專利名稱：一種寬帶頻域數(shù)字波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的波束形成技術(shù)，特別涉及寬帶聲信號(hào)的數(shù)字波 束形成方法。
背景技術(shù)：
波束形成是廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、超聲成像以及無線通訊中的一項(xiàng)技術(shù)；波 束形成器的主要功能是將傳感器陣列接收信號(hào)加以組合得到來自某一具體方向的信 號(hào)分量，或通過輻射陣列將發(fā)射信號(hào)約束在某一空間角度范圍內(nèi)定向發(fā)射；這里考
慮接收端波束形成過程。
基本的波束形成方法通過對各陣元接收信號(hào)進(jìn)行一定的延遲處理，以補(bǔ)償某一 方向入射波因陣元空間位置不同帶來的時(shí)延差，并將延時(shí)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單加和(或
增加幅度加權(quán)以改善旁瓣性能)即可得到指向該方向的波束輸出(參見圖3a)。在 數(shù)字系統(tǒng)中，這種"延時(shí)一加和"的波束形成方法通過序列的移位迭加實(shí)現(xiàn)，而延 時(shí)的精度與數(shù)據(jù)采樣率成正比。為了得到良好的波束形成性能(較低的波束副瓣) 需要對陣元序列進(jìn)行精確的延時(shí)補(bǔ)償。 一般情況下，為了得到良好的波束形成性能， 系統(tǒng)的采樣率需要約IO倍的奈奎斯特頻率(即采樣定理所要求的信號(hào)采樣頻率)。 隨著信號(hào)頻率的提高和陣列規(guī)模的擴(kuò)大，波束形成系統(tǒng)的復(fù)雜度(包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 傳輸及運(yùn)算速率等)將急劇上升，這是制約數(shù)字波束形成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要障礙。
現(xiàn)有的波束形成方法包括時(shí)域波束形成和頻域波束形成兩大類，時(shí)域法除基本 的"時(shí)延-迭加"方法外，還包括"部分一加和"、內(nèi)插方法以及相移邊帶波束形成 方法等；頻域方法基于頻域相移等效于時(shí)域延遲這一事實(shí)，包括基于離散傅立葉變 換的應(yīng)用、相移波束形成以及補(bǔ)零2維FFT近似方法等。如何根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合， 選擇合適的時(shí)延補(bǔ)償方法是波束形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
對于主動(dòng)聲納，聲成像和水聲通訊等帶通系統(tǒng)，最常用的方法為正交采樣波束 形成方法，包括四個(gè)基本的處理步驟
1) 正交采樣過程將帶通波形變換到復(fù)基帶，得到復(fù)包絡(luò)信號(hào)(可以在基帶或 中頻)；
2) 相位旋轉(zhuǎn)(Phase Rotation):對一定波束方向，補(bǔ)償頻譜搬移(正交采樣) 所產(chǎn)生的相位偏差；
3) 時(shí)延復(fù)包絡(luò)信號(hào)，補(bǔ)償復(fù)信號(hào)波前延遲；
4) 迭加各通道信號(hào)，得到波束輸出(復(fù)包絡(luò))。
其中，第2步和第3步的先后次序可以顛倒。這一方法可以將高頻帶通信號(hào)變 換到基帶進(jìn)行，由于復(fù)基帶信號(hào)的奈奎斯特頻率等于信號(hào)的帶寬，對于信號(hào)中心頻 率與帶寬之比較大的系統(tǒng)，可以顯著降低波束形成系統(tǒng)的采樣率和運(yùn)算復(fù)雜度。
基于第2、 3步的具體實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)有
a) 相移波束形成
這是現(xiàn)有的雷達(dá)，通訊系統(tǒng)中普遍采用的技術(shù)，對于窄帶系統(tǒng)，信號(hào)復(fù)包絡(luò)在 陣列尺度上不會(huì)發(fā)生明顯變化，這時(shí)可以去掉上述第3步過程簡化波束形成計(jì)算。 對于寬帶信號(hào)，這種方法將使得時(shí)域信號(hào)發(fā)生畸變和動(dòng)目標(biāo)方位估計(jì)的偏差，如對 短脈沖，其信號(hào)畸變的過程可參見圖3b。因此，對于現(xiàn)代寬帶成像系統(tǒng)和高速寬帶 通訊系統(tǒng)，這種方法已不能滿足需求。
b) 直接延時(shí)方法
