快速任意形状方向图主瓣保形自适应波束形成方法技术

本发明专利技术涉及一种快速任意形状天线方向图主瓣保形自适应波束形成方法，包括以下步骤：选取主瓣协方差矩阵的主特征向量构建主瓣区增益线性约束矩阵，同时确定其对应的约束响应向量，构建包含权重向量二次约束的线性约束最优波束形成器模型；放松对权重向量的二次约束要求，得到GSC架构下对角加载协方差矩阵结构的闭式最优权重向量表达式；通过迭代方程估计满足二次约束条件的最优对角加载量，将此最优对角加载量代入到闭式自适应最优权重向量的表达式，得到主瓣保形自适应干扰抑制波束对应的权向向量。本发明专利技术在GSC架构下实现任意形状天线方向图主瓣保形约束下的快速自适应抗干扰，兼顾了方向图主瓣保形性能的同时有效的降低了计算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
快速任意形状方向图主瓣保形自适应波束形成方法
本专利技术属于阵列天线空域自适应抗干扰领域，具体涉及一种快速任意形状方向图主瓣保形自适应波束形成方法。技术背景目前针对数字阵列天线的任意形状方向图综合算法，包括任意形状静态方向图综合算法和带零陷的任意形状方向图综合算法，都是构建在综合得到的方向图与期望方向图的均方误差最小准则下的方向图逼近优化，当需要形成零陷方向图实现干扰空域抑制时，必须先对所有干扰进行波达角度估计。而自适应数字波束形成算法，不需要干扰角度等先验信息，可以根据实时采样数据自适应地计算权重系数，产生自适应零陷实现干扰抑制，并保持高增益主瓣对准目标。目前，已有大量自适应数字波束形成算法，线性约束最小方差(LinearConstraintMinimumVariance,LCMV)自适应波束形成器是其中最经典一种算法。算法对旁瓣干扰的自适应抑制效果优异，但当主瓣存在干扰时，LCMV算法会出现主瓣形状畸变的问题，这严重地限制了自适应波束形成技术在主瓣干扰条件下的应用。现有的稳健自适应波束形成算法主要用于提高存在波束指向偏差、阵列随机误差或者存在主瓣干扰情况下，自适应波束形成算法的稳健性问题。这些稳健算法具有方向图保形能力，比如对角加载波束形成器，其主要的问题是加载量选择也比较困难。另外，目前基本所有的稳健波束形成算法都是针对点波束或者和差波束的优化，宽角度覆盖范围任意静态方向图的主瓣保形问题仍是主瓣保形条件下的自适应波束形成干扰抑制技术的主要难点。解决宽波束覆盖的问题可以通过均匀选取主瓣内若干个方向上的导向矢量，构成均匀约束矩阵，控制主瓣区增益，但对于波束宽度较宽的波束来说这种方法难以控制主瓣内增益的波动性，且主瓣内的需要约束的方向难以选取，因此主瓣约束的确定对主瓣保形尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种快速任意形状方向图主瓣保形自适应波束形成方法。实现本专利技术目的的技术方案为：一种快速任意形状天线方向图主瓣保形自适应波束形成方法，包括以下步骤：步骤1，根据主瓣区覆盖范围定义主瓣协方差矩阵，选取主瓣协方差矩阵的主特征向量构建主瓣区增益线性约束矩阵，同时确定其对应的约束响应向量，构建包含权重向量二次约束的线性约束最优波束形成器模型；步骤2，放松对权重向量的二次约束要求，得到GSC架构下对角加载协方差矩阵结构的闭式最优权重向量表达式；步骤3，通过迭代方程估计满足二次约束条件的最优对角加载量，将此最优对角加载量代入到步骤2中的闭式自适应最优权重向量的表达式，得到主瓣保形自适应干扰抑制波束对应的权向向量。