基于压缩感知的频率不变波束旁瓣水平优化方法

频率不变波束形成技术属于恒定束宽波束形成,能解决宽带信号中不同频率分量对应的波束响应不一致的问题.针对现有的一类将恒定主瓣宽度作为约束条件的频率不变波束形成方法,当阵元个数确定以后,形成的波束旁瓣水平往往达不到实际需求的问题,借助压缩感知理论,提出了一种改善波束旁瓣水平的新方法.提出的方法引入压缩感知理论(compressed sensing,CS)进行信号的预处理,并利用二阶锥规划(second order cone programming,SOCP)进行频率不变波束形成.由于压缩感知的恢复算法可以对压缩采样矩阵采集的信号进行精确重构,从而达到以更少的阵元获得相同的波束形成器性能.换言之,在相同的阵元个数条件下,通过阵列虚拟扩展增大了阵列的孔径,提出的方法比基于SOCP的频率不变波束形成方法有更低的旁瓣水平,仿真结果也表明了该方法的有效性,在相关的工程实践中具有一定的参考价值.

零陷可控的低旁瓣频率不变宽带波束形成

在基本的傅里叶变换频率不变波束形成器(frequency invariant beamforming,FIB)的基础上,提出了快速可控零陷低旁瓣宽带FIB优化方法,该方法将固定角度方向图零陷约束和等波纹原型滤波器加入FIB的设计,实现了零陷可控的低旁瓣FIB。同时,还开展了FIB抽头系数的稀疏优化,有效的降低了算法实现的运算量。仿真结果验证了所提的方法在一维均匀线阵和二维均匀面阵上的正确性和有效性。

基于线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成算法

针对实际环境中因麦克风阵列失配误差导致宽带波束形成器性能下降的问题,提出基于线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成算法.该算法首先在线性约束最小方差准则的基础上,结合空间响应偏差函数,并对波束形成器权矢量的二范数施加不等式约束,再通过拉格朗日乘子法和凸优化工具箱CVX(Con Ve X)分别在不等约束条件下求得权矢量的解析解和全局最佳解,以有效解决麦克风的增益、相位和位置等的不确定性造成的失配误差问题,提高频率不变波束器的稳健性.仿真结果表明:采用拉格朗日乘子法求解该算法的最优权矢量所得到的波束形成器对失配误差最不敏感,性能最稳健.

基于抽头稀疏化的最小二乘频率不变波束形成器设计

频率不变波束形成器(Frequency-invariant beamformer,FIB)在宽带声信号的无失真采集和处理中具有重要应用。基于空间响应变化函数的最小二乘方法是近年来FIB设计中的代表性方法,本文研究表明该方法的性能受频率不变波束形成(Finite impulse response,FIR)滤波器抽头长度的影响,增大抽头的长度可有效提高FIB设计的性能。但随滤波器抽头长度的增大,波束形成器的实现复杂度亦变大。针对这一问题,本文提出了一种基于FIR滤波器抽头稀疏化的最小二乘FIB设计方法,利用信号稀疏表示理论中的迭代加权l1范数优化实现了低复杂度最小二乘FIB设计,并通过设计实例验证了所提方法的有效性。

基于交替方向乘子法的频率-码型联合捷变波形优化设计

针对频率-码型联合捷变雷达信号脉压后存在的距离维旁瓣过高问题,采用基于模糊函数模型下的积分旁瓣(ISL)作为衡量波形优化效果的量化指标,推导了频率-码型联合捷变雷达信号及其模糊函数表达式,建立了以最小化ISL为准则的波形优化设计模型,并采用交替方向乘子法对模型进行求解。仿真结果表明该算法在实现波形优化的同时,在优化效果及优化效率上相比于遗传算法得到进一步提高。

频率不变宽带波束形成权重系数的稀疏优化

在基本的傅里叶变换频率不变波束形成(FIB)基础上,从减少抽头权重系数数量,降低FIB运算量角度出发,提出基于最小l0范数的抽头权重系数稀疏优化模型,并采用正交匹配追踪(OMP)算法来求解该优化问题。在高增益、等波纹、低旁瓣FIB方向图的要求下,所提出的优化方法使得稀疏率降低到3.53%,且能够保证稀疏优化后的方向图误差小于1%。接着进一步开展阵元数量的稀疏优化,有效地减少了阵元通道数,进一步降低了算法实现的硬件复杂度。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。