频域宽带波束形成器设计

研究无线网络传感器,采用宽带信号波束技术,为了使宽带信号在整个频段内保持稳健的波束,以及克服快拍数有限对空间谱估计带来的不利影响,采用频域波束形成算法形成宽带波束,利用对角加载技术补偿所估计的空间谱,并通过矩阵求逆定理推导出对角加载值的取值范围.最后的仿真结果表明通过选择合适的对角加载值可以克服快拍数目不足带来的影响,从而实现具有较高阵列增益的稳健宽带波束,有效地完成对信号的空域处理,提高了传输性能.     

一种基于有向均匀圆阵的宽带波束形成方法

本文提出一种基于有向均匀圆阵解决宽带波束形成问题的新方法,其基本思想是针对某一特定频率设计窄带波束形成空域滤波器,并把得到的滤波器权值直接应用于宽带信号以降低设计和处理的复杂度.在已知信号方向信息的前提下,使用线性约束的最小二乘法设计窄带空域滤波器,而有向均匀圆阵对频率变化不敏感的特性可以保证使用同一组空域滤波器权值在宽带信号所包含的不同频率上形成一致的波束与陷波点.所提出的宽带波束形成方法可以显著降低阵列信号处理时的运算复杂度,便于进行实时信号处理.     

一种基于协方差矩阵重构和EMP的宽带波束形成算法

在宽带波束形成中,若干扰信号从主瓣方向进入,会引起主瓣畸变、旁瓣电平抬高,从而使波束性能严重恶化。为了解决波束形成中的这些问题,研究了一种基于协方差矩阵重构和特征投影预处理（EMP）的宽带波束形成算法。该算法首先通过EMP算法求取阻塞矩阵,对接收信号进行干扰相消预处理阻塞掉主瓣干扰;然后通过相干信号子空间（CSM）方法、协方差矩阵重构求取合理的协方差矩阵;最后进行波束形成。在主瓣干扰、旁瓣干扰同时存在的情况下,该算法能够自适应地阻塞主瓣干扰、抑制旁瓣干扰,解决了存在主瓣干扰情况下宽带波束形成的波形畸变问题。计算机仿真验证了该算法有效性。     

基于二次型约束的稳健宽带恒定束宽波束形成

针对期望信号导向矢量失配时传统宽带波束形成器性能恶化的问题,提出一种稳健的宽带恒定束宽波束形成算法。首先结合空间响应变化(Spatial response variation, SRV)约束,将算法在信号带宽内不同频点的阵列响应约束简化为对某一参考频点的约束,实现具有恒定束宽特性的宽带波束形成,再通过对权矢量模值施加二次不等式约束,抑制指向误差及传感器参数随机扰动误差,提高算法的稳健性,并通过拉格朗日乘子法,在约束边界上求得最优权矢量的解析解。实验结果表明算法可有效克服信号指向误差引起的波束形成器性能恶化问题,且具有良好的恒定束宽特性及较高的阵列输出性能。     

基于空时自适应处理的多波束抗干扰改进算法

传统的多波束算法无法处理与导航信号来自同一方向的窄带干扰。针对该问题,提出了一种改进的多波束抗干扰算法,级联时频域结合的IIR格型陷波器于多波束抗干扰算法中,通过IIR格型陷波器预测并抑制窄带干扰,通过多波束形成抑制宽带干扰。这种新的算法能有效地抑制窄带和宽带干扰,提升GPS抗干扰接收机的性能。     

一种稳健的宽带聚焦波束形成算法

将聚焦变换的思想与二阶锥规划方法相结合,提出了一种稳健的宽带聚焦波束形成算法。该算法首先将宽带信号划为多个窄带信号,再通过最佳聚焦矩阵,聚焦到最佳聚焦频率上,将宽带问题转换为窄带问题,最后利用二阶锥规划的方法实现窄带波束形成。计算机仿真验证了该算法的有效性。     

不等目标强度下的宽带波束域高分辨新算法

在低信噪比下，宽带波束域高分辨方法比宽带阵元域高分辨算法有更优的方位估计性能，但是基于恒定束宽多波束输出的宽带波束域高分辨算法对不等强度目标的分辨能力较差，而在实际声纳系统中所接收的目标强度大多是不相等的。该文提出了一种在低信噪比下不等目标强度的宽带波束域高分辨方位估计新算法，通过调整多波束输出方位来抑制高能量信号，达到分辨不等强度目标的目的，解决了实际系统中不等强度目标源的分辨问题。仿真结果表明，该方法在低信噪比，具有比传统宽带波束域高分辨算法和阵元域高分辨算法更优的不等强度目标分辨性能。     

