13、自适应波束形成技术详解

自适应波束形成技术详解

1. 自适应波束形成概述

自适应波束形成旨在通过巧妙地将波束图中的零陷指向干扰源方向，优化期望方向上的信噪比（SNR）。从物理角度看，在任何给定频率下，空间非相干噪声（来自各个方向的随机噪声波）的波束宽度和信噪比由物理规律决定，而非信号处理算法。阵列越大，若所有阵列元素间距小于半个波长，在期望方向上的信噪比提升就越大。阵列元素越多，在不产生空间混叠的情况下，能唯一指定波数的时间频率带宽就越宽。

当多个源从不同方向辐射相同的时间频率时，需要分辨这些源及其方向，并恢复各个源的波数幅度。例如，在声纳中，大边界引起的干扰反射；在无线电通信中，天线阵列用于控制多径信号抵消；在结构声学中，通过适当处理加速度计数据来分离振动模式。

波束形成可应用于宽带和窄带信号。阵列传感器之间的空间互相关是方向（波数）信息的来源，因此时域波形是宽带（包含多个频率）还是窄带（如主导正弦波）在物理上并无区别。但从信号处理角度看，窄带信号存在问题，因为空间互相关函数也是正弦函数。对于宽带信号，空间互相关函数会产生狄拉克δ函数，代表传感器阵列上的到达时间差。窄带空间互相关是相移波数，多个到达角度对应波数或模式的总和，这就是特征值解法如此直接的原因。然而，从多个方向到达传感器阵列的窄带频率辐射源必须在相位上独立，空间互相关才能唯一。

2. 阵列“零陷形成”

传统自适应波束形成的基本思想是利用接收到的部分信号信息，提高阵列在期望方向上输出的信噪比。通常，通过将阵列“零陷”（零输出响应方向）指向期望方向以外的有用方向，抑制其他“干扰”源，从而提高信噪比（实际上是信号与干扰比）。阵列的信噪比增益和期望方向波束宽度仍由波长与孔径比决定，但通过自适应地在干扰源方