当宽带信号的入射方向偏离阵列指向时,它的各频率分量在传统宽带波束形成器的输出会出现不同程度的衰减,造成信号失真(主要是幅度失真)。这种现象是由传统的宽带波束形成器在各频点的波束宽度反比于频率大小引起的,它等效于波束形成器对输入信号进行了低通滤波。为解决这个问题,我们需要设计频率不变波束形成器。本文将对这个问题展开研究,其主要内容可概括为如下几部分:第一部分主要介绍了阵列波束形成器结构,给出了本文研究的前提条件,并引出了本文将要研究的内容。首先介绍了窄带波束形成器结构。鉴于该结构在宽带工作场景下的局限性,之后又接着介绍了宽带波束形成器。在研究了传统宽带波束形成器性能上的不足之后,作者引出了本文研究的重点—频率不变波束形成器设计。第二部分研究了基于凸优化的频率不变波束形成器设计方法。首先介绍了基于参考波束的全局设计方法。该算法的性能好坏很大程度上取决于所设计的参考波束的质量,而设计一个性能最优的参考波束一般比较困难。为避免设计参考波束,又介绍了基于空间响应变化(SRV)约束的全局设计方法。由于这两种方法都是一次性优化所有的时域加权系数,待优化变量的维数一般比较大,这导致凸优化工具箱求解比较困难,限制了该方法在阵元数较大或抽头数较多情况下的应用范围。针对这个问题,作者接着介绍了分步设计方法。该算法把时域加权系数的优化方法分解为“空域滤波器优化”和“时域滤波器优化”两个独立的步骤。尽管该方法的设计精度比直接优化法略低,但由于它降低了每一步中优化变量的维数,从而很大程度上增大了凸优化方法在宽带波束形成器设计中的应用范围。第三部分研究了基于傅里叶变换的频率不变波束形成器的设计方法。针对以往文献中未能解决的参考波束的设计问题,提出了一种参考波束设计方法。在该方法中,首先推导了无约束参考波束的设计问题中参考加权向量长度和信号带宽的关系式;基于这个关系,接着提出了一种存在约束条件下的参考波束的设计方法。所提方法提高了参考波束的设计效率,且适用于任何依赖参考波束的频率不变波束形成器设计方法。第四部分研究了一类基于插值重采样的频率不变波束形成器的设计方法。文中介绍了两种方法:Sinc函数插值重采样法和DFT插值重采样法。作者研究发现:在这类算法中,插值结果实际上都要被截断,因而它们都会受到截断误差的影响。截断误差对各频率对应方向图的影响随着频率的降低而增大。参考频率的选择也会影响这类算法的性能。当入射频率大于参考频率时,波束形成器在该频率对应的方向图可能会受到频谱混叠的影响。当信号的相对带宽比较大时,这种影响会使得最终设计的波束形成器的频率不变性能大为降低。为了使最终设计的宽带波束在整个感兴趣的频率范围具有较好的频率不变性,参考频率最好选为阵列工作频带的最高频率。论文的工作完善了关于这类方法性能分析方面的理论。第五部分比较了文中介绍的几种算法的性能,并指出了论文工作的不足之处和有待进一步解决的问题。