基于交错透传的宽带数字多波束形成技术

宽带数字多波束形成技术导致了海量数据传输与多波束数据计算的双重压力,因此该技术对现场可编程门阵列（FPGA,Field Programmable Gate Array）的高速接口、计算资源要求极高;若多通道宽带多波束集中做加权、求和运算,则FPGA资源严重不足;针对该问题,文中提出了一种基于交错透传的宽带数字多波束形成技术,采用逐层逐级分解的方式进行数据合成处理,解决了宽带多波束合成运算时,FPGA资源不够用的难题;文中详细描述了宽带信号的高速数据采集、海量数据的高效传输以及宽带采集产生的大容量数据的多波束合成算法,最后通过测试16通道、瞬时带宽1GHz的宽带输入信号,经过数据采集、传输、数据加权、求和之后形成8个波束;测试数据所形成的波形图与预期波束指向一致,验证了该技术的正确性和有效性,具有较强的工程应用推广价值。     

基于相位约束的低复杂度稳健宽带波束形成算法

针对传统空时结构宽带波束形成器结构复杂、计算量大和稳健性差的问题,提出低复杂度的稳健宽带波束形成算法。首先给出频率变化时阵列响应相位,分析频率变化与角度变化对阵列响应相位的影响。通过对期望信号不同频点施加阵列响应幅度和相位约束,补偿不同频率间的阵列响应相位差来实现无需延迟线或FIR/IIR滤波器结构的稳健宽带波束形成。然后分析频率和角度同时变化对阵列响应相位的影响,在期望信号来向附近引入辅助方位角,进一步提高期望信号来向趋于零度和相对带宽较小时算法的稳健性。理论分析与仿真实验表明,本文算法结构简单,计算复杂度较低且具有较好的稳健性。     

超分辨率下的部分重叠干扰抑制

在船舶自动识别系统中,波束形成算法在目标信号受到来向相近的部分重叠干扰时存在性能严重下降的问题。针对上述问题,提出一种超分辨率下的部分重叠干扰抑制算法。算法通过自回归模型预测的方法求解自回归系数,进而进行虚拟阵元扩展预处理,并采用基于广义奇异值分解的波束形成算法完成目标信号的估计以及对部分重叠干扰的抑制,克服了上述场景下波束形成器在信号来向相近时性能较差的问题。仿真结果表明,所提算法通过结合阵列扩展与波束形成的特点,能够在不增加实际阵元的情况下较原阵列具备更高的分辨率。     

频域宽带阵列波束形成技术优化设计

为提高宽带相控阵系统的波束合成性能,该文针对宽带相控阵系统中的延时补偿问题,采用频域宽带阵列波束形成的方法,分析了宽带相控阵中应用交叠FFT进行时延补偿的原理和误差造成的原因;基于一个接收信号带宽为600MHz的64阵元的宽带相控阵系统,研究了子阵规模、FFT点数、交叠率、位宽、采样率等交叠FFT参数对延时精度、信号保真度和波束性能的影响,在满足工程应用的要求的同时对频域宽带阵列波束合成技术进行了优化;经研究确定子阵规模不超过9个天线阵元、FFT点数不小于512、交叠率不小于1/16、位宽不小于采用12bit时可以达到指标的要求,为交叠FFT方法应用在实际工程中提供了依据与参考,并使其工程实现复杂度降低。     

混响环境下的宽带波束形成语音增强方法

结合小波滤波器组理论和自适应波束形成技术,提出了一种基于宽带波束形成的麦克风阵列语音增强方法。该方法利用小波分析滤波器组将含噪语音信号变换到小波域;进行小波域阵列自适应波束形成;通过小波综合滤波器组重构增强后的语音信号。计算机仿真实验验证了该方法的有效性。     

稀疏阵列的波束形成与控制方法

首先从信号与信息处理的角度阐述了波束形成所要解决的技术问题和波束形成的理论优势和方法局限,并对传统的基于空域波形采样的波束形成技术进行了再思考。其次,分析了稀疏阵列的布阵特点对波束形成技术的挑战,给出了空域、时域、频域分布式相参信号处理等关键技术及其理论性能的分析与比较结果,并利用实例分析了空、时、频协同采样克服低维欠采样模糊的可行性。最后分析了在实际应用中遇到的一些非理想因素对稀疏阵列波束形成与控制的影响及其解决方法。     

