一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校 正方法。
【背景技术】
[0002] 波束形成技术广泛应用于雷达信号处理、通信信号处理和声纳信号处理中，它可 W将某个方向的信号放大，抑制其它方向的回波信号，提高确定方向的信噪比。波束形成一 般采用延时加权求和法。多波束测深声纳需要进行横摇（Roll)的姿态稳定，通常采用延时 加权求和的方法进行波束形成。而下变频波束形成方法需要对阵列信号进行解调，并对基 带信号进行复数延时加权求和，由于基带信号变化率较慢，可较低的信号采样率实现 高精度的延时加权求和，该下变频波束形成方法与实数域延时加权求和法相比节省了大量 计算量。
[0003] 目前，载体的Η维运动引起的多普勒频移是测距系统中的重要误差源之一，一般 认为在波束形成中多普勒频移对线性调频信号和简单脉冲信号的相位有影响，而对信号幅 度和指向性没有影响。但是，在本文中通过理论推导和分析表明：由于多普勒频移解调后的 信号并没有搬移至零频，从而引入了随机相位误差，该随机相位误差能够影响波束形成指 向，产生测深误差，对线性调频信号和简单脉冲信号都会产生影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，为克服多普勒频移对下变频波束形成的影响，从而导致形成 的波束信号出现指向及相位误差的技术问题，提供一种基于下变频波束形成中的多普勒频 移校正方法，利用该校正方法校正下变频波束形成中的多普勒频移，能够消除随机相位误 差和指向误差。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方 法。该多普勒频移校正方法包括：
[0006] 步骤1)W各子阵的延时参考点所接收的阵列信号进行AD采样，得到该延时参考 点的数字信号；
[0007] 步骤2)计算每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，并利用步骤1)中 的数字信号计算得出各基元的数字信号；
[0008] 步骤3)将步骤2)中得到的各基元的数字信号进行正交解调，得到各基元的复信 号，并将该复信号进行升采样；
[0009] 步骤4)将步骤3)中升采样后的各基元的复信号进行载波相位补偿，该载波相位 的补偿项为，其中，fk为第k个频带信号的中必频率，k= 1，2···，Κ，Κ表示频带信号 个数，Tm表示子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，m= 1,2…M，Μ表示线阵的基 元个数；
[0010] 步骤5)将步骤4)中载波相位补偿后的复信号进行加权求和，生成波束信号；
[0011] 步骤6)对步骤5)中生成的波束信号进行随机相位误差补偿，该随机相位误差的
补偿项为^_/2,/,^.,_:。其中^4表示多普勒频移， fsl为延时 ?'， > 加权求和之前的信号速率，U表示四舍五入取整运算，R为实时的横摇值，Θ为波束形成的 指向角，1。为阵元间距，C为瞬时的声速值；
[0012] 步骤7)将计算得出的连续子阵间的理论相位差eJ胃"。对步骤6)中生成的波束信 号进行补偿，并同时补偿多普勒频移产生的相位，其中，τ。=dcsin(Θ+R〇ll)/c，d。 表示两连续子阵的延时参考点间距离。
[0013] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)的每个子阵中各基元与该子阵延 时参考点的延时差表示为
其中，Θ为波束形成的指向角，1。 为阵元间距，C为瞬时的声速值，m= 1，2…M，Μ表示线阵的基元个数，R为实时的横摇值。
[0014] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中延时参考点的数字信号的复信 号表W为;
[0015]
[0016] 其中，t为时间，经数字采样后t=rVfg，η为数字采样序列序号，fg为采样频率， fk为第k个频带信号的中必频率，k= 1，2···，K，K表示频带信号个数，fd表示多普勒频移， 有(0表示著賊下变频后的基带信号的复信号形式。
[0017] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤3)中的正交解调所得到各基元的复 信号表示为：
[0018]
[0019] 其中，篇?-r。）表示在正交解调前第m个基元接收到数字信号的复信号。
[0020] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤5)中生成的波束信号表示为：
[0021]
[0022] 其中，am为波束形成的加权系数 fsi为延时 > 加权求和之前的信号速率，U表示四舍五入取整，R为实时的横摇值。
