一种宽带弱信号增强方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种宽带弱信号增强方法与装置，利用宽带信号的空间特征将其等效为多个相邻来向的窄带阵列信号，利用单源点估计每个信号的延迟矢量，进一步求得信号在不同调频点上的导向矢量和干扰加噪声协方差矩阵，最后利用窄带波束形成器实现对宽带期望信号的空域滤波，通过多角度线性约束实现目标信号的无失真输出，实现了对宽带信号的增强，得到更纯净的无人机遥控信号。本发明专利技术无需利用抽头延迟线，有效降低了系统复杂度和信号处理维度，更有利于工程实践。此外，本发明专利技术通过构造干扰加噪声协方差矩阵将期望信号从原有协方差矩阵中去除，从而提高波束形成的稳健性，且运算速度优于传统信号增强方法。

A Wideband Weak Signal Enhancement Method and Device

The present invention relates to a wideband weak signal enhancement method and device, which is equivalent to several adjacent narrowband array signals by using the spatial characteristics of the wideband signal, estimates the delay vectors of each signal by using a single source point, and further obtains the direction vectors and interference plus noise covariance matrices of the signals at different FM points. After that, narrow-band beamformer is used to realize spatial filtering of broadband desired signal, and multi-angle linear constraints are used to achieve undistorted output of target signal, which enhances broadband signal and achieves more pure UAV remote control signal. The invention does not need to use tap delay line, effectively reduces system complexity and signal processing dimension, and is more conducive to engineering practice. In addition, by constructing interference plus noise covariance matrix, the desired signal is removed from the original covariance matrix, thereby improving the robustness of beamforming, and the operation speed is superior to the traditional signal enhancement method.

【技术实现步骤摘要】
一种宽带弱信号增强方法与装置
本专利技术属于微弱目标增强
，具体涉及一种宽带弱信号增强方法与装置。
技术介绍
近些年来，随着隐身技术和调频技术的不断发展，对隐身目标的探测愈发困难。其主要原因是目标信号十分微弱，导致后续的特征提取、测速、定位等操作无法有效实施。因此，需要对目标信号进行增强，实现同时多目标处理的宽带信号增强技术。基于阵列的宽带自适应波束形成技术能够在干扰来向未知的条件下有效增强期望信号并抑制干扰和噪声。经典的宽带波束形成结构是Frost宽带弱信号增强装置，其结构如图1所示。接收信号首先经过预延迟补偿模块，补偿期望信号在不同阵元间的传播延迟，使其等效为0°方向入射，然后在每个阵元后接一组抽头延迟线，即在空域采样的基础上增加时域采样，最后通过调整不同抽头延迟线上的加权系数实现期望信号的增强和干扰信号的抑制。在Frost宽带弱信号增强装置的基础上，国内外学者先后提出了多种稳健宽带自适应波束形成算法，如对角加载算法、最差性能最优算法、恒定束宽算法等。以上算法均是利用基于抽头延迟线(TappedDelay-Lines,TDL)的宽带弱信号增强装置，除了TDL结构外，作者Ghavami又提出了一种基于阵元延迟线(SensorDelay-Lines,SDL)的宽带弱信号增强装置，其结构如图2所示，它利用信号在阵元间的传播延迟代替抽头延迟，每个阵元仅连接一个权系数，并且基于TDL结构的大多数波束形成算法可直接应用于基于SDL的波束形成器。