传感器阵列波束优化设计与应用.pdf——马远良

【实例简介】

马远良的阵列波束优化设计与应用有助于波束形成初学者

TN11.7

传感器阵列波束

优化设计及应用

严社锋马远良

斜学寓版

北京

内容简介

本书系统地介绍了传感器阵列波束形成器优化设计方法及其应用。全

本书分为8章，主要描述了窄带波束优化设计方法、宽带波束形成器实现方法和

宽带波束优化设计方法，最后将各波束形成方法应用于目标定位估计。

多年来，作者和合作伙伴一直从事阵列信号处理的科研工作

近年来，作者在国内外重要期刊上发表了10多篇论文，也采用了

各种文献中散布的少量内容

本书详细描述了波束优化设计的问题，力求系统、深入的理论分析，深入的推理

简单，易于自学。本书可作为声纳、雷达和无线通信信号处理的本科生

学生、研究生和教师的参考书也可用于相关专业的科学研究和工程技术人员

参考

版本中的图书编目(CIP)数据

马远良的传感器阵列波束优化设计与应用.北京：科学出版

社,2009

ISBN978-7-03-022922-9

.传…Ⅱ.①鄢…②马…Ⅲ.信号处理Ⅳ.TN911.7

中国版图书馆CIP第137359号数据核字(2008)

责任编辑:余丁/责任校对:陈玉凤

责任印制：赵波/封面设计：耕者

骨噪出出版

北京东黄城根北街16号

邮政编码:100717

http:/www.sciencep.com

印刷印刷中国御李陀副厂

科学出版社在各地发行新华书店

2009年1月第

版开本:B5(720×1000)

191/2009年1月首次印刷印章

印数:12000

字数:37800

定价:80.00元

如有印刷质量问题，我社负责交换〈科印〉)

