过波束形成公式，确定阵元数和阵元间距，根据阵元数和阵元间距构建天线阵列，以设计期望波束。而通过波束形成公式，确定阵元数和阵元间距，具体为调整期望波束方向的输出信号的相位为同相，确定同相的输出信号的最大值，基于最大值、加权系数和反馈系数，确定阵元数和阵元间距。确定阵元数和阵元间距之后便可以准确地构建天线阵列，以使得设计得到期望波束。

上述步骤为整个的得到期望波束的详细过程，为了更加清晰的表述，通过反向思维的方式再次进行描述，根据空时等效性可知，波束形成的加权系数的选择就是递归型滤波器的滤波系数的获取。

递归型滤波器时域表达式：

递归型滤波器的离散傅里叶变换(dtft)如下：

其中t为采样周期。

递归型波束响应公式如下：

由

得：

其中n、m为阵元数，λ为波长，d为阵元间距，θ为信号发射/接收角度，w为加权系数，g为反馈系数。

对比得(6)、(7)到空时等效性：

d<->t

wi<->hi(f)gk<->hk(f)g0<->1

在考虑需要调整波束相位情况下，将递归型波束响应改为如下形式：

其中δφb为相位。

于是便得到了两种情况下的对应的波束响应公式，通过正向和反向两种方式清晰地介绍了最终设计出期望波束的过程。

图2是波束形成阵列的一种结构示意图。

如图2所示，以举例的方式对阵列形成波束进行详细说明，其中接收信号为s(t)，输出信号为y(t)，阵元间距为d，三个阵元的相位分别为0、δφb、2δφb，辅助阵元相位为3δφb、4δφb，加权系数依次为w0、w1、w2，一级反馈系数为-g1，二级反馈系数为-g2。接收信号经过相位调整和反馈信号相与后再乘上加权系数，得到最后的输出信号。而对应的详细的计算公式如下：

本实施例采用一种递归结构波束形成方法，借助时域递归型滤波器滤波系数来完成对波束形成的加权系数选择，时域递归型滤波器频谱不存在多余的副瓣以及旁瓣干扰，有效地消除了原有技术旁瓣干扰的缺陷，通过利用零极点的特性，在同等情况下，递归结构波束形成会比非递归结构波束形成使用更少的阵元数，能够有效抑制旁瓣并形成极窄的波束，同时分辨率相对更高，具有更好的空域滤波效果，从而，极大改善了波束形成技术，可以用来区分相邻的信号以提高抗干扰能力，以更高效地形成期望波束。

对设计得到的波束响应公式进行仿真测试，设置参数为采样率4赫兹，采样周期0.25秒，信号波长0.5米，入射角度π/6，阵元间距0.25米，时域滤波器中心频率0赫兹，采样点数600/3000/30000，初相位-π/6。分别以采样点数600、3000和30000进行仿真测试，得到测试结果如表1所示；

表1

根据设置的仿真参数构建时域递归型滤波器，得到递归型滤波器系数，将对应的滤波系数替换波束形成加权系数，分别在采样点数为600点、3000点和30000点的情况下，仿真得到波束方向图。将得到的波束幅度图由单位为赫兹变换为分贝形式，通过纵向对比可以看出，递归型滤波器形式波束形成具有极窄的波束，分辨率相比非递归型滤波器形式波束形成得到有效提高。对相邻角度的波束做对比发现，递归型滤波器形式波束形成可以区分相邻间隔的波束。由于递归型滤波器结构自身的特点，所得到的波束响应并不存在旁瓣，因而在此对60db带宽进行分析以代替峰值旁瓣比性能指标分析。

例如，设计两个入射角度非常接近的信号，检验空域滤波效果。

设置仿真采样点数n为3000点，输入信号为正弦波形式，接收信号s1频率为10hz、干扰信号s2频率为30hz，来波方向θ0为0，干扰方向θ1为10^-12π/6。

设置采样点数n为30000点，输入信号为线性调频连续波形式，接收信号s1中频信号频率为0，s2中频信号频率为100hz，线性调频率k为0.01，来波方向θ0为0，干扰方向θ1为10^-12π/6。

以给定的条件参数对递归型滤波器波束形成进行仿真，入射角度分别为θ0和θ1的入射信号，入射信号s1、s2为频率不同的正弦信号和线性调频连续波信号。输入信号经过递归型滤波器波束形成后得到波形图，对滤波前后的信号做傅里叶变换得到相应频谱图。分析可见，无论输入信号形式如何，对于来波方向信号s1的波形近乎完全无差别的得到输出，而干扰方向的信号s2被过滤，通过频谱可以直观看出滤波后只有一个频率得以保留，从而递归型滤波器波束形成的空域滤波效果得到验证。采样点数为30000点时分辨率可以达到5.236e^-13，若增加采样点，改善时域滤波器系数，空域滤波效果可以得到进一步提升。

