一种自适应稳健波束形成方法技术

本发明专利技术涉及一种自适应稳健波束形成方法，包括：计算传感器阵列接收信号的协方差矩阵Rx。规划对Rx的空域功率采样点。计算出另4组采样点。计算5组采样矩阵。利用这5组采样矩阵重构协方差矩阵。得到波束形成矢量，即各阵元复加权值。本发明专利技术能够提高自适应天线波束形成抗干扰、抗阵列系统误差性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自适应阵列天线控制领域，尤其涉及一种抗阵列系统误差的稳健波束形成方法。
技术介绍
自适应波束形成技术是阵列信号处理领域的一个重要的研究内容，在无线通信、水声信号处理、医疗成像、太空无线电、雷达信号处理等领域具有广泛的应用[1][2][3][4][5]。然而，自适应波束形成器的性能极容易受到导向矢量误差的影响[6]。导向矢量误差的产生通常由波达角估计误差和阵型误差造成。当导向矢量存在误差时，传统的自适应波束形成器会把期望信号当作干扰而抑制，其性能会急剧下降，这种现象被称为期望信号对消。因此，克服导向矢量误差的稳健的波束形成技术成为该课题的研究热点[6][7][8][9]。在这些研究中，最小方差无失真(MinimumVarianceDistortionlessResponse:MVDR)波束形成技术备受瞩目，文献[10]总结了一些稳健MVDR波束形成技术的设计准则，如旁瓣对消、对角加载、主空间投影等。基于MVDR波束形成技术，为提高其稳健性，有一些优秀的改进算法被陆续提出[7][8][9]。文献[7]中提出一种基于最差情况最优化思想的稳健波束形成算法，对多种失配情况具有稳健性。文献[8]提出一种迭代修正导向矢量的方法，通过优化选择导向矢量的正交向量，克服导向矢量误差。文献[9]基于文献[8]，研究使用最少的信息实现稳健波束形成。这些基于MVDR的波束形成技术利用对期望信号波达角的模糊估计，通过修正期望信号的导向矢量增强系统的稳健性。修正导向矢量的方法虽然能在一定程度上克服导向矢量失配造成的误差，但当期望信号信噪比较大时，修正导向矢量的波束形成方法无法达到最佳效果。同时，对导向矢量的修正通过优化问题迭代求解，计算量较大。针对这些问题，[11]提出一种干扰加噪声协方差矩阵(INC)重构的波束形成方法，通过去除协方差矩阵中期望信号的信息，实现期望信号对消现象的彻底解决。但由于该方法涉及能量谱估计及积分运算，运算量仍然较大。参考文献：[1]VANVEENB.D.andBUCKLEYK.M.,Beamforming:aversatileapproachtospatialfiltering[J].IEEEASSPMagazine,19885(2):4-24.[2]刘锋聪.稳健自适应波束形成算法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012.[3]鄢社锋,马远良.传感器阵列波束优化设计及应用[M].北京:科学出版社,2009.[4]程晶,唐亮,郑敏,基于角度扩展的稳健自适应波束形成算法[J].计算机应用,2014,34(S1):15-17.[5]曾浩,郑芳,袁昂飞,黄天聪,多用户数字波束形成中的目标辨识方法[J],计算机应用,201131(1):229-231.[6]VOROBYOVS.A.,GERSHMANA.B.,andLUOZ.Q.,Robustadaptivebeamformingusingworst-caseperformanceoptimization:Asolutiontothesignalmismatchproblem[J],IEEETransactionsonSignalProcessing,200351(2):313-324.[7]STOICAP.,WANGZ.andLIJ.,Robustcaponbeamforming[J].IEEESignalprocessingletters,200310(6):172-175.[8]HASSANIENA.,VOROBYOVS.A.,andWONGK.M.,RobustAdaptiveBeamformingUsingSequentialQuadraticProgramming:AnIterativeSolutiontotheMismatchProblem[J].IEEESignalProcessingLetters,200815:733-736.[9]KHABBAZIBAMENJA.,VOROBYOVS.A.,andHASSANIENA.,RobustAdaptiveBeamformingBasedonSteeringVectorEstimationWithasLittleasPossiblePriorInformation[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,201260(6):2974-2987[10]VOROBYOVS.A.,Principlesofminimumvariancerobustadaptivebeamformingdesign[J].SignalProcessing,201393:3264-3277.