本发明专利技术公开了一种基于协方差矩阵扩展的半虚拟天线阵波束形成方法。包括以下步骤，步骤一：将阵列接收数据的协方差矩阵进行扩展，得到协方差扩展矩阵；步骤二：将天线阵列导向矢量进行扩展，得到半虚拟天线阵列的导向矢量；步骤三：计算基于协方差矩阵扩展的Capon波束形成器的最优权；步骤四：利用最优权进行波束赋形，得到阵列天线的输出数据。本发明专利技术通过构造虚拟阵元，获得了更高的输出信干噪比，通过约束条件抑制方向已知的干扰，实现抑制超自由度干扰。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于天线阵列的控制领域，尤其涉及一种基于协方差矩阵扩展的半虚拟天 线阵波束形成方法。
技术介绍
自适应天线波束成形技术能够在期望信号方向形成最大的增益，在干扰方向形成 零陷，被广泛应用于雷达，声纳，移动通信等领域。最小方差无畸变相应（MVDR，又名Capon) 波束形成器可以提高自适应天线的输出信干噪比，是一种最常见的波束形成器，但其旁瓣 较高，而且无法在干扰数超过天线阵自由度的情况下工作。 虚拟天线阵就是针对自适应天线无法在干扰数超过天线阵自由度情况下工作 的问题，在自适应天线基础上发展起来的一种天线形式，主要研究增加虚拟阵元，将实 际天线阵变换到虚拟天线阵的方法，既用于D0A估计，也用于波束形成，主要包括高阶 统计量法（参考文献：基于高阶统计量的自适应非线性波束形成新算法.电子学 报，1997,25 (3) :102-104)和内插变换法（Aneffectivetechniqueforenhancing anti-interferenceperformanceofadaptivevirtualantennaarray.APPLIED COMPUTATIONALELECTROMAGNETICSSOCIETYJOURNAL, 2011，26 (3): 234-240)。同自适应天 线波束形成相比，虚拟天线阵波束形成不仅适用于干扰数超过天线阵自由度的情况，还可 以获得更高的输出信干噪比，也就是说虚拟天线阵可以比自适应天线抑制更多的干扰和获 得更好的天线阵性能。 虚拟天线技术通过构造虚拟阵元，获得了更好的天线阵性能，这是因为虚拟阵元 的存在相当于增加了天线阵的阵元数，存在额外的处理增益。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种既能获得比自适应天线更好的性能，又能抑制超过天线 阵自由度干扰的，基于协方差矩阵扩展的半虚拟天线阵波束形成方法。 -种基于协方差矩阵扩展的半虚拟天线阵波束形成方法，包括以下步骤， 步骤一：将阵列接收数据的协方差矩阵R进行扩展，得到协方差扩展矩阵 R=I?R；步骤二：将天线阵列导向矢量a(0)进行扩展，得到半虚拟天线阵列的导向矢量 b(6^)=?(Θ)??(Θ)ι 步骤三：计算基于协方差矩阵扩展的Capon波束形成器的最优权为： 其中，b(0d)为半虚拟天线阵的期望信号导向矢量； 步骤四：利用最优权进行波束赋形，得到阵列天线的输出数据。 有益效果： 针对自适应阵列天线波束形成在干扰数超过天线阵自由度的情况下失效的问题。 本专利技术通过对协方差矩阵的扩展和阵列导向矢量的扩展，形成虚拟阵元，能够构建更多的 约束条件，可以通过约束条件抑制超过天线阵自由度的方向已知的干扰，实现在干扰数超 过天线阵自由度的情况下工作。 本专利技术由于构造了虚拟阵元，相当于增加了阵元数，获得了额外的处理增益，输出 信干噪比与虚拟天线阵波束形成方法相近，高于自适应天线波束形成方法，获得了比自适 应天线更好的性能。【附图说明】 图1是本专利技术的实现步骤示意图； 图2为干扰数小于阵元数时的波束图； 图3为快拍数改变时的输出信干噪比曲线； 图4为输入信干噪比改变时的输出信干噪比曲线。 图5为方向未知的干扰加方向已知的干扰数大于阵元数时的波束图。【具体实施方式】 下面将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。 本专利技术的目的在于提供一种半虚拟天线波束形成方法，同虚拟天线一样，既获得 比自适应天线更好的性能，又能抑制超过天线阵自由度的干扰。 本专利技术的目的是这样实现的： 本专利技术包括如下步骤： (1)采用单位矩阵I与阵列接收数据的协方差矩阵R做克罗内克积，得到协方差扩 展矩阵1= 。 (2)通过克罗内克积运算扩展导向矢量bf) =a(~)?a(扪。 (3)计算基于协方差矩阵扩展的Capon(CME-Capon)波束形成器的最优权为： (4)进行波束赋形，得到阵列天线的输出数据。 