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一种基于空频结构与空时结构权值转换的精确宽带波束赋形算法

王旭 谢菊兰 何子述 李会勇

引用本文: 王旭, 谢菊兰, 何子述, 李会勇. 一种基于空频结构与空时结构权值转换的精确宽带波束赋形算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(5): 1032-1039. doi: 10.11999/JEIT180545 shu
Citation:  Xu WANG, Julan XIE, Zishu HE, Huiyong LI. An Accurate Wideband Beampattern Synthesis Method Based on the Space-frequency Structure and the Space-time Structure Conversion[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2019, 41(5): 1032-1039. doi: 10.11999/JEIT180545 shu

一种基于空频结构与空时结构权值转换的精确宽带波束赋形算法

    作者简介: 王旭: 男,1987年生,博士生,研究方向为阵列空时信号处理和波束形成以及抗干扰技术;
    谢菊兰: 女,1981年生,副教授,博士,研究方向为数字波束形成和DOA估计;
    何子述: 男,1962年生,教授,博士,研究方向为阵列信号处理、自适应信号处理和MIMO雷达与通信;
    李会勇: 男,1975年生,教授,博士,研究方向为阵列信号处理和自适应信号处理
    通讯作者: 王旭,alienfrog@163.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金(61871085);高校基本科研业务费(2672018ZYGX2018J010)

摘要: 该文提出一种空时结构下的精确宽带波束赋形算法。在空频结构下,对各子带权值进行波束赋形优化。根据权值在满足共轭对称条件下,阵列幅度响应可以转换为线性函数这一原理,将波束赋形转换为凸优化问题。利用内点法得到最优权值后,通过空频结构与空时结构之间的权值转换关系,得到空时结构下的波束权值。该算法能够对宽带波束图进行精确地赋形,同时保证在期望方向上阵列响应具有线性相位特性。仿真结果验证了算法的有效性。

English

    1. [1]

      KNIGHT W C, PRIDHAM R G, and KAY S M. Digital signal processing for sonar[J]. Proceedings of the IEEE, 1981, 69(11): 1451–1506. doi: 10.1109/PROC.1981.12186

    2. [2]

      GINI F, FARINA A, and GERCO M. Selected list of references on radar signal processing[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2001, 37(1): 329–359. doi: 10.1109/7.913696

    3. [3]

      GIANNAKIS G B. Highlights of signal processing for communications[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 1999, 16(2): 14–50. doi: 10.1109/MSP.1999.752038

    4. [4]

      ELLINGSON S W and HAMPSON G A. Aubspace-tracking approach to interference nulling for phased array-based radio telescopes[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2002, 50(1): 25–30. doi: 10.1109/8.992558

    5. [5]

      KARAMAN M, ATALAR A, and KOYMEN H. VLSI circuits for adaptive digital beamforming in ultrasound imaging[J]. IEEE Transactions on Medical Imaging, 1993, 12(4): 711–720. doi: 10.1109/42.251122

    6. [6]

      FROST O L. An algorithm for linearly constrained adaptive array processing[J]. Proceedings of the IEEE, 1972, 60(8): 926–935. doi: 10.1109/PROC.1972.8817

    7. [7]

      DENTINO M, MCCOOL J, and WIDROW B. Adaptive filtering in the frequency domain[J]. Proceedings of the IEEE, 1978, 66(12): 1658–1659. doi: 10.1109/PROC.1978.11177

    8. [8]

      HAMID U, QAMAR R A, and WAQAS K. Performance compariason of time-domain and frequency-domain beamforming techniques for sensor array processing[C]. Proceedings of 2014 11th International Bhurban Conference on Applied Science & Technology, Islamabad, Pakistan, 2014: 379–385. doi: 10.1109/IBCAST.2014.6778172.

    9. [9]

      GODARA L C and JAHROMI M R S. Limitations and capabilities of frequency domain broadband constrained beamforming schemes[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1999, 47(9): 2386–2395. doi: 10.1109/78.782182

    10. [10]

      COMPTON R T. The relationship between tapped delay-line and FFT processing in adaptive arrays[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1988, 36(1): 15–26. doi: 10.1109/8.1070

    11. [11]

      GODARA L C. Application of the fast fourier transform to broadband beamforming[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1995, 98(1): 230–240. doi: 10.1121/1.413765

    12. [12]

      王力, 何丙发, 孙庆锋. 一种阵列天线快速波束赋形方法[J]. 现代雷达, 2016, 38(8): 70–74. doi: 10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.08.016
      WANG Li, HE Bingfa, and SUN Qingfeng. Synthesis of the shaped-beam array antennas using a fast algorithm[J]. Modern Radar, 2016, 38(8): 70–74. doi: 10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.08.016

    13. [13]