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术不需要干扰角度估计，通过优化约束向量和采用自适应阵列理论，有效的解决了任意形状方向图主瓣保形约束条件下的旁瓣多干扰自适应抑制；(2)本专利技术的任意形状主瓣方向图保形性能好；通过主瓣协方差矩阵特征分解构建了主瓣子空间约束矩阵，主瓣区方向图保形性能大大优于相同约束维数下的均匀约束方法，线性约束效率高；(3)本专利技术的算法计算简单，运算量低；通过模约束的松弛和逼近，得出了最优权向量的闭式解表达式，且通过简单快速的迭代对引入的对角加载因子进行快速优化；所给出的GSC降秩结构，下支路自适应权重系数的维数低，计算量低。附图说明图1是本专利技术快速任意形状天线方向图主瓣保形自适应波束形成方法的算法实现流程图。图2是本专利技术快速任意形状天线方向图主瓣保形自适应波束形成方法在GSC架构下的实现框架图。图3是实施例中32阵元均匀直线阵的静态余割平方方向图。图4是实施例中主瓣子空间约束和均匀约束两种方法的均方误差比较图。图5是实施例中对角加载量γ与协方差矩阵相关参数的关系图。图6是实施例中存在一个旁瓣干扰情况下的干扰抑制性能图。图7是实施例中一个主瓣干扰和两个旁瓣干扰存在情况下的自适应CSP方向图。具体实施方式结合图1，一种快速任意形状天线方向图主瓣保形自适应波束形成方法，包括以下步骤：步骤1，根据主瓣区覆盖范围定义主瓣协方差矩阵，选取主瓣协方差矩阵的主特征向量构建主瓣区增益线性约束矩阵，同时确定其对应的约束响应向量。构建包含权重向量二次约束的线性约束最优波束形成器模型。步骤2，放松对权重向量的二次约束要求，得到GSC架构下对角加载协方差矩阵结构的闭式最优权重向量表达式；步骤3，通过迭代方程估计满足二次约束条件的最优对角加载量，将此最优对角加载量代入到步骤2中的闭式自适应最优权重向量的表达式，得到主瓣保形自适应干扰抑制波束对应的权向向量。进一步的，步骤1具体为：步骤1-1，首先构建主瓣协方差矩阵RΘ；在方向图主瓣区Θ内均匀选取Q个方向θi，由这Q个方向对应的阵列导向性矢量a(θi)通过公式计算主瓣协方差矩阵RΘ，i＝1,2,...,Q；选取时Q>>N，其中N为阵列阵元个数，保证RΘ为满秩矩阵；步骤1-2，构建主瓣区增益线性约束矩阵UΘ；对RΘ进行特征值分解，将特征值从大到小排列，λj为RΘ的第j个特征值，uj为对应的归一化特征向量；取前L个主特征向量构成主瓣子空间UΘ，其余特征向量构成主瓣子空间的正交补空间所构建空间分别表示为：UΘ＝(u1,u2,...,uL),以UΘ作为主瓣区增益线性约束矩阵；步骤1-3，确定线性约束矩阵的维数L；通过主瓣约束均方误差低于一定门限来确定，即式中，PΘ和PΘ⊥分别为UΘ和UΘ⊥的投影矩阵；同时，要求(N-L)的值必须大于干扰个数，N为实际阵列的阵元数。步骤1-4，确定最优波束形成器优化模型；优化问题的代价函数为：式中，wq为静态波束的归一化权重向量为约束响应向量，为权重向量的二次约束，wopt为最优权重系数。进一步的，步骤2具体为：步骤2-1，放松对权重向量的二次约束要求，约束松弛后的优化问题表示为其中，Rx为采样协方差矩阵，γ为对角加载量；步骤2-2，计算GSC架构下，上支路固定权重向量为下支路阻塞矩阵为下支路最优权重向量为其中，是z(k)的协方差矩阵，是z(k)和d(k)的互相关向量；因此，GSC架构下合成的最优权重向量为进一步的，步骤3具体为：步骤3-1，设置对角加载量的初值γ0＝0，迭代次数i＝0，对角加载量的期望估计精度为η＝1；步骤3-2，计算GSC架构下支路信号z(k)的协方差矩阵同时计算z(k)和d(k)的互相关向量K为采样快拍数量；步骤3-3，对Rz矩阵进行特征值分解Rz＝VDVH，D为对角矩阵，VVH＝I；步骤3-4，定义标量因子为：T0为天线增益损失因子，c1和c2为实常数；计算当前第i次迭代情况下d(γi)的值：步骤3-5，迭代次数i＝i+1，计算当前迭代次数情况下的对角加载量的值γi+1＝dp(γi)(γi+1)-1，p为正实数；步骤3-6，判断迭代停止条件γi+1-γi＜η是否得到满足，若满足则迭代停止，进入步骤3-7，若迭代停止条件不满足，则返回步骤3-4继续迭代。