直接對復(fù)包絡(luò)序列進(jìn)行移位延時(shí)補(bǔ)償(美國專利US4290127)可以改善波束波 形，然而復(fù)包絡(luò)信號(hào)波前補(bǔ)償精度仍由采樣速率決定，為了滿足寬帶波束形成性能 的要求，采樣率仍需要數(shù)倍于基帶奈奎斯特頻率。為了降低采樣率，減少冗余數(shù)據(jù)， 現(xiàn)有技術(shù)采用時(shí)域內(nèi)插方法改善延時(shí)精度，這樣對內(nèi)插后的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行波束形成 仍然需要在較高的頻率上進(jìn)行。
c) 基于離散傅立葉變換(DFT)的頻域時(shí)延法
通過對頻域序列乘上一定的相移因子，等效于信號(hào)的時(shí)域延時(shí)，基本的處理過 程參見文獻(xiàn)(Mucci， R.A.，爿Cowpo^on o/鎖c/eW 5e師ybmZ"g J/gonY/z/Tw, IEEE Trans. ASSP， Vol.32， No.3，pp548-558， June 1984.)。這種方法的時(shí)延操作精度與采樣 率無關(guān)，可以極大減少冗余數(shù)據(jù)，而且算法結(jié)構(gòu)簡單(僅包括FFT和復(fù)乘運(yùn)算)， 易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行處理。但是，這種方法基于DFT循環(huán)移位定理，在分?jǐn)?shù)點(diǎn)移位 條件下不能得到正確的時(shí)域輸出。因此，這種方法通常用于只需要對波束頻域輸出 進(jìn)行處理，或?qū)r(shí)域波形輸出的連續(xù)性和精度要求不高的場合。d) 2維傅立葉變換頻域波束形成方法
這種方法首先對每一通道應(yīng)用FFT，然后對每一頻率的各通道分量應(yīng)用FFT， 相當(dāng)于2維FFT，具體過程可參見文獻(xiàn)(Weber,M.E. andHeisler， R., A
Acoust. Soc. Amer" Vol.76， No.4， pp 1132-1144， 1984.)。對單頻信號(hào)，空間場的FFT
可得到遠(yuǎn)場波束特征；在寬帶信號(hào)條件，不同頻率的一定波數(shù)分量對應(yīng)著空間不同 方位，因此這種方法需要通過在波數(shù)域內(nèi)插以得到近似波束輸出，通常要求空域FFT
內(nèi)插倍數(shù)為8-16倍，同時(shí)這種頻域2維FFT方法隱含了傳感器陣元必須在空間上 均勻分布。顯然，這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只在陣元數(shù)目很大的條件下具有運(yùn)算速度的 優(yōu)勢。
近年來，現(xiàn)代聲成像、高速水聲通訊以及被動(dòng)聲定位等技術(shù)領(lǐng)域?yàn)榱说玫礁?的性能(高成像分辨率，高數(shù)據(jù)傳輸率等)，普遍采用寬帶信號(hào)體制。在布陣形式上， 更傾向于采用稀疏陣、曲面陣等非規(guī)則陣型，例如稀疏陣形的引入可以使陣列規(guī)模 極大下降，降低系統(tǒng)成本。在對波束輸出的后處理上，更加強(qiáng)調(diào)波束輸出波形的質(zhì) 量，如水聲通訊和語音處理中的說話人聲音的跟蹤和識(shí)別等。對這些新的應(yīng)用需求， 現(xiàn)有的波束形成方法，包括一些近似技術(shù)，在系統(tǒng)復(fù)雜度或性能上已難以滿足實(shí)際 需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的數(shù)字波束形成方法中冗余數(shù)據(jù)多，精確延時(shí)代 價(jià)高的缺點(diǎn)，利用分?jǐn)?shù)點(diǎn)DFT循環(huán)移位方法對寬帶信號(hào)進(jìn)行精確延時(shí)，從而提供一 種寬帶頻域數(shù)字波束形成方法，該方法在保證波束形成精確時(shí)延補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢?以簡化信號(hào)處理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸，存儲(chǔ)量，運(yùn)算量和算法等方面的復(fù)雜度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的寬帶頻域數(shù)字波束形成方法包括如下步驟
1) 對各陣元的接收信號(hào)進(jìn)行前置放大；