基于上述两种结构的宽带波束形成算法能够在复杂的电磁环境中提出期望信号，取得良好的空域滤波效果。然而它们存在系统结构复杂、计算量大的问题，信号处理维度由M维上升到M×J维(M表示阵元个数，J表示延迟线个数)，自适应波束形成通常需要进行矩阵求逆或迭代，维数的增加会导致计算量急剧上升，从而增加系统运算负担、降低运算效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种宽带弱信号增强方法与装置，用于解决现有宽带弱信号增强方法的计算量大导致增加运算负担、运算效率低的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种宽带弱信号增强方法，包括以下步骤：1)利用宽带信号中期望信号的估计入射角度补偿期望信号在不同天线阵元上的传播时延，补偿后在各天线阵元上得到入射角度为设定入射角度的宽带信号；2)将每个宽带信号等效到同一频率下形成不同入射角度的窄带阵列信号的叠加，将宽带信号的导向矢量等效成窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量，该入射角度区间为所述不同入射角度的角度区间，根据所述窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量构建窄带阵列信号模型；3)计算窄带阵列信号模型的协方差矩阵，计算入射角度为所述设定入射角度的导向矢量，根据所述协方差矩阵和导向矢量计算加权矢量；4)根据加权矢量和所述补偿后得到的宽带信号，确定宽带信号中的期望信号。本专利技术创造性的将某一来向的宽带阵列信号等效为多个相邻来向的窄带阵列信号，将宽带信号的导向矢量等效成窄带阵列信号在设定入射角度区间的导向矢量，据此构建窄带阵列信号模型，并根据窄带阵列信号模型求取加权矢量，从而实现宽带波束形成，降低了运算维度，计算量小、运算效率高。为了增强波束形成的稳健性，步骤3)中，当干扰信号的入射角度已知时，根据干扰信号的入射角度和窄带阵列信号模型的协方差矩阵计算干扰信号的协方差矩阵，将所述干扰信号的协方差矩阵和估计的噪声协方差矩阵相加得到干扰加噪声协方差矩阵，根据干扰加噪声协方差矩阵和导向矢量计算得到加权矢量。当干扰信号的入射角度未知时，根据窄带阵列信号模型的协方差矩阵构造干扰加噪声协方差矩阵，根据干扰加噪声协方差矩阵和导向矢量计算得到加权矢量，所述干扰加噪声协方差矩阵的公式如下：式中，为干扰加噪声协方差矩阵，为窄带阵列信号模型的协方差矩阵的逆矩阵，为干扰和噪声来向区间，为窄带阵列信号的入射角度，表示频率为fh、入射角度为的窄带阵列信号的导向矢量，为的共轭转置矩阵。作为对加权矢量的进一步限定，所述加权矢量是根据所述设定入射角度的导向矢量以及所述窄带阵列信号模型的协方差矩阵或干扰加噪声协方差矩阵，并利用最小功率无失真响应方法得到的。或者，所述加权矢量是根据所述设定入射角度的导向矢量以及所述窄带阵列信号模型的协方差矩阵或干扰加噪声协方差矩阵，并利用多角度约束方法得到的。作为对最小功率无失真响应方法的进一步限定，利用所述最小功率无失真响应方法求加权矢量的公式为：式中，w为加权矢量，为窄带阵列信号模型的协方差矩阵的逆矩阵，a0为入射角度为设定入射角度的导向矢量。作为对多角度约束方法的进一步限定，利用多角度约束方法求加权矢量w的公式为：式中，w为加权矢量，为干扰加噪声协方差矩阵的逆矩阵，C为约束矩阵，C＝[a(fh,-Δθ),a0,a(fh,Δθ)]，其中，a0为入射角度为设定入射角度的导向矢量，a(fh,Δθ)为频率为所述宽带信号的最高频率fh、入射角度为最大估计偏差的导向矢量，a(fh,-Δθ)为频率为所述宽带信号的最高频率fh、入射角度为最大估计偏差取负值的导向矢量，h为相应向量，为了将宽带信号等效为具有相同频率、不同入射角度的窄带阵列信号的叠加，步骤2)所述宽带信号的等效公式为：式中，为时刻t的宽带信号，为在时刻t、频率fi上的窄带阵列信号，fi∈[fl,fh]表示频率fi的范围在所述宽带信号的最低频率fl和最高频率fh之间。所述窄带阵列信号模型为：式中，为等效的时刻t的窄带阵列信号，为窄带阵列信号的入射角度区间，为根据频率fh、入射角度的窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量。进一步，所述宽带波束形成的输出信号公式为：式中，y(t)为所述宽带波束形成的输出信号，wH为加权矢量w的，为进行所述补偿后得到的宽带信号。