時域、空域對偶性


厚着臉皮要在同事公眾號上寫篇文章,盡量淺顯、與專業相關,選了這個主題。


 一、時域與空域特性

以遠場模型(平面波)為例,假設均勻線陣接收的為窄帶信號,假設相鄰振元間隔為d,入射角為

從空域坐標來看,相鄰振元的間隔為:

等價到時間軸來看,采樣點的間距為:,對應時間間隔為:

 

二、時、空域與采樣定理

  A-空域角度理解

相鄰振元的相位差為:

以干涉儀為例,如果存在相位模糊,有

k為非零整數,如果希望不出現相位模糊

對應掃描邊界,則有

容易證明,同干涉儀一樣,均勻線陣譜估計中的導向矢量,如果不滿足上面的約束條件,同樣會有多峰的問題。

  B-時域角度理解

前文提到,采樣點對應的時間間隔為,即采樣周期。空域均勻線陣對應時域均勻采樣,采樣頻率:

入射信號的頻率為:

如果采樣無混疊,需要滿足Nyquist采樣定理:

該約束條件等價於:

可以看出均勻線陣的相位無模糊對應時域均勻采樣的奈奎斯特定理。多說一句,如果是非均勻線陣、圓陣等形式,可以理解成對應維度的非均勻采樣;從空域角度理解,非均勻陣列可以解決模糊問題,從時域角度理解,稀疏采樣/非均勻采樣可以突破奈奎斯特采樣定理。

 

三、時、空域及MVDR算法

波束形成主要對感興趣的方向進行增強/抑制,而譜估計更多是參數估計問題,前者操作多為主動,后者操作多為被動,MVDR算法對二者均適用。這里暫且拋開應用場景,僅從時、空角度理解MVDR的等價性。

接着上文的時域、空域思路,這里先從時域的角度來表述,為了簡化均不考慮加窗情形。

  A-時域角度理解

對於N點均勻采樣的信號,對其進行傅里葉變換:

的相關函數為:

容易證明有如下對應關系:

而相關函數對應的傅里葉變換為功率譜密度,可以求解功率譜密度:

  B-空域角度理解

 N個均勻線陣接收單元,對應的波束形成為:

即空域的波束形成可以理解為時域的傅里葉變換,

從而空域的功率譜密度可以等價為:

考慮到時域、空域具有等價性,空域的功率譜這么理解是合理的。

現在以常用的MVDR算法來理解這種等價性(MUSIC等譜估計算法的譜與波束形成完全不同,這里僅從時、空等價性上討論“譜”的概念):

接收信號:

MVDR就是含有等式約束的最優化問題:

可以求解:

這個時候,如果將最優的w帶入y,空域角度理解:y對應就是波束形成的結果。時域角度理解:y對應為傅里葉變換的結果。

通常MVDR的結果為的輸出,根據上文分析可知,該結果從時域理解就是功率譜(差一個常數),所以從空域角度稱作“譜”其實也是可以被接受的,對應功率(譜):

因為這是在空域,為了與時域功率譜的名字加以區別,可以稱其為空間譜。

具體空間譜名稱怎么由來,本文並沒有考證。本文只是提供了一種理解“空間譜”名稱的角度,至少MUSIC等算法的“譜”便與此不同,或許MUSIC等算法只是繼承了“空間譜”這個名詞也未可知。


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