2) 在信號(hào)處理系統(tǒng)中，對前置放大后的信號(hào)進(jìn)行正交采樣得到復(fù)包絡(luò)信號(hào)， 該正交采樣過程包括前置濾波和次級(jí)放大，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，正交解調(diào)，低 通濾波以及數(shù)據(jù)重采樣；
3) 對多通道的連續(xù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分塊處理，將數(shù)據(jù)流分解為相互重疊，大小為 iV,XA^的數(shù)據(jù)塊，其中符號(hào) ,表示陣元數(shù)，A^,.表示進(jìn)行傅立葉變換的
數(shù)據(jù)長度；
4) 對每個(gè)數(shù)據(jù)塊沿行方向進(jìn)行FFT變換，得到各通道數(shù)據(jù)的頻域形式 義("，"，其中n為陣元標(biāo)號(hào)，A為頻率標(biāo)號(hào)；
5) 計(jì)算各陣元在不同方向上各頻率的相移因子；將不同方向的波束編號(hào)，成 像區(qū)域的波束方向^滿足sin^O，土l，土l，…，土，,…;其中/w為波束編號(hào)
(wSZ)， Z為正整數(shù)，則對第m號(hào)波束，其相移因子、m) = (T7("，")m ;
式中，n為陣元標(biāo)號(hào)，A為頻率標(biāo)號(hào)，c/(w)為第n陣元相對于陣中心的距離， c為水中聲速，/c為陣元接收信號(hào)的中心頻率，F(xiàn)、為正交采樣后的復(fù)包絡(luò)信 號(hào)的采樣率，W,.為傅立葉變換的數(shù)據(jù)長度；
6)利用歩驟5)得到的相移因子與步驟4)得到的頻域數(shù)據(jù)塊進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法運(yùn) 算，得到各波束方向上的完成補(bǔ)償?shù)念l域數(shù)據(jù)，對第m號(hào)波束，補(bǔ)償后的頻 域數(shù)據(jù)
7)對步驟6)得到的結(jié)果進(jìn)行加和得到該波束方向的頻域輸出n"，對第附號(hào) 波束，其頻域輸出
其中iV3為波束數(shù)目；
8)判斷是否所有的波束形成完畢，若判斷為否，則回到步驟5)，進(jìn)行下一波
束的相移因子和波束形成計(jì)算，若判斷為是，則進(jìn)入步驟9); 9)對所有頻域波束輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行逆快速傅立葉變換(IFFT)，拼接相鄰數(shù)據(jù)塊，
得到連續(xù)時(shí)域波束輸出。 上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中前置濾波的濾波通帶選擇1.5-4倍的陣元接收
信號(hào)帶寬。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換由同步時(shí)鐘統(tǒng)一控制。 上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，每一通道的正交解調(diào)均由2個(gè)乘法器完成， 其參考周期序列為sin(-20^)和cos(20尸s)，其中/c為帶通信號(hào)中心頻率，n為
整數(shù)，F(xiàn)B為模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，數(shù)據(jù)重采樣后的復(fù)包絡(luò)信號(hào)采樣率為1.2~2 倍奈奎斯特頻率(復(fù)包絡(luò)信號(hào)的奈奎斯特頻率即為該復(fù)包絡(luò)信號(hào)的帶寬)。
上述技術(shù)方案中，所述步驟5)中，在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)中間參數(shù)77(n，W，通過累 乘運(yùn)算實(shí)時(shí)計(jì)算獲得相應(yīng)波束的相位因子尸(",t附)。
本發(fā)明的波束形成方法著重于頻域精確時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)，利用分?jǐn)?shù)點(diǎn)DFT循環(huán) 移位方法可以對寬帶信號(hào)進(jìn)行精確延時(shí)，這種延時(shí)精度與信號(hào)的采樣率無關(guān)，從而 可以最大限度降低采樣頻率，減少冗余數(shù)據(jù)，大大提高波束形成實(shí)現(xiàn)的效率和減少 系統(tǒng)復(fù)雜度。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的水聲成像系統(tǒng)示意圖2是本發(fā)明方法的結(jié)構(gòu)框圖；由正交采樣、傅立葉變換、復(fù)乘移相和波束加 和等幾個(gè)部分組成；