      郑占旗, 阎跃鹏, 张立军, 等. 增加副瓣抑制机制的阵列天线波束赋形遗传算法研究[J]. 电子与信息学报, 2017, 39(3): 690–696. doi: 10.11999/JEIT160466
      ZHENG Zhanqi, YAN Yuepeng, ZHANG Lijun, et al. Research on genetic algorithm of antenna arrays beam shaping with side lobe suppression[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2017, 39(3): 690–696. doi: 10.11999/JEIT160466

    14. [14]

      LIANG Junli, FAN Xuhui, FAN Wen, et al. Phase-only pattern synthesis for linear antenna arrays[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, 16: 3232–3235. doi: 10.1109/LAWP.2017.2771380

    15. [15]

      陈俊杰, 金荣洪, 耿军平. 一种基于牛顿下山法的宽带阵列方向图综合算法[J]. 上海交通大学学报, 2007, 41(8): 1366–1369. doi: 10.3321/j.issn:1006-2467.2007.08.033
      CHEN Junjie, JIN Ronghong, and GENG Junping. A wideband array beam pattern synthesis algorithm based on newton downhill method[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2007, 41(8): 1366–1369. doi: 10.3321/j.issn:1006-2467.2007.08.033

    16. [16]

      陈明建, 罗景青. 基于叠加变加权最小二乘的宽带波束赋形方法[J]. 宇航学报, 2012, 33(6): 796–801. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2012.06.016
      CHEN Mingjian and LUO Jingqing. A method for broadband shoped beam based on iterative variably-weighted least squares[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(6): 796–801. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2012.06.016

    17. [17]

      贾深惠, 赵拥军, 陈沛, 等. 基于二阶锥规划的共形阵列宽带方向图综合[J]. 信息工程大学学报, 2016, 17(4): 437–442. doi: 10.3969/j.issn.1671-0673.2016.04.011
      JIA Shenhui, ZHAO Yongjun, CHEN Pei, et al. Conformal array beamforming for broadband signals based on second order cone programming[J]. Journal of Information Engineering University, 2016, 17(4): 437–442. doi: 10.3969/j.issn.1671-0673.2016.04.011

    18. [18]

      刘子龙, 丁淑娟, 孙广俊, 等. 基于二阶锥规划的宽带波束形成器设计[J]. 计算机工程与应用, 2013, 49(5): 195–199. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.1107-0521
      LIU Zilong, DING Shujuan, SUN Guangjun, et al. Design of broadband beamformer based on second-order cone programming[J]. Computer Engineering and Application, 2013, 49(5): 195–199. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.1107-0521

    19. [19]

      YAN Shefeng, MA Yuanliang, and HOU Chaohuan. Optimal array pattern synthesis for broadband arrays[J]. Journal of the Acoustical of America, 2007, 122(5): 2686–2696. doi: 10.1121/1.2785037

    20. [20]

      DUAN Huiping, NG B P, SEE C M S, et al. Application of the SRV constraint in broadband pattern synthesis[J]. Signal Processing, 2008, 88(4): 1035–1045. doi: 10.1016/j.sigpro.2007.11.001

    21. [21]

      ZHANG Tongtong and SER W. Robust beampattern synthesis for antenna arrays with mutual coupling effect[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(8): 2889–2895. doi: 10.1109/TAP.2011.2152329

    22. [22]

      BOYD S and VANDENBERGHE L. Convex Optimization[M]. New York, USA: Cambridge University Press, 2004: 127–189.

    23. [23]

      虞泓波, 冯大政, 解虎. 相位响应固定幅度响应约束的稳健波束形成方法[J]. 电子与信息学报, 2015, 37(7): 1688–1694. doi: 10.11999/JEIT141513
      YU Hongbo, FENG Dazheng, and XIE Hu. Robust beamforming with phase response fixed and magnitude response constraint[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2015, 37(7): 1688–1694. doi: 10.11999/JEIT141513

    24. [24]

      LIAO Bin, TSUI K M, and CHAN Shingchow. Robust beamforming with magnitude response constraints using iterative second-order cone programming[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(9): 3477–3482. doi: 10.1109/TAP.2011.2161445

    25. [25]

      XU Dingjie, HE Rui, and SHEN Feng. Robust beamforming with magnitude response constraints and conjugate symmetric constraint[J]. IEEE Communication Letters, 2013, 17(3): 561–564. doi: 10.1109/LCOMM.2013.011513.122688

    26. [26]

      ZHU Liangyu, SER W, ER M H, et al. Robust adaptive beamformers based on worst-case optimization and constraints on magnitude response[J]. IEEE Transaction on Signal Processing, 2009, 57(7): 2615–2628. doi: 10.1109/TSP.2009.2017004

    1. [1]

      金伟, 贾维敏, 姚敏立, 邹翔. 一种分解迭代二阶锥规划鲁棒自适应波束形成算法. 电子与信息学报, 2012, 34(9): 2051-2057.

