基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，其思路为：确定均匀圆阵，该均匀圆阵包括M个阵元，均匀圆阵设定范围内存在Q个信号源，Q个信号源向均匀圆阵发射Q个入射信号，所述Q个入射信号包含1个期望信号和Q‑1个干扰信号；获取均匀圆阵的采样协方差矩阵R并进行特征分解，得到M个特征值；计算入射方向为(θ,φ)的信号MUSIC谱，然后设定均匀圆阵的互耦矩阵初始值，进而得到Q个入射信号的Q个方位角初始值，并分别得到均匀圆阵的最终互偶矩阵

【技术实现步骤摘要】
基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法
本专利技术属于共形阵天线波束形成
，特别涉及一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，适用于解决采样样本中期望信号功率较强导致自适应波束形成器稳健性下降的问题，以及考虑互偶效应时波束形成器性能下降的问题，并且在考虑阵元间互耦效应的同时改善了波束形成器的稳健性能。
技术介绍
共形阵列由于其具有电磁隐蔽性、大的扫描角度、小的负载重量及不干扰飞行体空气动力流场等优点而得到广泛的应用；然而，共形阵列波束形成技术在理论研究和开发应用方面都面临若干难题。首先，传统波束形成技术具有在实际环境中稳健性能不足的缺陷，这种缺陷应用到共形阵时依然存在；另外，阵列天线接收的信号在接收单元内部传输时，阵元间的互偶效应不容忽视。而共形阵复杂的阵元分布，加大了对其电磁特性进行精确分析和建模的难度，使得共形阵的互耦校正十分困难。故在充分发挥共形阵列优势的前提下，设计稳健的波束形成算法，突破互耦因素对波束形成器的限制是亟待解决的问题。自适应波束形成技术的理论研究起始于20世纪60年代。1969年，Capon提出最小方差无失真响应(MVDR)准则，该准则在保证期望信号增益的同时最小化阵列的输出功率，为波束形成器抑制干扰提供了理论基础。20世纪70年代，研究人员提出了采样矩阵求逆(SMI)算法，该算法使用阵列接收信号快拍估计干扰加噪声协方差矩阵，能够自适应的抑制干扰信号。1974年，Brennan等人推导出了SMI波束形成算法的输出信干噪比的概率密度函数，给出了自适应算法的性能与训练样本数的关系。在众多实际应用领域中，自适应波束形成器的性能会受到各种误差因素的影响，如信号观测误差，接收通道误差，阵元位置误差等，这些误差会造成阵列天线接收信号导向矢量失配，导致波束形成算法性能下降；而且当样本快拍中含有期望信号时，导向矢量的失配对自适应波束形成器的性能影响尤为显著。在1991年，BenjaminFriedlander和WAnthonyJ.Weiss提出一种在阵元间存在互耦时的DOA估计方法，可以较为准确的估计出信号的波达方向DOA和均匀圆阵间的互耦，但是该在阵元间存在互耦时的DOA估计方法在自适应波束形成
没有应用；在2012年，Gu提出了一种基于干扰加噪声协方差矩阵重构的波束形成方法，该方法利用重构后的协方差矩阵代替受到期望污染采样协方差矩阵来计算自适应权矢量，虽然在期望信号功率较强时具有较好的性能，但是该方法在实际应用中存在如下两个问题：第一，该方法要求阵列构型是精确已知的，唯一允许的误差是观测角误差，在考虑互偶效应时性能大幅度下降；第二，该方法在重构干扰加噪声协方差矩阵时计算复杂度很大，使得算法的实时性受到制约。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，该种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法对信号的入射角度和均匀圆阵的互耦矩阵进行迭代估计，结合干扰加噪声协方差矩阵重构方法，完成干扰加噪声协方差矩阵的重构和期望导向矢量的修正，得到一种在阵元存在互耦的条件下更加稳健的波束形成器。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现。