圖3a為基本的時(shí)延波束形成方法示意圖，接收信號(hào)波前差異被延遲線補(bǔ)償； 圖3b是相位補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)波束形成的示意圖4是分?jǐn)?shù)點(diǎn)DFT移位方法數(shù)值仿真結(jié)果；圖中延時(shí)量為0.8個(gè)采樣周期； 圖5是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中系統(tǒng)前級(jí)解調(diào)部分框圖；由前級(jí)調(diào)理、高速AD、
正交采樣以及數(shù)據(jù)傳輸部分組成；
圖6是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的波束形成流程圖；首先將上傳數(shù)據(jù)分塊，然后 變換至頻域進(jìn)行移相復(fù)乘，波束加和，最后變換到時(shí)域得到波束輸出；
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 實(shí)施例
本發(fā)明的波束形成方法可用水聲成像系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以.采用現(xiàn)有技術(shù)中 主動(dòng)式聲掃描工作方式。圖l示例性地給出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖l所示， 該水下探測系統(tǒng)包括主動(dòng)聲源1和接收陣2，主動(dòng)聲源發(fā)射探測脈沖(在垂直方向 掃描)，接收陣為一等間隔均勻線陣，測量的回波信號(hào)通過信號(hào)線傳輸至信號(hào)處理系 統(tǒng)進(jìn)行波束形成和時(shí)域處理完成水下目標(biāo)的成像。為了有效區(qū)分水下目標(biāo)，需要波
束形成系統(tǒng)具有良好的性能(波束旁瓣應(yīng)小于-20dB)。圖2是本發(fā)明方法的結(jié)構(gòu)框
圖；由正交采樣、傅立葉變換、復(fù)乘移相和波束加和等幾個(gè)部分組成。
圖6示出了本發(fā)明波束形成方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例流程，具體步驟如下所述 在步驟IOI中，首先對聲陣陣元輸出信號(hào)進(jìn)行前置放大后輸入信號(hào)處理系統(tǒng)。 在步驟102中，對輸入回波信號(hào)進(jìn)行正交采樣，現(xiàn)有技術(shù)中，正交采樣可以通過 模擬方式或數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，考慮到模擬方式在通道間有2。 3。的相位偏差，影響成 像質(zhì)量，這里采用數(shù)字方式。圖5給出數(shù)字正交采樣的實(shí)現(xiàn)過程，由前置濾波和次 級(jí)放大、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，正交解調(diào)，低通濾波以及數(shù)據(jù)重采樣四個(gè)部分組成。接收 信號(hào)首先進(jìn)行前置濾波，濾波通帶選擇1.5-4倍的信號(hào)帶寬，這樣各通道濾波器的 相位一致性較好。然后對各通道信號(hào)進(jìn)行同步模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，采樣率為/^赫茲， 模數(shù)轉(zhuǎn)換由同步時(shí)鐘統(tǒng)一控制。每一通道的正交解調(diào)部分由2個(gè)乘法器組成，相乘 的參考周期序列為sin(-20Fs)和cos(20&)，其中,為陣元接收到的帶通信號(hào)的 中心頻率，/i為整數(shù)。顯然，參考周期序列可通過循環(huán)査表方式獲得，這樣頻譜搬 移的精度與模數(shù)轉(zhuǎn)換同歩時(shí)鐘源精度相同；通過數(shù)字低通濾波器(LPF)后以Nd取1 的方式對同相分量/和正交分量^進(jìn)行降采樣抽取，降采樣的倍數(shù)Nd的選擇應(yīng)當(dāng) 使復(fù)包絡(luò)信號(hào)采樣率接近其奈奎斯特采樣率(一般可取1.2-2倍奈奎斯特頻率)。這 樣正交采樣后復(fù)信號(hào)采樣率為《.=Ffl/iVd 。這一部分算法結(jié)構(gòu)規(guī)整，可多路并行處
理，尤其適合在大規(guī)模FPGA陣列中通過定點(diǎn)乘法實(shí)現(xiàn)。