    2. [2]

      黄聪, 孙大军, 张殿伦, 滕婷婷. 强相干干扰下基于二阶锥规划的圆弧阵宽带二维成像. 电子与信息学报, 2014, 36(11): 2633-2639.

    3. [3]

      路成军, 盛卫星, 韩玉兵, 马晓峰. 基于迭代二阶锥的唯相位波束形成. 电子与信息学报, 2014, 36(2): 266-270.

    4. [4]

      曾云宝, 赵义忠, 朱永芬, 王文博. 一种基于特征值分布的波束赋形方案. 电子与信息学报, 2006, 28(12): 2330-2333.

    5. [5]

      水冰, 史仪凯. 两带自适应FIR线性相位双正交滤波器组设计. 电子与信息学报, 2006, 28(10): 1950-1954.

    6. [6]

      陈佩, . 用lifting方法构造具有线性相位的双正交小波. 电子与信息学报, 2002, 24(4): 486-491.

    7. [7]

      王小华, 何怡刚, 彭玉楼. 二维线性相位FIR数字滤波器的优化设计. 电子与信息学报, 2005, 27(11): 1755-1759.

    8. [8]

      幸高翔, 蔡志明. 基于二阶锥约束的方向不变恒定束宽波束形成. 电子与信息学报, 2009, 31(9): 2109-2112.

    9. [9]

      孟大地, 丁赤飚. 一种用于宽带机载SAR的空变相位误差补偿算法. 电子与信息学报, 2007, 29(10): 2375-2378.

    10. [10]

      程海, 江锡仁, 刘小坚. 具有近似线性相位特性的多相波数字滤波器的设计. 电子与信息学报, 1990, 12(1): 14-21.

    11. [11]

      任超, 吴嗣亮, 王菊, 李加琪. 基于空时处理的稳健自适应波束形成算法. 电子与信息学报, 2009, 31(6): 1381-1385.

    12. [12]

      李敏, 林敏, 龚铮权, 彭润兰, 李德祥. 空时块码与波束形成结合方案及性能分析. 电子与信息学报, 2008, 30(2): 408-411.

    13. [13]

      田心记, 袁超伟, 王秋才, 赵伟. 基于相位旋转的坐标交织分布式空时码. 电子与信息学报, 2011, 33(5): 1131-1135.

    14. [14]

      黄克骥, 田达, 陈天麒. 基于时频子空间分解的宽带线性调频信号DOA估计. 电子与信息学报, 2004, 26(3): 344-349.

    15. [15]

      王璐, 苏志刚, 吴仁彪. 基于线性约束的空时自适应单脉冲技术. 电子与信息学报, 2010, 32(10): 2501-2505.

    16. [16]

      种稚萌, 朱世华, 吕刚明. 多径信道下的异步分布式线性卷积空时编码. 电子与信息学报, 2009, 31(6): 1415-1419.

    17. [17]

      刘雪芳, 傅丰林. 基于准正交空时码的最优线性预编码矩阵设计. 电子与信息学报, 2008, 30(2): 401-403.

    18. [18]

      刘毅, 马莹, 刘轩. 快衰落瑞利信道下分布式线性卷积空时码的分集增益. 电子与信息学报, 2019, 41(1): 32-37.

    19. [19]

      郭佳佳, 廖桂生, 杨志伟, 杜文韬. 利用广义内积值迭代加权的空时协方差矩阵估计方法. 电子与信息学报, 2014, 36(2): 422-427.

    20. [20]

      孙华丽, 孟维晓, 张乃通. 空时频MIMO信道建模与实现. 电子与信息学报, 2008, 30(9): 2279-2282.

  • 图 1  常用宽带阵列结构

    图 2  未赋形时的波束图

    图 3  低旁瓣波束图

    图 4  宽零点波束图

    图 5  宽主瓣、宽零陷波束图

    表 1  3种方法的计算量比较

    方法迭代次数每次迭代的运算量
    式(13)$O\left(\sqrt {{K_4}(2{K_1} + {K_2} + {K_3}) + 2} \right)$$O\left\{ (MN)^2[{K_4}(6{K_1} + 3{K_2}{+ 3}{K_3}) + 2{K_4} + 1]\right\} $
    式(14)$O\left(\sqrt {2{K_1} + {K_4}({K_2} + {K_3}) + 2} \right)$$O\left\{ {(MN)^2}[6{K_1} + 3{K_4}({K_2} + {K_3}) + MN{\rm{ + }}3]\right\} $
    式(21)$O\left(\sqrt {2N} \right)$$O\left\{ {(M/2)^2}[N(4{K_1} + 2{K_2} + 2{K_3}) + MN + 3N]\right\} $
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  • 通讯作者:  王旭, alienfrog@163.com
  • 收稿日期:  2018-06-04
  • 录用日期:  2018-12-03
  • 网络出版日期:  2018-12-11
  • 刊出日期:  2019-05-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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