序言

阵列信号处理中的波束优化是一个常见且非常重要的问题。

到目前为止，还没有专门研究这个话题，系统而深入地在阅读中呈现最新的研究成果

在人们面前，初学者很容易入门，让饱学者有一块玉砖，这就是我们写这本书的原因

刀衷

写这样一本书需要勇气。回顾1982年以来，我开始并继续这样做。

研究这个问题已经26年了。在此期间，许多学生和同事都参与其中，应该有一个总结

此外，我的年龄已经超过了年轻人的界限。幸运的是，有了严社峰，作为我的学生和学生

合作伙伴投入了这个话题的研究。作为西北理工大学教改试点班的学生，他于1998年

自愿选择以自己的名义做本科毕业设计，做硕士和博士学位。从那以后，他和我在一起之前

七年多后。我记得我建议他研究浅海水听器的本科毕业设计课题

垂直线阵列的空间增益，信号多径效应造成的增益损失，以及有什么

这种方法可以减少这种损失。因此，从一开始，他的学位主题就与阵列信号处理紧密相连

联系在一起。严社峰博上学位论文题日是《水听器阵列波束优化与广义空域滤波器》

博士学位答辩于2005年5月22日由教育部公布

全国100篇优秀博士论文之一。离开西北理工大学后，燕社峰来到中国

在侯朝焕院士的关心和支持下，科学院声学研究所博士后继续从事波束优化

工作。目前在挪威科技大学做博士后， Hoven董和风教授教授

给予同样的支持。虽然严社峰还很年轻，但他在波束优化相关课题上的研究很年轻

它已经持续了十年。因此，他和我一起完成这本书是合适的，这是有意的

从意义上说，它意味着研究小组在过去的工作中取得了巨大的成就。也许过几年再读这本书，你会发现徐

有很多缺点。我对此的行为会非常有限，严社峰还年轻，未来很长，一个

我们将继续努力争取新的发展

在这里，我特别想说的是，像写书这样的事情，尤其是自称是专业的，一定离不开

前人的贡献离不开研究小组成果的积累和各种帮助。我不禁想起1982

年的往事。当时我在英国。 Loughborough教师是水声和雷达信号

国际知名处理领域的专家 Griffiths教授。他说有一个问题需要解决。

在海底布置的水听器阵列中，如果若干水听器失效，整个阵列不能正常工作

做，损失会很大。他问:能不能研究一下，看看有没有什么好办法让阵列基本上基本起来？

我很高兴研究这个问题，并迅速提出了一些可能的方法和初步工作

步骤模拟计算结果。首先采用插入故障水听器数据的方法，但效果不理想。

11·

传感器阵列波束优化设计及应用

将带有失效阵元的阵列作为一个新的任意阵列来处理，导致

初步研究结果是任何结构形状传感器阵列方向图的最佳化。所以我在

1984年《中国造船学报》正式发表《凹槽噪声场法》论文，1985年第四届

通信数字信号处理国际会议(英国)的会议报告与 Griffiths教授联合签名

是的。俗话说，正确提出问题解决了一半。我尊重他的贡献，感谢他引导我进入

这样一个很有意思的问题。说实在的,虽然他已过世多年,但是在英国两年中与他

每周从不间断的工作讨论和许多其他难忘的记忆仍然留在我的心中。

随后，西北工业大学声学工程研究所的许多同事和学生与我一起将传感器阵列

列波束优化作为一个长期的方向，不断开辟新的课题。这个方向的研究工作是持久的

由于强烈的应用需求，它不断得到各方面的关注和支持，并逐渐在声纳开发中获得

应用，同时提出了新的要求。陆霁人教授、姚兰，杨士峨院士和原水声专业组同事

严福旺的教授和死者给予了长期的关心和帮助。20世纪80年代中期

在接下来的十年里，相关科研成果获得了多项部级科技奖励和多项发明专利，在中国

1991年，布里斯班西太平洋国家发表了一批外期刊和学术会议论文

际声学会议的大会主题报告,在北京海洋声学国际会议的大会报告等。这些不可

它可以一一献给读者，但它是许多研究工作的先驱或基础。

必须说，王英民、孙超、万春如、张燕武、

吴仁彪、史新华、杨益新、张保嵩、肖国有、谢朝矩等。当然，我和严社峰也在其中

还有很多其他的老师，要么提出建议，要么帮助完成实验数据的收集，要么分享原本应该做的事情

我在这里对我承担的其他工作表示衷心的感谢。

严社峰的主要创造性贡献是将二阶锥规划技术引入传感器阵列的波束

在优化设计中，多约束波束优化之门被打开，波束优化设计更加完整

在此基础上，提供了主瓣宽度、旁瓣级、主瓣响等波束质量指标。

应接近误差、波束形成器的稳定性、宽带波束的频域和空域特性

合理的方法。为了验证这些方法的可行性，便于比较不同的方法，他做了很大的工作

数量的设计和计算使我们能够在本书中为读者提供大量的设计例子。关于阵列流

他最近在挪威工作期间提出了形误差约束下的波束优化方法。我认为这是一个

波束优化稳定性的新概念，未来肯定会有新的发展。

以上简要说明了写作本书的背景和原因。由于时间安排，我对这个问题很感兴趣

对工作的回顾是粗糙的，对稿件的审查和改革不能涵盖一切。遗漏是不可避免的。

批评指正。

马远良

2008年8月8日，西安

前言

本书是对传感器阵列波束优化设计方法和应用的专注描述，属于阵列信号

处理类别。书中的大部分内容都是基于作者近年来的科研工作，书中涉及的内容

该方法主要是作者和合作伙伴近年来在国内外重要期刊上公开发表的。

此外，这本书还介绍了近年来一些国际提出的其他方法。

声纳、雷达、无线通信、医学成像、地质勘探、射电天文学等

该领域应用广泛，几十年来一直是一个活跃的研究课题。波束形成是阵列

列信号处理的一项非常重要的任务是：采用空间分布的传感器阵列

收集场（声场、电磁场等）数据，然后线性组合收集的阵列数据

处理器称为波束形成器的标量波束输出。波束形成器可以在确定加权系数后不使用

自适应波束形成器也可以随着应用环境的变化而自动调节

形成器。

传感器阵列的空域滤波性能取决于其结构形状、阵元数和处理算法。

阵列的结构形状往往受其安装空间环境的限制，阵元数量受信号场空间的限制

因此，改进阵列处埋算法是提高阵列性能的一种铰链方式，

即根据不同的需求与应用背景设计高性能的波束形成器。

波束形成器的性能优缺点可以从以下重要的性能指标来考察：阵增益

稳定性、旁瓣级、主瓣宽度、主瓣响应、频率响应等。

优化这些性能指标中的一个或多个指标,例如,在波束主瓣宽度与旁瓣