在步驟103中，由于頻域處理以數(shù)據(jù)塊方式進(jìn)行，需要對多通道的連續(xù)數(shù)據(jù)流 進(jìn)行分塊處理。將數(shù)據(jù)流分解為相互重疊，大小為iV￡ X WF的數(shù)據(jù)塊，其中符號(hào)^￡
表示陣元數(shù)，A^表示需要進(jìn)行傅立葉變換的數(shù)據(jù)長度。最大時(shí)延點(diǎn)數(shù)在最大波束
偏角^v^r時(shí)得到
其中丄表示水聽器線陣長度，C為水中聲速。
為了減小因循環(huán)移位過程中數(shù)據(jù)段邊緣引起的沖激，需要對數(shù)據(jù)段兩端進(jìn)行加
窗，窗的形式可以取半個(gè)哈明窗，窗長度7V胃可取為8 — 16。
因此，數(shù)據(jù)塊與塊之間相互重疊部分的長度應(yīng)大于等于+ iV，。
在步驟104中，直接對每個(gè)數(shù)據(jù)塊沿行方向(本實(shí)施例中數(shù)據(jù)塊的行表示不同 的通道，列表示采樣時(shí)間序列)進(jìn)行FFT變換，得到各通道數(shù)據(jù)的頻域形式，這里 以義("，"表示，其中/7為陣元標(biāo)號(hào)，A;為頻率標(biāo)號(hào)。
在步驟105中，需要計(jì)算對某一波束方向?qū)?yīng)的相移因子，可以采用兩種方法 得到相移因子， 一種方法是存儲(chǔ)所有波束的相移因子，這可以使波束形成過程的運(yùn) 算量最小，但缺點(diǎn)是存儲(chǔ)量大，對于陣元及需要生成波束數(shù)目眾多的系統(tǒng)，直接存 儲(chǔ)相移因子的方法難以實(shí)現(xiàn)；第二種方法需要實(shí)時(shí)計(jì)算這些相移因子，如何快速地 計(jì)算該相移因子是本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵。首先分析移相因子的構(gòu)成-
該相移因子由兩部分組成:第一部分用于完成正交波束形成中所需的相位旋轉(zhuǎn)，
其公式為 <formula>formula see original document page 10</formula>
其中，P為波束方向，d(")為第n陣元相對于陣中心的距離。
第二部分用于完成復(fù)包絡(luò)信號(hào)的波前對齊(時(shí)間延遲)，根據(jù)分?jǐn)?shù)點(diǎn)DFT移位
定理(該定理為本發(fā)明對整數(shù)點(diǎn)DFT移位定理的推廣，在下文中有相應(yīng)敘述)，可
以得到這部分的相移因子為
<formula>formula see original document page 10</formula>
總的相移因子可以寫為
<formula>formula see original document page 10</formula>
令成像區(qū)域的波束方向這樣選擇，使得^1^ = 0,±|，±4，...,±^，...;這里/ 為
z 乙 乙
波束編號(hào)，生成波束數(shù)目為2Z + 1。其中Z為決定波束在空間方向上的密集程度的
整數(shù)，Z越大則波束分布越密集，反之則越稀疏；通常，Z的取值范圍在0.5xiN^到 2x&之間。
總的相移因子可以以乘冪形式給出 P(" = ((eXp ))1/Z)"
=(7("，")m
這樣需要存儲(chǔ)的系數(shù)為/7(w，;t)，通過累乘可以得到需要波束的相位因子；注意到有
其中符號(hào)(')表示復(fù)數(shù)共扼，這樣可以節(jié)省一半相移因子的計(jì)算。
綜上所述，相移因子的計(jì)算可以按波束編號(hào)通過累乘運(yùn)算得到首先計(jì)算W-0 時(shí)的0號(hào)波束，所需的相移因子P("，A:,O)sl;完成波束形成后計(jì)算/ = 1時(shí)的1號(hào)
波束，所需的相移因子尸(n，A，l)-;7(n,";然后計(jì)算w--l時(shí)的-l號(hào)波束，相移因
子尸("A，-l)-尸'O，;U);對附=2時(shí)的2號(hào)波束，所需的相移因子
尸Oa,2)-尸Oa，l)0/7(",W，符號(hào)0表示矩陣對應(yīng)元素相乘；重復(fù)以上過程，直至
完成所有波束的相移因子計(jì)算。這一過程可以在現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中方便的 實(shí)現(xiàn)。
在本步驟中，利用到了分?jǐn)?shù)點(diǎn)的DFT循環(huán)移位?；谡麛?shù)點(diǎn)循環(huán)移位的DFT
