一种传感器阵列的稳健自适应波束形成方法技术

本发明专利技术提供一种传感器阵列的稳健自适应波束形成方法。技术方案是：利用阵列观测数据协方差矩阵计算导向向量；根据样本协方差矩阵和导向向量计算阵列观测数据的空间功率谱；根据空间功率谱的谱峰位置，确定期望信号及干扰信号的方位区间；对方位区间之外的空间功率谱取平均，计算平均噪声功率；通过凸优化的方法，得到重构的信号协方差矩阵和干扰加噪声协方差矩阵；计算上述两个矩阵的积矩阵，由其最大特征值对应的特征向量得到波束形成器系数。本发明专利技术有效地解决了自适应波束形成过程中的性能饱和问题，波束形成的稳健性较高，并且便于实施。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及阵列信号处理
，更具体地说，涉及一种传感器阵列的稳健自 适应波束形成方法。
技术介绍
阵列信号处理在声纳、雷达、无线通信、医学成像、地质勘探、射电天文学等多种领 域具有广泛应用，而波束形成是阵列信号处理的一个非常重要的任务，其主要功能包括：形 成阵列接收系统的方向性；进行空域滤波；抑制空间干扰与环境噪声，提高信噪比；估计信 号到达方向，进行多目标分辨；为信号源定位创造条件；为目标识别提供信息等。波束形成 的处理过程为：采用空间分布的阵列采集数据，然后对所采集的阵列数据进行线性加权组 合处理得到一个标量波束输出，相应的处理器称为波束形成器。根据处理过程的不同，波束 形成器可以分为常规波束形成器，即加权系数确定后不变的波束形成器；以及自适应波束 形成器，即随着应用环境变化能够不断进行加权系数调整的波束形成器。 相对于常规波束形成器，自适应波束形成器具有更好的方位分辨力和更强的干扰 抑制能力。但在实际场景中，如被动声纳、无线通信、麦克风阵列与天文学等，阵列观测数 据中除了包含干扰信号和噪声外，还包含阵列的期望信号，而且期望信号的假想响应与真 实响应之间往往存在失配现象，例如：由观察方向误差，阵形标定误差，未知波前扭曲与信 号衰减，远近场效应，局部散射，环境非平稳造成的信号和噪声幅度与相位起伏等导致的失 配。事实证明，即使存在轻微的失配现象也将导致自适应波束形成器的波束性能和收敛速 率严重下降，即自适应波束形成器的稳健性较差。 为了提高自适应波束形成器的稳健性，人们提出来了一系列的稳健自适应波束形 成方法，具有代表性的有：1)基于协方差矩阵对角加载的稳健自适应波束形成方法、2)基 于子空间处理的稳健自适应波束形成方法、3)基于导向向量不确定集的稳健自适应波束形 成方法。其中第3种方法明确利用了导向向量误差信息，能够根据导向向量误差的椭圆不 确定集来精确计算协方差矩阵的对角加载量，在稳健性、方位分辨能力、及干扰抑制能力等 各方面均优于前两种方法，但该稳健自适应波束形成方法存在所谓的性能饱和问题，即当 输入信噪比较大时，随着输入信噪比的增加，输出信号功率与干扰加噪声功率之比没有明 显增加。
技术实现思路
为了有效解决现有的稳健自适应波束形成方法的性能饱和问题，本专利技术提供了一 种基于空间功率谱匹配的稳健自适应波束形成方法。随着输入信噪比的增加，本专利技术方法 的输出信号功率与干扰加噪声功率之比逐渐增加，而且其波束形成性能与理想情况下的波 束形成性能之间的差距逐渐减小，从而很好地解决了稳健自适应波束形成方法中的性能饱 和问题。 本专利技术的技术方案是：利用N次快拍的阵列观测数据计算出阵列观测数据的协 方差矩阵根据阵元个数M，波数k，及各阵元的空间三维坐标PdP；；，. . .，pM，计算导向向 量a;根据样本协方差矩阵i和导向向量a计算阵列观测数据的空间功率谱P;根据空间功 率谱P的谱峰位置，以及与方位区间有关的先验信息?s'和Θ/，确定期望信号的方位区 间及干扰信号的方位区间；对方位区间Θ5和Θ:之外的空间功率谱取平均，计算得到 平均噪声功率Navg;通过凸优化的方法，得到重构的信号协方差矩阵良，使得利用信号协方 差矩阵I计算得到的空间功率谱在方位区间@5上与空间功率谱P相匹配，而在方位区间 ?s之外与平均噪声功率Navg相匹配；通过凸优化的方法，得到重构的干扰加噪声协方差矩 阵li?，使得利用干扰加噪声协方差矩阵匕计算得到的空间功率谱在方位区间~上与 空间功率谱P相匹配，而在方位区间Θ:之外与平均噪声功率Navg相匹配；通过计算矩阵 中与最大特征值对应的特征向量得到波束形成器系数。 本专利技术的有益效果是：（1)有效地解决了稳健自适应波束形成过程中的性能饱和 问题。本专利技术在计算波束形成器系数时，使用了重构的干扰加噪声协方差矩阵沒_而不是 直接使用样本协方差矩阵1，因此期望信号功率的强弱不会影响到波束形成性能，从而有 效地解决了性能饱和问题；(2)有效地解决了自适应波束形成过程中的稳健性问题。