[0023] 本发明的一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法的优点在于：
[0024]本发明的多普勒频移校正方法引入了随机相位误差巧日多普勒频移产 生的相位，并通过相位补偿W消除波束形成指向及测深误差的影响；根据仿真结果表 明，利用本发明的多普勒频移的校正方法可w消除随机相位误差，有效的校正多普勒频移。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明实施例中的多普勒频移校正方法的流程图。
[0026] 图2是相位不一致性为10度的12基元波束指向性图。
[0027] 图3是相位不一致性为10度的接收基元测深结果图。
[0028] 图4是发射信号为简单脉冲信号情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正 前后的相位差曲线图。
[0029] 图5是发射信号为简单脉冲信号情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正 前后的水深测量结果示意图。
[0030] 图6是发射信号为线性调频信号情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正 前后的相位差曲线图。
[0031] 图7是发射信号为线性调频信号情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正 前后的水深测量结果示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明所述一种基于下变频波束形成中的多普勒频移 校正方法进行详细说明。
[0033] 当发射信号为简单脉冲信号情况下，多普勒频移对下变频波束形成的影响的具体 分析如下所述：
[0034] 对于简单脉冲信号来说，两个连续子阵的延时参考点分别为两个子阵的几何中 必，其之间的距离为d。，记作参考点一和参考点二。接收阵延时参考点一所接收到的数字信 号的复信号可表示为：
[0035] X(,')二兩(0e丹的扣抑 （1)
[0036] 其中，t为时间，经数字采样后t=n化，n为数字采样序列序号，n= 为 采样频率，fk为第k个频带信号的中必频率，k= 1，2···，K，K表示频带信号个数，多普勒频 移为fd。馬(0表示巧巧下变频后的基带信号的复信号形式。此时，第m个接收基元接收到 数字信号的复信号可表示为：
[0037]
(2)
[003引其中，m= 1，2···Μ，Μ为线阵的基元个数。各基元与延时参考点之间的延时差τm可表不为：
[0039]
(i)
[0040] 其中，1。为阵元间距，C为瞬时的声速值，Θ为波束形成的指向角，R为实时的横 滚。对阵列接收到的数字信号Wfk的频率进行解调，解调后的信号可表示为：
[0041]
抖)'
[0042] 在进行延时加权求和时需要进行载波相位补偿，其补偿项为6-/^^*'"，则第一子阵 波束形成后的信号可表示为：
[004引
例
[0044] 其中，am为波束形成的加权系数，
fsi为延时 加权求和之前的信号速率，U表示四舍五入取整，R为实时的横摇值。
[0045] 相类似地，参考点二接收到数字信号的复信号可表示为：
[0046]
(6)
[0047] 其中，τ。=d〇sin(Θ+R〇ll)/c，其为两个连续子阵参考点接收到数字信号的理论 延时。重复W上（1)~（5)的推导，可W得到第二子阵波束形成后的信号可表示为：
[004引
巧
[0049] 我们期望的下变频波束形成结果为基带信号同相累加，即；
[0050]
W
[00川其中，各ω表示S灼的期望值。
[0052] 对比上述（5)式和（8)式可W看出，多普勒频移对下变频波束形成影响存在两 个误差项。误差项一；信号整体的多普勒相移误差项二：各个基元上的相位误差
[0053] 上述误差项一所引起信号整体的多普勒频移，对简单脉冲信号的幅度没有影响。 该误差项一可W通过测量，并在波束形成后的多普勒频移校正去除。
[0054] 上述误差项二为加在各个接收基元上的随机相位误差，该误差的大小与波束形成 之前的采样率fsl和多普勒频移fd有关。由于τ'm为TmWfd速率量化后再乘Wfsl，女口 果需要进行横滚的波束稳定并大角度偏转，可认为各个基元的延时量Tm呈连续的单调函 数，因此τm-τ'm可表示为均匀分布的量化误差，τm-τ'm的概率密度函数表示式为：
[0055]
傅）
[005引其中，e(m)为延时误差，量化间隔Δ= 1化1，则误差项二引起的相位误差的均方 根表示为：
[0057]
〇0)
[0058] 由于两子阵的对称性，两子阵的基元的相位误差分布相同，因此该误差项二对两 子阵波束形成后之间的相位差影响较小。在一般情况下，水声换能器的接收基元都会有一 定的随机相位误差，其高频阵相位误差均方根的典型值为10度。如果不对误