定理套用到分?jǐn)?shù)點(diǎn)移位時(shí)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，如果對頻域相移因子進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?就可以將整數(shù)點(diǎn)循環(huán)移位的DFT定理推廣到分?jǐn)?shù)點(diǎn)移位的場合，分?jǐn)?shù)點(diǎn)DFT循環(huán) 移位的(即w可為分?jǐn)?shù))移相因子為
"d/2) + l,…，iV,
<formula>formula see original document page 12</formula>
這里符號(hào)[，]為取整運(yùn)算，w為移位的點(diǎn)數(shù)，A為頻率標(biāo)號(hào)，iV為數(shù)據(jù)段點(diǎn)數(shù)。
需要注意的是，頻域移位方法實(shí)際上是對數(shù)據(jù)段的周期延拓序列進(jìn)行移位的，由于 數(shù)據(jù)段的兩端點(diǎn)取值不同，可能會(huì)在移位后的序列中出現(xiàn)端點(diǎn)沖激現(xiàn)象，這是與整 數(shù)點(diǎn)移位定理不同的地方。為了消除端點(diǎn)沖激，本發(fā)明采用對數(shù)據(jù)段兩端加窗平滑 的方法。
在步驟106中，直接利用105步驟得到的移相復(fù)系數(shù)與104步驟得到的頻域數(shù) 據(jù)塊進(jìn)行復(fù)乘運(yùn)算，這樣對任一波束方向需要進(jìn)行A^. X W,.—次復(fù)乘運(yùn)算。
<formula>formula see original document page 12</formula>
這里尸 (w， A)與前面的尸("，yt， w)和附圖2中的("含義相同，只是寫法上的區(qū)別。
在步驟107中，對歩驟106得到的結(jié)果進(jìn)行加和得到該波束方向的頻域輸出， 如對第/n號(hào)波束
<formula>formula see original document page 12</formula>
在步驟108中，判斷是否所有的波束形成完畢，若判斷為否，則回到步驟105， 進(jìn)行下一波束的相移因子和波束形成計(jì)算。若判斷為是，則進(jìn)入步驟109。
在步驟109中，對頻域波束輸出數(shù)據(jù)(大小為A^X A^， A^為波束數(shù)目)進(jìn)
行逆傅立葉變換(IFFT)變換，拼接相鄰數(shù)據(jù)塊，得到連續(xù)時(shí)域波束輸出。至此， 一段數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波束形成過程結(jié)束。
圖4給出了根據(jù)分?jǐn)?shù)點(diǎn)移位方法得到的延時(shí)0.8個(gè)采樣周期后的時(shí)域波形，可 以看到延時(shí)后波形與原始波形符合很好。由于可以得到精確的分?jǐn)?shù)點(diǎn)移位序列，所 以時(shí)延補(bǔ)償精度與信號(hào)采樣率沒有關(guān)系，這是本發(fā)明可以采用較低采樣率實(shí)現(xiàn)精確 延時(shí)補(bǔ)償?shù)母驹颉?br> 本發(fā)明的波束形成方法著重于頻域精確時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)，利用分?jǐn)?shù)點(diǎn)DFT循環(huán) 移位方法可以對寬帶信號(hào)進(jìn)行精確延時(shí)，這種延時(shí)精度與信號(hào)的采樣率無關(guān)，從而 可以最大限度降低采樣頻率，減少冗余數(shù)據(jù)，大大提高波束形成實(shí)現(xiàn)的效率和減少 系統(tǒng)復(fù)雜度。對于相移操作需要的復(fù)相位因子，可以利用前述的對稱波束分布特點(diǎn) 通過乘冪運(yùn)算得到，運(yùn)算量約增加0.5倍。
權(quán)利要求
1、一種寬帶頻域數(shù)字波束形成方法，其特征在于，包括如下步驟1)對接收陣各陣元接收到的信號(hào)進(jìn)行前置放大；2)在信號(hào)處理系統(tǒng)中，對前置放大后的信號(hào)進(jìn)行正交采樣得到復(fù)包絡(luò)信號(hào)，該正交采樣過程包括前置濾波和次級(jí)放大，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，正交解調(diào)，低通濾波以及數(shù)據(jù)重采樣；3)對多通道的連續(xù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分塊處理，將數(shù)據(jù)流分解為相互重疊，大小為NE×NF的數(shù)據(jù)塊，其中符號(hào)NE表示陣元數(shù)，NF表示進(jìn)行傅立葉變換的數(shù)據(jù)長度；4)對每個(gè)數(shù)據(jù)塊沿行