超宽带阵列波束形成新方法研究

发布时间：2017-08-13 07:07

  本文关键词：超宽带阵列波束形成新方法研究

  更多相关文章： 波束形成 超宽带相控阵 真延时 超宽带时控阵

【摘要】：波束形成是阵列信号处理和智能天线系统的关键技术,普遍应用于雷达、医学、声纳、移动通迅、电子干扰与侦察等领域。在相控阵雷达中,调整各发射阵元的相位移可以形成所需要的波束形状、波束指向和波束数量。同样,改变各接收阵元的相位移,可以接收指定方向的回波(接收波束)或多路不同方向的回波。接收波束形成通常在接收回波数字化后的数字域实现。早期相控阵雷达带宽比较窄,距离分辨率低,采用相位控制的波束形成方法已经成熟,性能也相当好。随着对雷达性能要求的提高,相控阵雷达或阵列声呐等的带宽越来越宽,距离分辨率也越来越高,传统相控阵波束形成方法出现孔径渡越和频率色散现象。针对宽带、超宽带相控阵雷达频率色散和孔径渡越问题通常采用子带处理方法降低孔径渡越和频率色散现象。抛物面天线不存在孔径渡越和频率色散问题。本文借鉴抛物面波束形成原理,研究采用时间延迟代替相位移补偿波程差的时控阵技术实现宽带阵列无色散无孔径渡越的波束形成方法。要达到相控阵雷达波束形成的精度,延时精度要达到相控阵雷达的移相精度。该方法适用于宽带阵列雷达、宽带阵列声呐和宽带麦克风阵列。本文的主要工作和贡献如下：1、研究了超宽带相控阵中存在的主要问题。介绍了抛物面天线和相控阵天线的区别,研究宽带相控阵天线孔径渡越和频率色散的生成机理,分析孔径渡越和频率色散对波束形成和信号处理的影响,用lATLAB软件进行了仿真验证。2、分析超宽带相控阵常用的几种方法,提出了时控阵原理和实现方法。分析了门电路延时相控阵、光纤延时相控阵和子带处理的超宽带相控阵波束形成方法,给出了真延时时控阵的基本原理和实现方法,进行了仿真研究。仿真结果表明真延时方法对每个频率点都进行延时处理,检测效果非常好,子带处理会对雷达信号处理产生一定的误差,最终检测效果不如真延时方法。3、研究超宽带时控阵波束形成方法。将两种经典到达角估计方法——MUSIC算法和ESPRIT算法用于时控阵的超宽带到达角估计,建立了数学模型。用ATLAB仿真的结果表明,基于真延时的到达角估计的精度更高、分辨性能好。4、研究了时控阵麦克风阵列。重点研究时控阵麦克风波束形成的3种方法,分别为常规波束形成方法、最佳波束形成方法及自适应波束形成算法。对麦克风阵列信号建模,用3种方法进行波束形成,MATLAB仿真表明：常规波束形成方法不能有效抑制噪声和干扰,即使加窗也只能改善x轴或y轴效果；自适应波束形成算法具有更好的指向性,但是x轴旁瓣相对变宽；最佳波束形成算法可以有效地减少噪声和干扰对信号的影响。本文研究了超宽带阵列波束形成的新方法。提出基于真延时的时控阵方法实现超宽带阵列波束形成技术。并对超宽带时控阵雷达波束形成和超宽带时控阵麦克风波束形成进行了较为深入的研究和仿真验证。研究结果表明时控阵波束形成没有孔径渡越和频率色散问题。
【关键词】：波束形成 超宽带相控阵 真延时 超宽带时控阵
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.92
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 宽带、超宽带相控阵概述9-10
• 1.2 宽带、超宽带相控阵研究现状10-12
• 1.3 本文主要工作和后续安排12-14
• 第2章 超宽带相控阵存在的主要问题14-27
• 2.1 抛物面天线与相控阵天线14-18
• 2.1.1 抛物面天线15-17
• 2.1.2 相控阵天线17-18
• 2.2 孔径渡越18-22
• 2.3 频率色散22-23
• 2.4 超宽带相控阵波束形成23-27
• 2.4.1 孔径渡越现象仿真24-25
• 2.4.2 频率色散现象仿真25-27
• 第3章 实现宽带相控阵的几种方法27-39
• 3.1 门电路延时相控阵27-28
• 3.2 光纤延时相控阵28-33
• 3.2.1 光纤实时延迟线延时原理28-29
• 3.2.2 光纤实时延迟方法29-32
• 3.2.3 光纤延时在相控阵雷达中的应用32-33
• 3.3 子带处理33-36
• 3.3.1 子带处理简介33-34
• 3.3.2 子带处理34-36
• 3.4 真延时时控阵36-39
• 3.4.1 真延时时控阵原理36
• 3.4.2 真延时时控阵仿真36-39
• 第4章 超宽带时控阵雷达39-50
• 4.1 超宽带时控阵简介39-40
• 4.2 超宽带时控阵应用40-41
• 4.3 超宽带到达角估计方法41-45
• 4.3.1 经典到达角估计方法41-45
• 4.4 基于真延时的超宽带到达角估计方法45-50
• 4.4.1 基于真延时的超宽带DOA估计理论模型45-48
• 4.4.2 基于真延时的超宽带DOA估计仿真48-50
• 第5章 时控阵麦克风阵列50-66
• 5.1 麦克风阵列简介50-52
• 5.2 麦克风阵列应用52-56
• 5.3 麦克风时控阵波束形成方法56-59
• 5.3.1 麦克风时控阵信号建模56-57
• 5.3.2 常规波束形成算法57
• 5.3.3 最佳波束形成算法57-58
• 5.3.4 自适应波束形成算法58-59
• 5.4 波束形成算法仿真59-66
• 5.4.1 仿真参数59-60
• 5.4.2 常规波束形成算法仿真60-62
• 5.4.3 LCMP自适波束形成算法仿真62-64
• 5.4.4 GSC波束形成算法仿真64-66
• 第6章 总结与展望66-68
• 6.1 总结66
• 6.2 展望66-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-73
• 攻读硕士学位期间科研成果73-74

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本文编号：665995