一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，包括以下步骤：步骤1，确定均匀圆阵，该均匀圆阵包括M个阵元，均匀圆阵设定范围内存在Q个信号源，Q个信号源向均匀圆阵发射Q个入射信号，所述Q个入射信号包含1个期望信号和Q-1个干扰信号；获取均匀圆阵的采样协方差矩阵R，并对所述均匀圆阵的采样协方差矩阵R进行特征分解，得到M个特征值；M、Q分别为大于0的正整数，Q>1，M表示均匀圆阵包括的阵元个数，与对均匀圆阵的采样协方差矩阵R进行特征分解后得到的特征值个数取值相等；步骤2，计算入射方向为(θ,φ)的信号MUSIC谱，然后设定均匀圆阵的互耦矩阵初始值，进而得到Q个入射信号的Q个方位角初始值，分别为q∈{0,1,2,…,Q-1}，表示第q+1个入射信号的方位角初始值；初始化：令k表示第k次修正，k的初始值为1；令第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵为Ck，并将Q个入射信号的Q个方位角初始值作为第0次修正后Q个入射信号的方位角θ0；设定均匀圆阵的互耦矩阵初始值为C0，C0＝IM，IM表示M×M维单位矩阵；步骤3，根据第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck对Q个入射信号分别进行波达方向估计，得到第k次修正后入射方向为(θk,φ)的信号MUSIC谱PMUSIC(θk,φ)，以及第k次修正后Q个入射信号的方位角；步骤4，依次得到第k次修正后Q个入射信号的MUSIC谱值倒数的和Jck的定义式和计算式，进而计算得到第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck；步骤5，令k加1，返回步骤3，直到Jck-Jc(k-1)<△，则修正迭代结束，Jc(k-1)表示第k-1次修正后Q个入射信号的MUSIC谱值倒数的和，△表示设定的门限值，并分别将修正迭代停止时对应的第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck，记为均匀圆阵的最终互偶矩阵将修正迭代停止时对应的第k次修正后Q个入射信号的方位角，记为Q个入射信号的最终方位角步骤6，根据均匀圆阵的最终互偶矩阵和Q个入射信号的最终方位角计算得到重构后均匀圆阵的干扰加噪声协方差矩阵步骤7，计算得到期望信号的最终导向矢量为并根据重构后均匀圆阵的干扰加噪声协方差矩阵计算得到均匀圆阵的自适应波束形成器的权矢量为w，进而完成了基于迭代互耦校正的均匀圆阵干扰加噪声协方差矩阵重构的波束形成设计。本专利技术的有益效果：第一，本专利技术使用DOA与均匀圆阵互耦矩阵迭代估计的方法较为准确的估计出在互耦影响下的干扰加噪声协方差矩阵重构中不可或缺的两个参量，即均匀圆阵的互耦矩阵和干扰信号的方位角，使得干扰加噪声协方差矩阵的重构充分携带了互耦信息，提升了在互耦影响下的波束形成器的稳健性；第二，本专利技术采用在干扰角度区域取离散点而非积分的方法来重构干扰协方差矩阵，降低了计算复杂度，提高了算法的实时性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法流程图；图2为互耦条件下存在观测误差时本专利技术方法性能随信噪比(SNR)变化曲线图；图3(a)为互耦条件下存在观测误差且输入信噪比为20dB时本专利技术方法性能随样本数变化曲线图；图3(b)为互耦条件下存在观测误差且输入信噪比为-5dB时本专利技术方法性能随样本数变化曲线图；图4为互耦条件下无观测误差时本专利技术方法性能随SNR变化曲线图；图5(a)为互耦条件下无观测误差且输入信噪比为20dB时本专利技术方法性能随样本数变化曲线图；图5(b)为互耦条件下无观测误差且输入信噪比为-5dB时本专利技术方法性能随样本数变化曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定均匀圆阵，该均匀圆阵包括M个阵元，均匀圆阵设定范围内存在Q个信号源，Q个信号源向均匀圆阵发射Q个入射信号，所述Q个入射信号包含1个期望信号和Q‑1个干扰信号；获取均匀圆阵的采样协方差矩阵R，并对所述均匀圆阵的采样协方差矩阵R进行特征分解，得到M个特征值；M、Q分别为大于0的正整数，Q>1，M表示均匀圆阵包括的阵元个数，与对均匀圆阵的采样协方差矩阵R进行特征分解后得到的特征值个数取值相等；步骤2，计算入射方向为(θ,φ)的信号MUSIC谱，然后设定均匀圆阵的互耦矩阵初始值，进而得到Q个入射信号的Q个方位角初始值，分别为

【技术特征摘要】
