基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法技术

本发明专利技术属于自适应阵列信号处理领域的波束形成技术，提供了基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法，它包括计算空时导向矢量、得到阵列接收信号、通过宽线性降秩波束形成器、得到需要解决的极值问题和求解极值问题共五个步骤。求解极值问题时，提出了两中方法，后者相对于前者而言，其可以解决当期望信号来向发生变化时，前者不能保证在期望信号方向增益不变且性能下降的问题。本发明专利技术将空时域处理、宽线性处理以及降秩处理三者结合，应用于均匀圆阵，实现了全面扫描的同时，使得新方法的收敛速度提高、复杂度降低、输出信干噪比增大且阵列的自由度增大。

Space-time adaptive wide linear reduced rank beamforming method based on circular array

【技术实现步骤摘要】
基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法
本专利技术属于自适应阵列信号处理领域的波束形成技术，具体涉及基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法及其改进方法。
技术介绍
波束形成技术是阵列信号处理最主要的研究内容之一，其中，自适应波束形成技术因其能够随信号环境的改变而自动的调节滤波器权值，使期望信号无失真输出的同时，在干扰方向形成零点，从而提高阵列输出信号的信干噪比(signal-to-interference-plus-noiseratio，SINR)，而得到广泛的应用。近十几年来，自适应波束形成理论得到了飞速的发展，涌现出一大批性能优良的方法。传统的线性约束最小方差(LCMV)方法，需要计算输入信号自相关矩阵的逆，这就导致在样本数据很多时，计算复杂度大大增加。考虑到传统LCMV方法的不足，R.CdeLamare等人在文献《Adaptivereduced-rankLCMVbeamformingalgorithmsbasedonjointiterativeoptimizationoffilters:Designandanalysis》中提出了降秩联合迭代寻优的方法，文献提出了两种获得权值和转换矩阵的联合迭代公式的方法，分别是随机梯度(Stochasticgradient，SG)方法和最小二乘(Recursiveleastsquares,RLS)方法，其中RLS方法的收敛速度优于SG方法，但是其存在数值问题且运算量大于SG方法。上述两种方法都避免了求解协方差矩阵，但是方法的输出SINR有限、且需要的阵元数较多。NuanSongd等在文献《AdaptiveWidelyLinearReduced-RankBeamformingBasedonJointIterativeOptimization》中提出了基于宽线性(widelylinear，WL)的自适应联合迭代寻优方法，新方法有效提高了输出的SINR，但是因为采用了RLS方法，所以新方法在参数选择不当时就会出现数值稳定问题。GuilhermeMartignagoZilli等在文献《LCMV-BasedReduced-RankBeamformingAlgorithmWithEnhancedTrackingCapability》中针对之前方法在期望信号来向发生变化时，JIO-CMV-SG方法性能会发生下降且不能保证期望信号方向增益不变的情况，提出了一种新的方法，新方法可以保证在期望信号来向发生变化时，保证期望信号方向的增益始终保持不变，且方法性能得到改善。上述自适应波束形成方法都是针对均匀线阵的，但在实际应用中，均匀圆阵因其具有良好的全面扫描能力，而应用更为广泛。此外，上述自适应波束形成方法都是针对纯空域的，虽然空时域处理会增加方法的复杂性，但是基于空时域的信号处理可同时结合空域滤波和时域滤波的优点，能很好抑制干扰，提高输出的SINR。宽线性处理可以充分利用接收信号中的有用信息，提高输出的SINR，同时，它的引入使得方法可以对非圆信号进行处理，且可以增加阵列的自由度，但其也会增加方法的复杂度。由于均匀圆阵应用范围更广、空时和宽线性处理具有诸多优越性，所以有必要设计出新的方法，同时采用空时和宽线性处理，以获得它们的优越性来解决上述自适应波束形成方法的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法，应用于卫星导航系统抗干扰，本专利技术中包含两种基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法，JIO-WLCMV-STAPSG方法及Tacking方法，其中，Tacking方法的提出是为了解决当期望信号来向发生变化时，JIO-WLCMV-STAPSG方法不能保证在期望信号方向增益不变且性能下降而提出的改进方法；这两种方法都能够有效抑制场景中的干扰信号，以避免期望信号受到强干扰的影响。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法，包括以下步骤：步骤1.