例如，设计不同的信号波长，分析递归结构波束形成的恒定束宽稳定性。

设置采样点数为3000点，相位指向为0，阵元间距为0.5m，间距波长比从0.455至0.5以间隔0.005依次增加形成10个不同的波长，时域滤波器参数以及其余阵列参数设置均与上述仿真测试的参数相同。在不同波长的情况下形成的递归波束响应图。通过仿真结果可以看出，在不同的波长下递归波束响应的主瓣带宽会发生变化，随着波长的增加，带宽也会随之增加。但这种变化非常微小，变化的数量级为10^-8，近似可以忽略不计，从而可以确定递归结构波束形成具有恒定束宽稳定性。

采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成(dbf)，是空域滤波的主要形式，波束形成的关键在于加权系数的选择，通过空时等效性，可以将波束形成加权系数的设计转化为对时域滤波器滤波参数的设计。递归结构波束形成会比非递归结构波束形成使用更少的阵元数，能够有效抑制旁瓣并形成极窄的波束，同时分辨率相对更高，具有更好的空域滤波效果。

图3是本发明实施例提供的递归结构波束形成方法的另一种流程图。

如图3所示本实施例的一种递归结构波束形成方法，包括以下步骤：

s21、获取期望波束的频域波束参数信息。

s22、利用空时等效性算法，将频域波束参数信息转化为时域期望递归型滤波器参数。

s23、将时域期望递归型滤波器参数输入至fdatool滤波器设计工具，得到递归型滤波器的滤波系数。

s24、将滤波系数中的零点系数作为加权系数、滤波系数中的极点系数作为反馈系数分别代入波束响应公式，得到波束形成公式。

s25、基于波束形成公式，设计期望波束。

关于步骤s21-s25，在上述实施例中已经做了详细的介绍说明，在本实施例中不再进行说明，可参照上述实施例进行理解。

s26、发送波束形成公式至服务领域。

发送波束形成公式至服务领域，以使服务领域根据波束形成公式构建天线阵列，服务领域包括航空领域和定位追踪领域。得到波束形成公式后，可以将其应用于各个领域，以使得可以更好的进行通信传输，例如进行航天器的姿态的控制，目标成像定位系统的识别追踪等，可以更方便人们的使用，具有更加可观的应用前景。

基于同总的发明构思，本发明还保护一种递归结构波束形成装置。

图4是本发明实施例提供的递归结构波束形成装置的一种结构示意图。

如图4所示，本实施例的一种递归结构波束形成装置，包括：

获取模块10，用于获取期望波束的频域波束参数信息；

转化模块20，用于利用空时等效性算法，将频域波束参数信息转化为时域期望递归型滤波器参数；

计算模块30，用于将时域期望递归型滤波器参数输入至fdatool滤波器设计工具，得到递归型滤波器的滤波系数，滤波系数包括零点系数和极点系数；

确定模块40，用于将零点系数作为加权系数、极点系数作为反馈系数分别代入波束响应公式，得到波束形成公式；基于波束形成公式，设计期望波束。

本实施例的一种递归结构波束形成装置，借助时域递归型滤波器滤波系数来完成对波束形成的加权系数选择，时域递归型滤波器频谱不存在多余的副瓣以及旁瓣干扰，有效地消除了原有技术旁瓣干扰的缺陷，通过利用零极点的特性，在同等情况下，递归结构波束形成会比非递归结构波束形成使用更少的阵元数，能够有效抑制旁瓣并形成极窄的波束，同时分辨率相对更高，具有更好的空域滤波效果，从而，极大改善了波束形成技术，可以用来区分相邻的信号以提高抗干扰能力，以更高效地形成期望波束。

进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例中的转化模块20具体用于：

检测频域波束参数信息的波长信息和角度信息；

对波长信息和角度信息进行傅里叶反变换，得到时域期望递归型滤波器参数。

进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例中的递归结构波束形成装置，还包括：

调整模块，具体用于获取频域波束参数信息的相位信息；对相位信息进行傅里叶反变换，得到波束参数信息时域相位信息；将时域相位信息带入波束响应公式，得到调整波束形成公式，作为波束形成公式。

进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例中的确定模块40具体用于：

调整期望波束方向的输出信号的相位为同相；确定同相的输出信号的最大值；基于最大值、加权系数和反馈系数，确定阵元数和阵元间距；根据阵元数和阵元间距构建天线阵列，以设计期望波束。

进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例中的递归结构波束形成装置，还包括：

发送模块，用于发送波束形成公式至服务领域，以使服务领域根据波束形成公式构建天线阵列，服务领域包括航空领域和定位追踪领域。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。