1.一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定均匀圆阵，该均匀圆阵包括M个阵元，均匀圆阵设定范围内存在Q个信号源，Q个信号源向均匀圆阵发射Q个入射信号，所述Q个入射信号包含1个期望信号和Q-1个干扰信号；获取均匀圆阵的采样协方差矩阵R，并对所述均匀圆阵的采样协方差矩阵R进行特征分解，得到M个特征值；M、Q分别为大于0的正整数，Q>1，M表示均匀圆阵包括的阵元个数，与对均匀圆阵的采样协方差矩阵R进行特征分解后得到的特征值个数取值相等；步骤2，计算入射方向为(θ,φ)的信号MUSIC谱，然后设定均匀圆阵的互耦矩阵初始值，进而得到Q个入射信号的Q个方位角初始值，分别为q∈{0,1,2,…,Q-1}，表示第q+1个入射信号的方位角初始值；初始化：令k表示第k次修正，k的初始值为1；令第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵为Ck，并将Q个入射信号的Q个方位角初始值作为第0次修正后Q个入射信号的方位角θ0；设定均匀圆阵的互耦矩阵初始值为C0，C0＝IM，IM表示M×M维单位矩阵；步骤3，根据第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck对Q个入射信号分别进行波达方向估计，得到第k次修正后入射方向为(θk,φ)的信号MUSIC谱PMUSIC(θk,φ)，以及第k次修正后Q个入射信号的方位角；步骤4，依次得到第k次修正后Q个入射信号的MUSIC谱值倒数的和Jck的定义式和计算式，进而计算得到第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck；步骤5，令k加1，返回步骤3，直到Jck-Jc(k-1)<△，则修正迭代结束，Jc(k-1)表示第k-1次修正后Q个入射信号的MUSIC谱值倒数的和，△表示设定的门限值，并分别将修正迭代停止时对应的第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck，记为均匀圆阵的最终互偶矩阵将修正迭代停止时对应的第k次修正后Q个入射信号的方位角，记为Q个入射信号的最终方位角步骤6，根据均匀圆阵的最终互偶矩阵和Q个入射信号的最终方位角计算得到重构后均匀圆阵的干扰加噪声协方差矩阵步骤7，计算得到期望信号的最终导向矢量，并根据重构后均匀圆阵的干扰加噪声协方差矩阵计算得到均匀圆阵的自适应波束形成器的权矢量为w，进而完成了基于迭代互耦校正的均匀圆阵干扰加噪声协方差矩阵重构的波束形成设计。2.如权利要求1所述的一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，其特征在于，在步骤1中，所述Q个入射信号，还包括：Q个入射信号相对于均匀圆阵的俯仰角为φ，φ＝{φ0,φ1,…,φq,…,φQ-1}，q∈{0,1,…,Q-1}，φq表示第q+1个入射信号相对于均匀圆阵的俯仰角，且φ0、φ1、…、φq、…、φQ-1取值分别相等；φ0表示期望信号相对于均匀圆阵的俯仰角，Q-1个干扰信号相对于均匀圆阵的俯仰角分别为φ1、φ2、…、φQ-1；对所述均匀圆阵的采样协方差矩阵R进行特征分解，其分解形式为：其中，R为均匀圆阵的采样协方差矩阵，维数为M×M；ΛSI为Q个大特征值分别为对角元素形成的对角矩阵，USI为Q个大特征值对应的特征向量形成的期望信号加干扰子空间，ΛN为M-Q个小特征值分别为对角元素形成的对角矩阵，UN为M-Q个小特征值对应的特征向量形成的噪声子空间，上标H表示共轭转置操作，M、Q分别为大于0的正整数，M>Q；M表示均匀圆阵包括的阵元个数，与对均匀圆阵的采样协方差矩阵R进行特征分解后得到的特征值个数取值相等。3.如权利要求2所述的一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，其特征在于，在步骤2中，所述入射方向为(θ,φ)的信号MUSIC谱PMUSIC(θ,φ)，其表达式为：其中，θ表示Q个入射信号的方位角，φ表示Q个入射信号相对于均匀圆阵的俯仰角，a(θ,φ)为入射方向为(θ,φ)的信号导向矢量，C为均匀圆阵的互耦矩阵，UN为M-Q个小特征值对应的特征向量形成的噪声子空间，上标H表示共轭转置操作；所述得到Q个入射信号的Q个方位角初始值，其过程为：设定均匀圆阵的互耦矩阵初始值C0，C0＝IM，IM表示M×M维单位矩阵；将均匀圆阵的互耦矩阵初始值C0代入入射方向为(θ,φ)的信号MUSIC谱PMUSIC(θ,φ)表达式中，并在0°到180°方位角范围内搜索MUSIC谱峰，进而得到Q个入射信号的Q个方位角初始值，分别为q∈{0,1,2,…,Q-1}，表示第q+1个入射信号的方位角初始值；其中，设定方位角范围内为0°到180°范围内。4.