计算空时域导向矢量根据给定的均匀圆阵结构和信号源来向计算所有信号源的空时域导向矢量Ast和期望信号的空时域导向矢量a；步骤2.根据信号源信息得到阵列接收信号：第n次快拍的阵列接收信号x(n)表示为：x(n)＝Ast(n)s(n)+v(n)其中，s(n)表示来自信号源的K维数据矢量；v(n)为加性复高斯白噪声；n＝1,2,...,N、N为快拍数；步骤3.阵列接收信号通过宽线性降秩波束形成器：1)通过双射变换Γ实现对阵列接收信号和期望信号导向矢量的宽线性处理，得到増广阵列接收信号xa(n)和増广期望信号导向矢量aa(n)：2)对増广阵列接收信号xa(n)和増广期望信号导向矢量aa(n)进行降秩处理，得到降秩后的増广阵列接收信号和降秩后的増广期望信号导向矢量其中，T为2ML×D维的转换矩阵，D为降秩处理后的维度；3)将经过宽线性和降秩处理后得到的通过宽线性降秩滤波器，得到阵列输出信号：其中，w是D维的宽线性降秩滤波器的权值；步骤4.设定转换矩阵T和权值w的初始值，并代入转换矩阵和权值迭代公式中进行迭代求解，求解得最佳权值。进一步的，所述步骤4中，转换矩阵迭代公式为：T(n+1)＝T(n)-uty*(n)P(n)xa(n)wH(n)，权值迭代公式为：其中，ut和uw为步长因子；I2ML表示2ML×2ML维的单位矩阵；ID表示D×D维的单位矩阵。进一步的，所述步骤4中，转换矩阵迭代公式为：权值迭代公式为：其中，ut和uw为步长因子；本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供两种基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法；其中，1)宽线性的引入，使得有用信息得到充分利用，且使得方法可以处理非圆信号，如BPSK、QPSK等，同时增加了阵列的自由度；2)采用了联合迭代的方式求解最优权向量，与传统的LCMV方法相比，避免了矩阵求逆，从而降低了方法的复杂度；3)将降秩理论应用到方法当中，解决了因WL的引入而使得计算量增大的问题，有效降低了方法的计算成本；4)针对均匀线阵只能对一维空间进行扫描的不足，此处采用了均匀圆阵，实现了全面扫描；5)对空时域进行联合处理，有效的结合了空域滤波和时域滤波的优点，使得输出的SINR增大；6)提出的Tracking方法可以在期望信号来向发生变化时，保持期望信号的增益不变且解决JIO-WLCMV-STAPSG方法性能下降的问题。附图说明图1为均匀圆阵示意图。图2为宽线性降秩滤波处理框图。图3为本专利技术所提出方法的实现过程示意图。图4本专利技术实施例1中得到的阵元数为5时的SINR变化曲线。图5为本专利技术实施例1中JIO-WLCMV-STAPSG方法的抑制前后功率谱。图6为本专利技术实施例1中JIO-WLCMV-STAPSG方法的波束方向图；其中，(a)是X-Z面的视图，(b)是Y-Z面的视图。图7本专利技术实施例2中得到的阵元数为3时的SINR变化曲线。图8为本专利技术实施例3中JIO-WLCMV-STAPSG方法和Tacking方法的SINR变化曲线。图9为本专利技术实施例3中JIO-WLCMV-STAPSG方法和Tacking方法的增益曲线。具体实施方式下面结合附图和具体的实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供两种基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法，包括以下步骤：步骤1.计算空时域导向矢量根据给定的均匀圆阵结构和信号源来向计算所有信号源的空时域导向矢量Ast和期望信号的空时域导向矢量a；步骤2.根据信号源信息得到阵列接收信号：第n次快拍的阵列接收信号x(n)表示为：x(n)＝Ast(n)s(n)+v(n)其中，s(n)表示来自信号源的K维数据矢量；v(n)为加性复高斯白噪声；n＝1,2,...,N、N为快拍数；步骤3.阵列接收信号通过宽线性降秩波束形成器：1)通过双射变换Γ实现对阵列接收信号和期望信号导向矢量的宽线性处理，得到増广阵列接收信号xa(n)和増广期望信号导向矢量aa(n)：

【技术特征摘要】
1.基于圆阵的空时域自适应宽线性降秩波束形成方法，包括以下步骤：步骤1.计算空时域导向矢量根据给定的均匀圆阵结构和信号源来向计算所有信号源的空时域导向矢量Ast和期望信号的空时域导向矢量a；步骤2.根据信号源信息得到阵列接收信号：第n次快拍的阵列接收信号x(n)表示为：x(n)＝Ast(n)s(n)+v(n)其中，s(n)表示来自信号源的K维数据矢量；v(n)为加性复高斯白噪声；n＝1,2,...,N、N为快拍数；步骤3.阵列接收信号通过宽线性降秩波束形成器：1)通过双射变换Γ实现对阵列接收信号和期望信号导向矢量的宽线性处理，得到増广阵列接收信号xa(n)和増广期望信号导向矢量aa(n)：2)对増广阵列接收信号xa(n)和増广期望信号导向矢量aa(n)进行降秩处理，得到降秩后的増广阵列接收信号和降秩后的増广期望信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：李会勇，方惠，夏威，李菁华，魏圣杰，夏国庆，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51