级之间寻优的 Dolph-Chebyshev波束形成,使理想阵增益最高的 Capon波束形

成,对阵列误差稳健的自适应波束形成,旁瓣控制波束设计,旁瓣控制自适应波束

形成,期望响应波束设计,以及多指标波束优化设计,等等。由于波束形成器的这

几个性能指标之间不是独立的,而是相互关联的,波束优化设计就是在这些互相冲

突的性能之间寻找最佳的折中,设计出满足需要的、综合性能最优的波束形成器。

根据所处理的数据的频带宽度进行划分,波束形成器分为窄带波束形成器与

宽带波束形成器。窄带波束形成器一般有两种实现方法:一种是采用正交解调得

到复包络后进行加权求和波束形成,另一种是采用相移波束形成。宽带波束形成

器的实现包括频域DFT实现与时域FIR实现两种方式,DFT波束形成是分块处

理,FIR波束形成是时序处理。对于前者,首先采用离散傅里叶变换将阵列数据分

解为若干子窄带,然后针对毎个子带进行窄带波束形成,最后对各子带输出进行逆

傅里叶变换得到宽带波束输出时间序列。对于后者,将各通道数据分别通过一个

传感器阵列波束优化设计及应用

对应的FR滤波器,再将每个滤波器输出相加,得到宽带波朿输出序列。这些

FIR滤波器的系数决定了波束形成器的空、频响应特性。

本书共分8章。第1章是绪论,介绍了阵列波束优化设计的历史与技术现状,

以及本书的内容。第2章介绍阵列信号处理与波束形成的基本知识与数学模型。

第3章至第5章介绍窄带波束形成器优化设计问题,这三章分别针对前面提到的

波束形成器的各性能指标进行优化折中求解,获得满足设计翌求的综合最优性能

其中第3章介绍稳健自适应波束形成问题,第4章介绍旁瓣控制波束设计问题,第

5章介绍波束图综合的问题。第6章与第7章介绍宽带波束形成问题,其中第6

章介绍宽带波束形成器的实现问题,包括频域DFT实现方法与时域FIR实现方

法,第7章介绍FIR宽带波束形成器优化设计问题。第8章介绍目标方位估计方

法,前面几章介绍的波束形成方法在这一章得到了具体应用

本书初稿由鄢社锋执笔,马远良对稿件进行了仔细修改,书中纳入了两人近年

来在国内外重要期刊合作发表的十余篇学术论文。书中融入了鄢社锋在西北工业

大学攻读博士学位(指导教师为马远良院士)、在中国科学院声学研究所从事博士

后研究(合作导师为侯朝焕院士)以及在挪威科技大学( Norges Teknisk-Natur

vitenskapelige Universitet)从事博士后研究期间的大部分研究成果

本书涉及的大部分研究工作是在西北工业大学声学工程研究所长期科斫积累

的基础上完成的,在此对学校有关部门、有关老师和同学深表感谢。

本书在写作过程中,得到了中国科学院声学研究所侯朝焕院士的支持与鼓励,

他对本书的初稿提出了部分修改意见,在此表示感谢。本书涉及的研究工作受到

了国家自然科学基金(No.60602055)的资助,另一项国家自然科学基金还直接资

助了本书的出版。

本书可供从事声呐、雷达、无线通信等信号处理专业的科学研究和工程技术人

员学习参考,也可作为高等院校相关专业本科、研究生及教师的参考书

限于著者的水平与经验,书中难免存在一些疏漏,恳请读者批评指正。

郝社锋

2008年5月

目录

序言

前言

第1章绪论…

1.1阵列信号处理应用范围

1.2研究历史与现状

1阵增益与稳健性

1.2.2波束图优化设计…

1.2.3恒定主瓣响应波束设计

1123589

1.2.4波束形成器的实现

1.2.5目标方位估计

…………12

3本书的结构…

第2章基本知识介绍

………∴…………15

2.1引言

2.2数学模型

16

2.2.1基阵

…………16

2.2.2信号模型

……………16

2.2.3噪声场模型

…18

2.2.4基阵接收数据模型

……19

2.2.5快拍数据模型

…………………20

2.3波束形成…

2.3.1波束形成表达形式

……23

2.3.2窄带波束形成及其性能参数

26

2.4常见的波束形成器

2.4.1常规波束形成器

……………………33

2.4.2MvDR波束形成器

35

2.4.3MVDR波束形成器的稳健性

41

2.5本章小结

47

第3章稳健自适应波束形成

48

3.1引言…

3.2样本协方差矩阵求逆法

4

传感器阵列波束优化设计及应用

3.3对角加载法

,4,,

…53

3.4加权向量范数约束法

4,44B卷垂卷

62

3.4.1加杈向量范数约束与对角加载波束形成器的关系………

62

3.4.2范数约東波束形成器的二阶锥规划求解方法

64

3.4.3范数约束波束形成器对角加载量求解法

64

3.5最差性能最佳化法…

……………70

3.6协方差矩阵拟和法……………………………………………72

3.7双约束法…………………………………………………………79

3.7.1算法描述

3.7.2尽叮能小的椭圆不确定集

82

3.7.3算例

82

3.8各种波束形成方法性能比较

87

3.9本章小结

92

第4章旁瓣控制波束形成

94

4.1引言…

94

4.2窗函数加权法

95

4.2.1几种重要的窗函数

95

4.2.2波束指向调整

…………………………99

4.3凹槽噪声法

100

4.4零点展宽技术

106

4.4.1干扰方位扩展法

…106

4.4.2频带扩展法

108

4.4.3协方差矩阵锥化法

…………109

4.5最低旁瓣波束形成器

………………112

4.5.1最低旁瓣波束设计

112

5.2稳健最低旁瓣波束设计

116

4.6旁瓣控制高增益波束形成器

118

4.6.1低旁瓣自适应波束设计

………118

4.6.2旁瓣控制高增益波束设计

119

4.6.3稳健旁瓣控制波束设计……

…………………………121

4.7抗阵列流形误差的稳健低旁瓣波束形成…

…125

4.7.1问题描述

125

4.7.2L2范数准则

126

4.7.3L1范数准则………

127

4.7.4最差旁瓣下界

128

【实例截图】

【核心代码】