步骤3-7，此时的γ即为优化的对角加载量γopt，同时GSC下支路的最优权重最终得出，即下面结合附图对本专利技术做进一步说明。传统的LCMV波束形成器的权重向量是通过满足一系列线性约束条件下，最小化波束形成器输出功率，优化得到其中，C和f分别为N×L维约束矩阵及其对应的L×1维响应向量，Rx为采样协方差矩阵，通过阵列接收复基带信号的K个采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速任意形状天线方向图主瓣保形自适应波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据主瓣区覆盖范围定义主瓣协方差矩阵，选取主瓣协方差矩阵的主特征向量构建主瓣区增益线性约束矩阵，同时确定其对应的约束响应向量，构建包含权重向量二次约束的线性约束最优波束形成器模型；步骤2，放松对权重向量的二次约束要求，得到GSC架构下对角加载协方差矩阵结构的闭式最优权重向量表达式；步骤3，通过迭代方程估计满足二次约束条件的最优对角加载量，将此最优对角加载量代入到步骤2中的闭式自适应最优权重向量的表达式，得到主瓣保形自适应干扰抑制波束对应的权向向量。

【技术特征摘要】
1.一种快速任意形状天线方向图主瓣保形自适应波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据主瓣区覆盖范围定义主瓣协方差矩阵，选取主瓣协方差矩阵的主特征向量构建主瓣区增益线性约束矩阵，同时确定其对应的约束响应向量，构建包含权重向量二次约束的线性约束最优波束形成器模型；步骤2，放松对权重向量的二次约束要求，得到GSC架构下对角加载协方差矩阵结构的闭式最优权重向量表达式；步骤3，通过迭代方程估计满足二次约束条件的最优对角加载量，将此最优对角加载量代入到步骤2中的闭式自适应最优权重向量的表达式，得到主瓣保形自适应干扰抑制波束对应的权向向量。2.根据权利要求1所述的快速任意形状天线方向图主瓣保形自适应波束形成方法，其特征在于，步骤1具体为：步骤1-1，首先构建主瓣协方差矩阵RΘ；在方向图主瓣区Θ内均匀选取Q个方向θi，由这Q个方向对应的阵列导向性矢量a(θi)通过公式计算主瓣协方差矩阵RΘ，i＝1,2,...,Q；选取时Q>>N，其中N为阵列阵元个数，保证RΘ为满秩矩阵；步骤1-2，构建主瓣区增益线性约束矩阵UΘ；对RΘ进行特征值分解，将特征值从大到小排列，λj为RΘ的第j个特征值，uj为对应的归一化特征向量；取前L个主特征向量构成主瓣子空间UΘ，其余特征向量构成主瓣子空间的正交补空间所构建空间分别表示为：UΘ＝(u1,u2,...,uL),以UΘ作为主瓣区增益线性约束矩阵；步骤1-3，确定线性约束矩阵的维数L；通过主瓣约束均方误差低于一定门限来确定L，即式中，PΘ和PΘ⊥分别为UΘ和UΘ⊥的投影矩阵；同时，要求(N-L)的值必须大于干扰个数，N为实际阵列的阵元数。步骤1-4，确定最优波束形成器优化模型；优化问题的代价函数为：

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓峰，陆乐，盛卫星，韩玉兵，张仁李，周淼，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32