其中： I:表示单位矩阵； R:表示阵列接收数据的二阶协方差矩阵； 發:表示克罗内克积运算； ??:表示协方差扩展矩阵； a(Θ):表示天线阵列的导向矢量； b(Θ):表示半虚拟天线阵的导向矢量； ( · )S表示求逆运算； (，，:表示共辄转置； W。#:表不Capon波束形成器的最优权矢量； :表示CME-Capon波束形成器的最优权矢量； a(Θd):表不自适应天线期望信号导向矢量； b(Θd):表示半虚拟天线阵期望信号导向矢量； (·Γ:表示共辄。 步骤1中，协方差扩展矩阵也可表示为:t=丨(g)!^，步骤2中，导向矢量也相应表示 为b(沒)=a(沒)?a';(6〇, 本方法不仅适用于Capon波束形成器的性能改进，还适用于任何期望信号导向矢 量已知的自适应阵列天线波束成形性能改进。 本方法不但适用于单用户阵列天线波束成形，也适用于多用户阵列天线波束成 形。 本专利技术涉及的是一种天线阵列的控制方法，提出了一种基于协方差矩阵扩展的半 虚拟天线阵波束形成方法，该方法与自适应天线波束形成相比，构造了虚拟阵元，相当于增 加了阵元数，能够获得额外的处理增益，极大的提高了天线阵的波束形成性能。 本专利技术包括如下步骤：首先用一个单位矩阵与阵列的采样协方差矩阵做克罗内克 积，得到协方差扩展矩阵，同时将导向矢量通过克罗内克积运算相应扩展，相当于构建了虚 拟阵元，将自适应天线变换到半虚拟天线阵，再根据变换后的半虚拟天线阵进行波束形成。 与自适应天线波束形成相比，本专利技术通过构造虚拟阵元，获得了更高的输出信干噪比，还可 以构建更多的约束条件，甚至在方向未知的干扰数不超过天线阵自由度的情况下，通过约 束条件抑制方向已知的干扰，实现抑制超自由度干扰。 参照图1，本专利技术的具体实施步骤如下：【具体实施方式】 ： 步骤1 :采用单位矩阵I与阵列接收数据的协方差矩阵R做克罗内克积，得到协方 差扩展矩阵如：⑴ 步骤2 :通过克罗内克积运算扩展导向矢量如： b(6〇 =a(6〇 <S)a(6〇 (.2) 其中a(0)表示天线阵列导向矢量，b(0)表示半虚拟天线阵的导向矢量。 步骤3 :计算基于协方差矩阵扩展的Capon(CME-Capon)波束形成器的最优权为(3; 其中表示CME-Capon波束形成器的最优权，b(Θd)表示半虚拟天线阵的期望 信号导向矢量。 步骤4 :进行波束赋形，得到阵列天线的输出数据。 本专利技术的方法采用下述仿真进行验证：仿真条件：考虑远场窄带情况，自适应天线为N元均匀直线阵，阵元间距d为半波 长，各干扰相互独立，信号与干扰也独立，阵元数N= 9,1个期望信号入射角为0°，信噪比 SNR=OdB，2个干扰入射角分别为-50°和40°，干噪比INR= 30dB，快拍数K= 200,比较CME-Capon波束形成器和Capon波束形成器的性能。 图2为两种波束形成器的波束图，图3为不同快拍数对应的输出信干噪比曲线， 图4为不同输入信噪比对应的输出信干噪比曲线。由图2可知，CME-Capon波束形成器比 Capon波束形成器的旁瓣低很多，主瓣能量更集中。由图3可知，CME-Capon波束形成器比 Capon波束形成器的输出信干噪比高8dB左右，性能更好。由图4可知，在输入信干噪比较 低的情况下，即输入信干噪比低于10dB时，CME-Capon波束形成本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于协方差矩阵扩展的半虚拟天线阵波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：将阵列接收数据的协方差矩阵R进行扩展，得到协方差扩展矩阵步骤二：将天线阵列导向矢量a(θ)进行扩展，得到半虚拟天线阵列的导向矢量b(θ)=a(θ)⊗a(θ);]]>步骤三：计算基于协方差矩阵扩展的Capon波束形成器的最优权为：W~opt=R~-1b(θd)bH(θd)R~-1b(θd),]]>其中，b(θd)为半虚拟天线阵的期望信号导向矢量；步骤四：利用最优权进行波束赋形，得到阵列天线的输出数据。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李文兴，赵宇，李思，毛云龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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