为解决上述技术问题，本专利技术还提出一种宽带弱信号增强装置，包括补偿单元、窄带阵列信号模型构建单元、加权矢量计算单元和输出单元，其中：补偿单元用于利用宽带信号中期望信号的估计入射角度补偿宽带信号在不同天线阵元上的传播时延，补偿后在各天线阵元上得到入射角度为设定入射角度的宽带信号；窄带阵列信号模型构建单元用于将每个宽带信号等效到同一频率下形成不同入射角度的窄带阵列信号的叠加，将宽带信号的导向矢量等效成窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量，该入射角度区间为所述不同入射角度的角度区间，根据所述窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量构建窄带阵列信号模型；加权矢量计算单元用于计算窄带阵列信号模型的协方差矩阵，计算入射角度为所述设定入射角度的导向矢量，根据所述协方差矩阵和导向矢量计算加权矢量；输出单元用于根据加权矢量和所述补偿后得到的宽带信号，确定宽带信号中的期望信号。进一步，所述加权矢量计算单元还用于：当干扰信号的入射角度已知时，根据干扰信号的入射角度和窄带阵列信号模型的协方差矩阵计算干扰信号的协方差矩阵，将所述干扰信号的协方差矩阵和估计的噪声协方差矩阵相加得到干扰加噪声协方差矩阵，根据干扰加噪声协方差矩阵和导向矢量计算得到加权矢量。当干扰信号的入射角度未知时，根据窄带阵列信号模型的协方差矩阵构造干扰加噪声协方差矩阵，根据干扰加噪声协方差矩阵和导向矢量计算得到加权矢量，所述干扰加噪声协方差矩阵的公式如下：式中，为干扰加噪声协方差矩阵，为窄带阵列信号模型的协方差矩阵的逆矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带弱信号增强方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用宽带信号中期望信号的估计入射角度补偿期望信号在不同天线阵元上的传播时延，补偿后在各天线阵元上得到入射角度为设定入射角度的宽带信号；2)将每个宽带信号等效到同一频率下形成不同入射角度的窄带阵列信号的叠加，将宽带信号的导向矢量等效成窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量，该入射角度区间为所述不同入射角度的角度区间，根据所述窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量构建窄带阵列信号模型；3)计算窄带阵列信号模型的协方差矩阵，计算入射角度为所述设定入射角度的导向矢量，根据所述协方差矩阵和导向矢量计算加权矢量；4)根据加权矢量和所述补偿后得到的宽带信号，确定宽带信号中的期望信号。

【技术特征摘要】
1.一种宽带弱信号增强方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用宽带信号中期望信号的估计入射角度补偿期望信号在不同天线阵元上的传播时延，补偿后在各天线阵元上得到入射角度为设定入射角度的宽带信号；2)将每个宽带信号等效到同一频率下形成不同入射角度的窄带阵列信号的叠加，将宽带信号的导向矢量等效成窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量，该入射角度区间为所述不同入射角度的角度区间，根据所述窄带阵列信号在入射角度区间的导向矢量构建窄带阵列信号模型；3)计算窄带阵列信号模型的协方差矩阵，计算入射角度为所述设定入射角度的导向矢量，根据所述协方差矩阵和导向矢量计算加权矢量；4)根据加权矢量和所述补偿后得到的宽带信号，确定宽带信号中的期望信号。2.根据权利要求1所述的宽带弱信号增强方法，其特征在于，步骤3)中，当干扰信号的入射角度已知时，根据干扰信号的入射角度和窄带阵列信号模型的协方差矩阵计算干扰信号的协方差矩阵，将所述干扰信号的协方差矩阵和估计的噪声协方差矩阵相加得到干扰加噪声协方差矩阵，根据干扰加噪声协方差矩阵和导向矢量计算得到加权矢量。3.根据权利要求1所述的宽带弱信号增强方法，其特征在于，步骤3)中，当干扰信号的入射角度未知时，根据窄带阵列信号模型的协方差矩阵构造干扰加噪声协方差矩阵，根据干扰加噪声协方差矩阵和导向矢量计算得到加权矢量，所述干扰加噪声协方差矩阵的公式如下：式中，为干扰加噪声协方差矩阵，为窄带阵列信号模型的协方差矩阵的逆矩阵，为干扰和噪声来向区间，为窄带阵列信号的入射角度，表示频率为fh、入射角度为的窄带阵列信号的导向矢量，为的共轭转置矩阵。4.根据权利要求1-3任一项所述的宽带弱信号增强方法，其特征在于，所述加权矢量是根据所述设定入射角度的导向矢量以及所述窄带阵列信号模型的协方差矩阵或干扰加噪声协方差矩阵，并利用最小功率无失真响应方法得到的。5.根据权利要求1-3任一项所述的宽带弱信号增强方法，其特征在于，所述加权矢量是根据所述设定入射角度的导向矢量以及所述窄带阵列信号模型的协方差矩阵或干扰加噪声协方差矩阵，并利用多角度约束方法得到的。6.根据权利要求1所述的宽带弱信号增强方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡德秀，刘亚奇，赵拥军，刘智鑫，赵勇胜，刘成城，赵砚，白航，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南,41