基于IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法技术

本发明专利技术属于天线波束形成技术领域，公开了一种基于IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法，首先利用IAA方法通过迭代方式较为准确的估计出信号的方向，然后选取采样协方差矩阵特征向量中与由估计得到的期望信号方向计算出的信号导向矢量之间相关性最大的特征向量作为期望信号分量，并将其从采样协方差矩阵中剔除，最后为了防止剔除信号后的协方差矩阵产生奇异，选取适当的对角加载因子对矩阵进行对角加载，在采样样本中包含期望信号的情况下提高了自适应波束形成器的输出信干噪比，并且在导向矢量失配情况下提高了自适应波束形成器的稳健性能。

Robust beamforming method based on IAA interference plus noise covariance matrix reconstruction

The invention belongs to the field of antenna beamforming technology, and discloses a robust beamforming method for interference plus noise covariance matrix reconstruction based on IAA. Firstly, the direction of the signal is estimated accurately by iteration using IAA method, and then the desired signal is selected from the eigenvector of the sampled covariance matrix. The eigenvectors with the greatest correlation between the signal steering vectors calculated in the direction of the sign are used as the expected signal components and are removed from the sampled covariance matrix. Finally, in order to prevent the singularity of the covariance matrix after removing the signal, an appropriate diagonal loading factor is selected to load the matrix diagonally, and it is included in the sampled samples. The output signal-to-interference-noise ratio (SINR) of the adaptive beamformer is improved when the desired signal is contained, and the robustness of the adaptive beamformer is improved when the steering vector is mismatched.