Blind Acoustic Beamforming Based on Generalized Eigenvalue Decomposition

Maximizing the output signal-to-noise ratio (SNR) of a sensor array in the presence of spatially colored noise leads to a generalized eigenvalue problem. While this approach has extensively been employed in narrowband (antenna) array beamforming, it is typically not used for broadband (microphone) array beamforming due to the uncontrolled amount of speech distortion introduced by a narrowband SNR criterion. In this paper, we show how the distortion of the desired signal can be controlled by a single-channel post-filter, resulting in a performance comparable to the generalized minimum variance distortionless response beamformer, where arbitrary transfer functions relate the source and the microphones. Results are given both for directional and diffuse noise. A novel gradient ascent adaptation algorithm is presented, and its good convergence properties are experimentally revealed by comparison with alternatives from the literature. A key feature of the proposed beamformer is that it operates blindly, i.e., it neither requires knowledge about the array geometry nor an explicit estimation of the transfer functions from source to sensors or the direction-of-arrival.     

空间克里金插值的时空扩展与实现

空间克里金插值常用来补充采样点不足的问题,当数据分布与时间和空间都有关系时,面向空间的方法直接应用到时空过程可能导致有价值信息在时间维的丢失,由此导致了时空克里金插值的研究。研究的目标是将空间插值模型扩展到时空领域并实现时空变异函数、时空插值和时空交叉验证。其方法是首先获得最佳变异函数模型和时空下的有效基台值、块金值与变程,然后实现时空克里金插值的扩展,最后通过时空交叉验证去验证扩展的时空克里金插值方法的有效性。验证结果表明,扩展的时空方法能为随机领域以一定的精度提供较多的信息,为不同时空环境下的预测或插值提供了一个有效的途径。     

基于波束形成与SSA的多麦克风噪声消除

提出一种基于波束形成技术与信号子空间滤波器的多麦克风噪声消除方法。利用波束形成器的空域滤波特性,使波束主瓣对准期望信号方向,零陷对准噪声方向,消除观察信号中弱相关与不相关噪声。利用信号子空间滤波器进一步消除波束形成器输出信号中的残余噪声。实验采用NOISEX92语音库,结果表明该方法具有较低的算法复杂度,有效降低了背景噪声。     

协作认知无线网络中基于功率分配的安全波束成形

在协作认知网络中,针对次用户作为转发中继时主用户信息容易被窃听的问题,本文提出了一种基于功率分配的安全波束成形设计方法。首先,根据任意转发波束成形功率占比,以次用户的传输速率最大化为优化目标,构建安全波束成形设计联合优化问题。然后,将所述目标优化问题转换为凸优化问题;最后,通过一维搜索转发波束成形功率占比获得全局最优解,完成认知无线网络的安全波束成形设计。仿真分析表明,本文所提方法在保证主用户信息安全的同时可实现次用户的传输速率最大化。     

冲击噪声背景下主分量求逆波束形成

关于波束形成器抑制噪声优化问题,在冲击噪声背景下,常规波束形成性能下降,影响通信效果。为解决上述问题,提出一种适用于任意未知统计特性的代数拖尾冲击噪声环境下的归一化的主分量求逆(N-PCI)算法。通过对输入信号进行无穷范数归一化,使变换信号的二阶统计量在代数拖尾的冲击噪声环境下存在且有界,提高了波束形成器在冲击噪声背景下的性能,且无需噪声特征指数的先验信息。仿真结果表明,该算法具有副瓣电平低且干扰抑制能力强的优点,较常规波束形成算法更有效,为设计提供了有效参考。     

基于子带SDL的LCMV宽带波束形成性能分析

对子带阵元延迟线 （SDL）波束形成器的线性约束最小方差（LCMV）宽带自适应波束形成算法进行了性能分析 。推导了子带LCMV算法的输出信干噪比（SINR）的解析表达式,对比了子带LCMV算法和全带 LCMV算法的阵列响应性能,以及阵元数量、输入信噪比（SNR）和阵元间距对输出SINR的影 响,并分析了子带滤波器组的参数对子带LCMV输出SINR性能的影响。仿真结果表明子带LCMV 算法可有效提高性能,并可在不降低性能的条件下降低阵元需求。