方向進(jìn)行快速傅里葉變換，得到各通道數(shù)據(jù)的頻域形式X(n，k)，其中n為陣元標(biāo)號(hào)，k為頻率標(biāo)號(hào)；5)計(jì)算各陣元在不同波束方向上的相移因子；將不同方向波束編號(hào)，成像區(qū)域的波束方向θ滿足<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>sin</mi><mi>&theta;</mi><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mo>&PlusMinus;</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>Z</mi></mfrac><mo>,</mo><mo>&PlusMinus;</mo><mfrac> <mn>2</mn> <mi>Z</mi></mfrac><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mo>&PlusMinus;</mo><mfrac> <mi>m</mi> <mi>Z</mi></mfrac><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>;</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="A2006100895400002C1.gif" wi="227" he="37" img-content="drawing" img-format="tif"/-->其中m為波束編號(hào)，m≤Z，Z為正整數(shù)，則對第m號(hào)波束，其相移因子P(n，k，m)＝(η(n，k))m；
2、 按權(quán)利要求1所述的寬帶頻域數(shù)字波束形成方法，其特征在于，所述歩驟2) 中前置濾波的濾波通帶選擇1.5-4倍的陣元接收信號(hào)帶寬。
3、 按權(quán)利要求1所述的寬帶頻域數(shù)字波束形成方法，其特征在于，所述歩驟2) 中的模數(shù)轉(zhuǎn)換由同步時(shí)鐘統(tǒng)一控制。
4、 按權(quán)利要求1所述的寬帶頻域數(shù)字波束形成方轉(zhuǎn)，其特征在于，所述歩驟2) 中，每一通道的正交解調(diào)均由2個(gè)乘法器完成，其參考周期序列為sin(-27^tt/Fs)和 C0S(2;^ /FS)，其中乂為陣元接收信號(hào)的中心頻率，n為整數(shù)，」Fs為模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣 率。
5、 按權(quán)利要求1所述的寬帶頻域數(shù)字波束形成方法，其特征在于，所述步驟2) 中，數(shù)據(jù)重采樣后的復(fù)包絡(luò)信號(hào)采樣率為1.2~2倍奈奎斯特頻率。
6、 按權(quán)利要求1所述的寬帶頻域數(shù)字波束形成方法，其特征在于，所述步驟5)中，在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)中間參數(shù)7("，A:)，通過累乘運(yùn)算實(shí)時(shí)計(jì)算獲得相應(yīng)波束的相位 因子尸("，yt，m)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬帶聲信號(hào)的數(shù)字波束形成方法，該方法包括正交采樣、傅立葉變換、復(fù)乘移相和波束加等步驟，其中復(fù)乘移相步驟中的移相因子由兩部分組成第一部分用于完成正交波束形成中所需的相位旋轉(zhuǎn)，第二部分用于完成復(fù)包絡(luò)信號(hào)的波前對齊。本發(fā)明的波束形成方法著重于頻域精確時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)，利用分?jǐn)?shù)點(diǎn)DFT循環(huán)移位方法可以對寬帶信號(hào)進(jìn)行精確延時(shí)，這種延時(shí)精度與信號(hào)的采樣率無關(guān)，從而可以最大限度降低采樣頻率，減少冗余數(shù)據(jù)，大大提高波束形成實(shí)現(xiàn)的效率和減少系統(tǒng)復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H04J13/00GK101098179SQ200610089540
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者孫長瑜, 李啟虎, 磊 王 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所