【技术实现步骤摘要】
基于IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法
本专利技术属于天线波束形成
，尤其涉及基于IAA(Iterativeadaptiveapproach，迭代自适应)的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法，适用于解决采样样本中的期望信号功率较强导致自适应波束形成器输出信干噪比下降的问题，并且使自适应波束形成器在导向矢量失配情况下具有良好的稳健性能。
技术介绍
自适应波束形成技术是阵列信号处理领域的一个重要研究方向。与传统的单个天线相比，天线阵列可以通过自适应算法根据信号环境的变化计算各个阵元上的加权因子，从而对阵列接收到的信号进行空域滤波，使得形成的波束指向所要观察的期望信号方向，增强期望信号，并在干扰所在方向形成零陷以抑制无用的干扰。对于自适应波束形成的理论研究起始于20世纪60年代。早在1969年，J.Capon提出了最小方差无失真响应(MVDR)准则，该准则在保证期望信号方向天线增益为1的前提下使阵列的输出功率最小，成为波束形成器自适应地抑制干扰的理论基础。1974年，Reed等人提出了样本协方差矩阵求逆(SMI)方法，SMI方法首先由采样快拍估计阵列的相关矩阵，然后对其求逆来求解Wiener-Hopf方程，以计算自适应权矢量。当期望信号输入信噪比(SNR)较大时，SMI算法虽然可以在干扰所在方向形成凹口，但是会产生将期望信号当做干扰的情况，即在信号方向也形成凹口，导致系统的性能下降。不仅如此，在实际的工程应用中，自适应波束形成器可能会受到各种误差因素的影响，例如阵列位置误差、信号观测误差、接收通道误差等，这些误差的存在会造成阵列接收信号导向矢量失配的问题。自从二十世纪九十年代以来，国内外相关领域学者就提出了各种在上述误差影响下仍然具有稳健性能的自适应波束形成算法。其中就包括对角加载(DL)算法以及基于特征空间的稳健波束形成算法(ESB)等。DL算法通过在样本协方差矩阵上加上一常数组成的对角矩阵来提供一定的稳健性，可以在一定程度上恢复由于各种误差产生的失配引起的性能损失，但目前缺少严格的理论基础来选取最合适的加载电平。基于特征子空间的波束形成方法只有在子空间维数能够准确获得的情况下具有较好的性能，但在期望信号的输入信噪比较低时，波束形成器的性能会下降。到了2003年，Vorobyov提出了最差性能最优化算法，该算法将失配后的信号导向矢量约束在一个球形不确定集内，并且将自适应权矢量的求解问题转化为一个二阶锥规划问题，可在一定的导向矢量失配范围内保持一定的稳健性，但这种算法约束范围的选取过于影响波束形成器的性能。近些年，一些基于对现有算法的改进波束形成算法被提出，例如，2012年Gu提出的一种干扰加噪声协方差矩阵重构的波束形成方法，但是低快拍数对算法性能的影响过大。2013年W.M.Jia等人利用采样协方差矩阵来修正期望信号导向矢量，但在期望信号和干扰信号相近时会收敛到干扰信号方向上去。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于IAA(Iterativeadaptiveapproach，迭代自适应)的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法，通过IAA方法估计出信号到达阵列的角度并利用采样协方差矩阵的特征矢量与信号导向矢量的相关性来剔除样本中的期望信号分量，能够提高自适应波束形成器的输出信干噪比和自适应波束形成器在导向矢量失配情况下的稳健性。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IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法，所述方法包括如下步骤：步骤1，设置均匀线阵，所述均匀线阵包括N个阵元，所述均匀线阵的观测范围内存在Q+1个信号源，所述Q+1个信号源包含1个期望信号和Q个干扰信号；将所述均匀线阵的观测范围内的角度均匀划分成M等份，得到M个角度值θm，m＝1，2，...，M，其中，N和M均为大于0的正整数；获取均匀线阵接收到的回波数据，以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，m＝1，2，...，M，根据所述均匀线阵接收的回波数据以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，m＝1，2，...，M，估计得到角度值θm处的功率初始值m＝1，2，...，M；步骤2，令l表示第l次迭代，l的初值为1，l＝1，...，L；L为设定的总的迭代次数；步骤3，根据第1次迭代时角度值θm处的功率值m＝1.2，...，M，组成一个M×M维的对角功率矩阵P1，从而根据所述对角功率矩阵得到第1次迭代时的采样协方差矩阵进而得到第1次迭代时角度值θm处的干扰加噪声协方差矩阵Ql(θm)，m＝1，2，...，M；步骤4，根据所述第1次迭代时的采样协方差矩阵所述第1次迭代时角度值θm处的干扰加噪声协方差矩阵Q1(θm)，m＝1，2，...，M，以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，m＝1，2，...，M，计算得到角度值θm处的回波信号幅度的第l次估计值k＝1，2，...，K，m＝1，2，...，M，k为对均匀线阵接收到的回波数据的第k次采样，K为总的采样数目；根据所述角度值θm处的回波信号幅度的第l次估计值k＝1，2，...，K，m＝1，2，...，M，计算第l+1次迭代时所述角度值θm处的功率值步骤5，令l的值加1，重复执行步骤3和步骤4，直到l＞L，得到最后一次迭代的角度值θm处的功率值，m＝1，2，...，M，组成一个M×M维的对角功率矩阵PL；将所述对角功率矩阵PL对角线上的元素排列成为M个元素的列矢量p，所述列矢量p中M个元素分别对应M个角度值θm的功率值，m＝1，2，...，M，选取列矢量p中的最大值作为期望信号的功率值，列矢量p中的最大值对应的角度值作为期望信号的入射方向；步骤6，根据所述均匀线阵接收到的回波数据，计算所述回波数据的真实采样协方差矩阵R，从而得到所述真实采样协方差矩阵R的N个特征值和对应的N个特征向量；步骤7，分别计算期望信号的导向矢量与N个特征向量的相关性，在所述真实采样协方差矩阵R中剔除与所述期望信号的导向矢量相关性最大的特征向量和对应的特征值，得到重构后的采样协方差矩阵步骤8，计算噪声功率的估计值，将其作为对角加载电平加到所述重构后的采样协方差矩阵中，得到最终的干扰加噪声协方差矩阵；步骤9，根据期望信号的导向矢量，以及最终的干扰加噪声协方差矩阵，计算得到均匀线阵的自适应波束形成器的权矢量wrec，进而完成了基于IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成器的设计。本专利技术技术方案的特点和进一步的改进为：(1)根据所述均匀线阵接收的回波数据以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，估计得到角度值θm处的功率初始值具体为：其中，a(θm)表示角度值为θm的导向矢量，上标H表示对矢量取共轭转置，x(k)为均匀线阵接收到的回波数据的第k次采样，x(k)＝A1s(k)+n(k)，k＝1，2，...，K，k为对均匀线阵接收到的回波数据的第k次采样，K为总的采样数目，A1为由Q+1个入射信号的导向矢量组成的N×(Q+1)维阵列流行矩阵，s(k)为Q+1个入射信号的(Q+1)×1维复包络矢量，n(k)为N×1维噪声矢量。(2)步骤3具体包括如下子步骤：(3a)在得到第l次迭代时M个角度值处的功率值后，将M个角度值处的功率值作为对角元素构造出对角功率矩阵Pl，则Pl表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，设置均匀线阵，所述均匀线阵包括N个阵元，所述均匀线阵的观测范围内存在Q+1个信号源，所述Q+1个信号源包含1个期望信号和Q个干扰信号；将所述均匀线阵的观测范围内的角度均匀划分成M等份，得到M个角度值θm，m＝1，2，...，M，其中，N和M均为大于0的正整数；获取均匀线阵接收到的回波数据，以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，m＝1，2，...，M，根据所述均匀线阵接收的回波数据以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，m＝1，2，...，M，估计得到角度值θm处的功率初始值