如权利要求3所述的一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，其特征在于，在步骤3中，所述第k次修正后入射方向为(θk,φ)的信号MUSIC谱PMUSIC(θk,φ)，其表达式为：其中，θk表示第k次修正后Q个入射信号的方位角，φ表示Q个入射信号相对于均匀圆阵的俯仰角，a(θk,φ)为入射方向为(θk,φ)的信号导向矢量，Ck为第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵，UN为M-Q个小特征值对应的特征向量形成的噪声子空间，上标H表示共轭转置操作；在设定方位角范围内搜索第k次修正后入射方向为(θk,φ)的信号MUSIC谱PMUSIC(θk,φ)的MUSIC谱峰，得到第k次修正后Q个入射信号的方位角为θk，θk＝{θ0k,θ1k,…,θqk,…,θ(Q-1)k}，q∈{0,1,…,Q-1}，θqk表示第k次修正后第q+1个入射信号的方位角；θ0k表示第k次修正后期望信号的方位角，θ1k,θ2k,…,θ(Q-1)k为第k次修正后Q-1个干扰信号的方位角；其中，设定方位角范围内为0°到180°范围内。5.如权利要求4所述的一种基于迭代互耦校正的雷达协方差矩阵重构波束形成方法，其特征在于，步骤4的子步骤为：(4a)根据第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck，定义第k次修正后Q个入射信号的MUSIC谱值倒数的和为Jck，其定义表达式为：其中，表示入射方向为的信号导向矢量，φq表示第q+1个入射信号相对于均匀圆阵的俯仰角，表示第k次修正后第q+1个入射信号的方位角，||||2表示取模值之后再求平方操作；Ck为第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵，UN为M-Q个小特征值对应的特征向量形成的噪声子空间，上标H表示共轭转置操作；(4b)确定第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck由第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck第一行中的前LC个元素完全确定，表示向下取整操作；并且确定第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck与入射方向为(θk,φ)的信号导向矢量a(θk,φ)的乘积，等价于入射方向为(θk,φ)的信号导向矢量a(θk,φ)中的M个元素组成的M×LC维矩阵Q[a(θk,φ)]与第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck中第一行的前LC个元素完组成的LC×1维向量ck的乘积，即Cka(θk,φ)＝Q[a(θk,φ)]ck；其中，ck为第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck中第一行的前LC个元素组成的LC×1维向量，d∈{0,1,…,LC-1}，cdk表示第k次修正后均匀圆阵的互耦矩阵Ck中第一行的第d+1个元素，上标T表示转置操作；入射方向为(θk,φ)的信号导向矢量a(θk,φ)中的M个元素组成的M×LC维矩阵Q[a(θk,φ)]由第k次修正后的第一M×LC维矩阵Q1k、第k次修正后的第二M×LC维矩阵Q2k、第k次修正后的第三M×LC维矩阵Q3k和第k次修正后的第四M×LC维矩阵Q4k相加得到，即Q[a(θk,φ)]＝Q1k+Q2k+Q3k+Q4k，第k次修正后的第一M×LC维矩阵Q1k、第k次修正后的第二M×LC维矩阵Q2k、第k次修正后的第三M×LC维矩阵Q3k和第k次修正后的第四M×LC维矩阵Q4k分别由入射方向为(θk,φ)的信号导向矢量a(θk,φ)中的元素构成，其中第k次修正后的第一M×LC维矩阵Q1k中第r行、第h列元素为Q1(r,h)k，第k次修正后的第二M×LC维矩阵Q2k中第r'行、第h'列元素为Q2(r',h')k，第k次修正后的第三M×LC维矩阵Q3中第r”行、第h”列元素为Q3(r”,h”)k，第k次修正后的第四M×LC维矩阵Q4中第r”'行、第h”'列元素为Q4(r”',h”')k，表达式分别为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王彤，解彩莲，胡艳艳，李博文，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61