[11]GuY.,LESHEMA.,Robustadaptivebeamformingbasedoninterferencecovariancematrixreconstructionandsteeringvectorestimation[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,201260:3881-3885.[12]FUEREIJ.R.,Theoryandapplicationofcovariancematrixtapersforrobustadaptivebeamforming[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,199947:977-985.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够提高自适应天线波束形成抗干扰、抗阵列系统误差性能的快速稳健的波束形成方法。本专利技术的技术方案如下：一种自适应稳健波束形成方法，包括下列步骤：步骤一：计算由N次快拍采样的接收信号xn构建传感器阵列接收信号的协方差矩阵Rx。步骤二：规划对Rx的空域功率采样点：把先验的来波信号角度范围Θ的中心点设为采样点序列的初始点设阵元个数为M，除初始点再规划M-1个采样点，记为且满足步骤三：计算出另4组采样点：令Δ＝Θ/5，则k＝1,2,3,4，满足步骤四：计算5组采样矩阵：将步骤二和三中各个采样点的导向矢量i＝0,1,…,M，k＝0,1,2,3,4排列成矩阵则可得采样矩阵k＝0,1,2,3,4，其中，(·)H是Hermitian转置运算。步骤五：利用这5组采样矩阵重构协方差矩阵如下式所示。步骤六：得到波束形成矢量，即各阵元复加权值。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对[11]所提方法的问题，提出一种避免功率谱估计及积分运算的方法，不仅保留了原方法对散射干扰、波达角模糊等问题的稳健性，而且具有计算复杂度低，实现简单的优点。其性能与[11]所提方法的性能一致，但计算复杂度大大降低，具有很强的工程实用性。本专利技术能根据期望信号波达角的模糊范围，自适应形成波束，并自适应在干扰方向形成零陷，抑制干扰信号，不需要知道干扰的方位角。本专利技术对存在期望信号散射的情况及波达角估计不准确的情况具有很好的稳健性。本专利技术在22个以上的中等规模阵列的应用中能获得最好的效果。附图说明图1为阵元数为M的结构示意图。具体实施方式步骤一：由N次快拍采样的接收信号xn构建传感器阵列接收信号的协方差矩阵：步骤二：规划对Rx的空域功率采样点。把先验的来波信号角度范围Θ的中心点设为采样点序本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应稳健波束形成方法，包括下列步骤：步骤一：计算由N次快拍采样的接收信号xn构建传感器阵列接收信号的协方差矩阵Rx。步骤二：规划对Rx的空域功率采样点：把先验的来波信号角度范围Θ的中心点设为采样点序列的初始点设阵元个数为M，除初始点再规划M‑1个采样点，记为且满足步骤三：计算出另4组采样点：令Δ＝Θ/5，则k＝1,2,3,4，满足步骤四：计算5组采样矩阵：将步骤二和三中各个采样点的导向矢量k＝0,1,2,3,4排列成矩阵则可得采样矩阵k＝0,1,2,3,4，其中，(·)H是Hermitian转置运算。步骤五：利用这5组采样矩阵重构协方差矩阵如下式所示。R~i+n=Σk=04Sk·Rx·Sk.]]>步骤六：得到波束形成矢量，即各阵元复加权值。w=R~i+n-1d(θ0(0))dH(θ0(0))R~i+n-1d(θ0(0))]]>

【技术特征摘要】
1.一种自适应稳健波束形成方法，包括下列步骤：步骤一：计算由N次快拍采样的接收信号xn构建传感器阵列接收信号的协方差矩阵Rx。步骤二：规划对Rx的空域功率采样点：把先验的来波信号角度范围Θ的中心点设为采样点序列的初始点设阵元个数为M，除初始点再规划M-1个采样点，记为且满足步骤三：计算出另4组采样点：令Δ＝Θ/5，则k＝1,2,3,4，满足步骤四：计算5组采样矩阵：将步骤二和三中各个采样点的导向矢量k＝0,1,2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张震宇，冷文，王安国，石和平，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12