【技术特征摘要】
1.一种基于IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，设置均匀线阵，所述均匀线阵包括N个阵元，所述均匀线阵的观测范围内存在Q+1个信号源，所述Q+1个信号源包含1个期望信号和Q个干扰信号；将所述均匀线阵的观测范围内的角度均匀划分成M等份，得到M个角度值θm，m＝1，2，...，M，其中，N和M均为大于0的正整数；获取均匀线阵接收到的回波数据，以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，m＝1，2，...，M，根据所述均匀线阵接收的回波数据以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，m＝1，2，...，M，估计得到角度值θm处的功率初始值m＝1，2，...，M；步骤2，令l表示第l次迭代，l的初值为1，l＝1，...，L；L为设定的迭代总次数；步骤3，根据第l次迭代时角度值θm处的功率值m＝1.2，...，M，组成一个M×M维的对角功率矩阵Pl，从而根据所述对角功率矩阵得到第l次迭代时的采样协方差矩阵进而得到第l次迭代时角度值θm处的干扰加噪声协方差矩阵Ql(θm)，m＝1，2，...，M；步骤4，根据所述第l次迭代时的采样协方差矩阵所述第l次迭代时角度值θm处的干扰加噪声协方差矩阵Q1(θm)，m＝1，2，...，M，以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，m＝1，2，...，M，计算得到角度值θm处的回波信号幅度的第l次估计值k＝1，2，...，K，m＝1，2，...，M，k为对均匀线阵接收到的回波数据的第k次采样，K为总的采样数目；根据所述角度值θm处的回波信号幅度的第l次估计值k＝1，2，...，K，m＝1，2，...，M，计算第l+1次迭代时所述角度值θm处的功率值步骤5，令l的值加1，重复执行步骤3和步骤4，直到l＞L，得到最后一次迭代的角度值θm处的功率值，m＝1，2，...，M，组成一个M×M维的对角功率矩阵PL；将所述对角功率矩阵PL对角线上的元素排列成为M个元素的列矢量p，所述列矢量p中M个元素分别对应M个角度值θm的功率值，m＝1，2，...，M，选取列矢量p中的最大值作为期望信号的功率值，列矢量p中的最大值对应的角度值作为期望信号的入射方向；步骤6，根据所述均匀线阵接收到的回波数据，计算所述回波数据的真实采样协方差矩阵R，从而得到所述真实采样协方差矩阵R的N个特征值和对应的N个特征向量；步骤7，分别计算期望信号的导向矢量与N个特征向量的相关性，在所述真实采样协方差矩阵R中剔除与所述期望信号的导向矢量相关性最大的特征向量和对应的特征值，得到重构后的采样协方差矩阵步骤8，计算噪声功率的估计值，将其作为对角加载电平加到所述重构后的采样协方差矩阵中，得到最终的干扰加噪声协方差矩阵；步骤9，根据期望信号的导向矢量，以及最终的干扰加噪声协方差矩阵，计算得到均匀线阵的自适应波束形成器的权矢量wrec，进而完成了基于IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成器的设计。2.根据权利要求1所述的一种基于IAA的干扰加噪声协方差矩阵重构稳健波束形成方法，其特征在于，步骤1中，根据所述均匀线阵接收的回波数据以及角度值θm处的导向矢量a(θm)，估计得到角度值θm处的功率初始值具体为：其中，a(θm)表示角度值为θm的导向矢量，上标H表示对矢量取共轭转置，x(k)为均匀线阵接收到的回波数据的第k次采样，x(k)＝A1s(k)+n(k)，k＝1，2，...，K，k为对均匀线阵接收到的回波数据的第k次采样，K为总的采样数目，A1为由Q+1个入射信号的导向矢量组成的N×(Q+1)维阵列流行矩阵，s(k)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彤，解彩莲，任兵，
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