本发 明在计算波束形成器系数时，使用了重构的信号协方差矩阵瓦，因此即使期望信号的假想 响应与真实响应之间存在一定程度的失配现象，波束形成的稳健性仍然较高；（3)有效地 解决了自适应波束形成过程中收敛速率较慢的问题。在本专利技术计算得到的干扰加噪声协方 差矩阵奋，,,中，基本不存在期望信号分量，从而显著提高了波束形成的收敛速率；(4)有效 地解决了自适应波束形成过程中因先验信息不容易获取而导致的实施不方便的问题。本发 明在计算波束形成器系数时，仅需要知道阵元个数M，各阵元的空间三维坐标Pl，p2, . . .，pM， 以及与方位区间有关的先验信息'和而上述先验信息在实际应用中较容易获取， 因此本专利技术方法实施起来更加方便。【附图说明】 图1为本专利技术所提供的阵列稳健自适应波束形成方法的流程图； 图2为仿真实验中不同输入信噪比下的波束形成器性能示意图； 图3为仿真实验中不同快拍数下的波束形成器性能示意图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术提供的传感器阵列稳健自适应波束形成方法进行详细说 明。 图1是本专利技术所提供的阵列稳健自适应波束形成方法的流程图。本专利技术的技术方 案是：，具体包括下述步骤： 第一步：计算空间功率谱 首先，利用下式计算阵列观测数据的协方差矩阵;§，即： 上式中，（·）Η表示共辄转置运算；x(n)为MX1维阵列观测数据向量，其中Μ表示 阵元的个数；Ν为快拍数，且Ν的取值应至少大于或等于阵元个数Μ，具体大小根据实际情况 决定。 然后，根据阵元个数Μ，波数k，及各阵元的空间三维坐标Pl，p2, . . .，ρΜ，计算导向 向量a，即： a=τ 上式中，（·）T表示转置运算。最后，利用样本协方差矩阵1及导向向量a计算空 间功率谱P，即： 上式中，（·）1表示矩阵求逆运算。 第二步：确定方位区间及平均噪声功率 首先观察空间功率谱P，并根据已知的期望信号的方位区间Θ/，找出与期望信号 对应的谱峰，然后根据该谱峰所在的位置确定期望信号的实际方位区间?s，其中方位区间 表示一个包含期望信号方位或干扰信号方位的角度范围。然后观察同样的空间功率谱P，并 根据已知的干扰信号的方位区间Θ/，找出与干扰信号对应的谱峰，然后根据该谱峰所在 的位置确定干扰信号的方位区间Θ:。 第三步：计算平均噪声功率 根据空间功率谱Ρ，期望信号的方位区间?s，以及干扰信号的方位区间Θ:，计算 在方位区间Θ:之外的空间功率谱的平均值，从而得到平均噪声功率Navg。 第四步：信号协方差矩阵重构 首先，对期望信号的方位区间?5进行等间隔采样，采样间隔一般要小于或等于 〇.Γ，得到方位采样值θ1;θ2，...，θκ;并对期望信号的方位补区间进行等间隔采样， 采样间隔一般要小于或等于Γ，得到方位采样值舞，為，…,?，其中方位补区间豆5表示在方 位区间? 5之外的角度范围，也就是说，方位区间Θs与方位补区间的并集等于总的角度 范围。 然后，利用方位采样值θΘ2, . ..，Θ …，疼，构造两个导向向量组合矩阵 V和W如下：V= 上式中，a(ΘJ，a(Θ2)，· · ·，a(θκ)分别表不对应方位米样值ΘΘ2,当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器阵列的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，利用N次快拍的阵列观测数据计算出阵列观测数据的协方差矩阵根据阵元个数M，波数k，及各阵元的空间三维坐标p1,p2,...,pM，计算导向向量a；根据样本协方差矩阵和导向向量a计算阵列观测数据的空间功率谱P；根据空间功率谱P的谱峰位置，以及与方位区间有关的先验信息ΘS'和ΘI'，确定期望信号的方位区间ΘS及干扰信号的方位区间；对方位区间ΘS和ΘI之外的空间功率谱取平均，计算得到平均噪声功率Navg；通过凸优化的方法，得到重构的信号协方差矩阵使得利用信号协方差矩阵计算得到的空间功率谱在方位区间ΘS上与空间功率谱P相匹配，而在方位区间ΘS之外与平均噪声功率Navg相匹配；通过凸优化的方法，得到重构的干扰加噪声协方差矩阵使得利用干扰加噪声协方差矩阵计算得到的空间功率谱在方位区间ΘI上与空间功率谱P相匹配，而在方位区间ΘI之外与平均噪声功率Navg相匹配；通过计算矩阵中与最大特征值对应的特征向量得到波束形成器系数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，王芳，万建伟，李纲，许可，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43