基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法，通过重构干扰加噪声协方差矩阵和凸优化估计期望信号导向矢量，得到稳健的自适应波束形成权矢量，从而获得最优的波束形成器的输出量，本发明专利技术提供的基于干扰加噪声协方差重构的阵列天线波束形成方法的综合稳健性更优，特别是针对DOA估计误差和不同输入干信比INR情况下，算法对干扰的抑制能力更好，输出信干噪比更高，计算速度更快。

Beamforming method based on spatial spectrum reconstruction and direct estimation of steering vector

【技术实现步骤摘要】
基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法
本专利技术涉及阵列天线波束形成方法，具体涉及一种基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法。
技术介绍
波束形成技术是阵列信号处理的一个重要研究方向，通过对阵列天线输出的信号进行相应处理，会形成相应的不同方向的波束，利用波束形成可以提取期望信号，抑制噪声和干扰信号，从而提高阵列输出信号的信噪比，波束形成性能的好坏决定着阵列信号处理系统性能的优劣。现有技术在形成阵列天线波束时，利用干扰加噪声协方差矩阵和期望信号导向矢量真实值获得，现有技术在计算干扰加噪声协方差矩阵时，利用的重构方法计算量大且由于受到了干扰来向区域干扰信号的干扰使得重构精度低；现有技术在获得导向矢量时通常采用间接估计误差获得，该种方法获得的导向矢量精度较低，并且现有的天线波束形成的方法对不同干噪比下的干扰抑制能力差，稳健性不好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法，用以解决现有技术中的波束形成方法存在精度较低的问题。为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：一种基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法，对阵列天线输出的信号序列x采用式III进行处理，获得输出波束y：其中，为重构的干扰加噪声协方差矩阵，为导向矢量估计值；所述的重构的干扰加噪声协方差矩阵采用式IV获得：其中，为重构的干扰信号协方差估计矩阵，ψ为阈值系数，ψ＝3～5；为噪声能量估计值，IN是N×N的单位矩阵，N为所述阵列天线的单元个数，N为大于1的整数。进一步地，所述的重构的干扰信号协方差矩阵为：其中，a(θ)是当角度为θ时的导向矢量，是采样数据协方差矩阵，表示空间谱强度大于空间谱强度阈值p0时对应的导向矢量的角度范围，进一步地，所述的导向矢量估计值通过利用凸优化求解工具求解式VII获得：其中，a0为导向矢量真实值,||·||∞表示最大值范数，ε表示导向矢量误差的最大值范数，ε＝0.1～0.3，是采样数据协方差矩阵。进一步地，所述的噪声能量估计值通过对采样数据协方差矩阵进行特征分解后选取最小的特征值获得。本专利技术与现有技术相比具有以下技术效果：1、本专利技术提供基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法采用了基于空间谱的重构方法，对干扰来向区域进行干扰信号协方差矩阵重构，提高了重构精度，加快了波束形成的效率，而且对干扰信号的抑制能力更加稳健；2、本专利技术提供基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法运用凸优化工具直接对信号导向矢量进行最优化估计，减小了处理步骤，提高了重构精度，加快了波束形成的效率；3、本专利技术提供的基于干扰加噪声协方差重构的阵列天线波束形成方法的综合稳健性更优，特别是针对DOA估计误差和不同输入干信比INR情况下，对干扰的抑制能力更好，输出信干噪比更高，计算速度更快。附图说明图1为本专利技术的一个实施例中提供的Canpon空间谱图；图2为本专利技术的一个实施例中提供的在阵元位置存在误差条件下，多种方法输出信干噪比SINR与输入信噪比SNR变化关系对比图；图3为本专利技术的一个实施例中提供的初始测定方向存在误差条件下，多种方法输出信干噪比SINR与输入信噪比SNR变化关系对比图；图4为本专利技术的一个实施例中提供的初始测定方向存在误差条件下，多种方法输出信干噪比SINR与输入干噪比INR变化关系对比图；图5为本专利技术的一个实施例中提供的非相干局部散射条件下，多种方法输出信干噪比SINR与输入信噪比SNR变化关系对比图。具体实施方式首先对本专利技术中出现的技术术语进行解释，以帮助更好的理解本申请的
技术实现思路
：波束：由卫星天线发射出来的电磁波在地球表面上形成的形状。权矢量：在分组通信网络中，发送或接收数据分组时，定向天线必须获得与目标节点对应的权矢量以进行波束形成。导向矢量：阵列天线的所有阵元对具有单位能量窄带信源的响应组成的行向量，由于阵列响应在不同角度上是不同的，导向矢量在不同信源的方向角度下的值是不同的。现有技术在形成阵列天线的波束时，形成的波束序列为：y＝wHx式I式中，w为波束形成的权矢量，(·)T和(·)H分别表示转置和共轭转置。其中，最佳权矢量可表示为：基于以上分析，最佳权矢量的获得依赖于两个重要参数，即干扰加噪声协方差矩阵Rint+n和期望信号导向矢量真实值a0。在本专利技术中，通过获得最接近干扰加噪声协方差矩阵Rint+n的重构的干扰加噪声协方差矩阵以及最接近期望信号导向矢量真实值a0的导向矢量估计值获得最优的输出波束y。基于以上分析，在本实施例中公开了一种基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法。对阵列天线输出的信号序列x采用式III进行处理，获得输出波束y：其中，为重构的干扰加噪声协方差矩阵，为导向矢量估计值；所述的干扰加噪声协方差矩阵Rint+n采用式IV获得：其中，为重构的干扰信号协方差矩阵，ψ为阈值系数，ψ＝3～5；为噪声能量估计值，IN是N×N的单位矩阵，N为所述阵列天线的单元个数，N为大于1的整数。在本实施例中，为了高效地重构干扰加噪声协方差矩阵，通常条件下，可合理地假定干扰信号是有限的，采取在可能的干扰来向区域，对空间谱分布进行能量累积重构。首先，需要已知干扰信号空间能量谱分布信息，相应地采用Capon空间谱估计器，即：式中，a(θ)是当角度为θ时的导向矢量，是采样数据协方差矩阵。通常条件下，干扰信号数量M-1是有限的，因此，在重构干扰加噪声协方差矩阵过程中，可根据信号的空间谱能量分布情况进行重构，从而减少重构过程的计算复杂度，重构干扰信号协方差矩阵其中积分区间的选择是本专利技术创新的重点，即通过空间谱的强度来确定积分区域，不仅减少了积分次数，提高了积分精度，而且对干扰的抑制效果更好，因此重构的干扰信号协方差矩阵为：其中，a(θ)是当角度为θ时的导向矢量，是采样数据协方差矩阵，表示空间谱强度大于空间谱强度阈值p0时对应的导向矢量的角度范围，在本实施例中，代表在干扰来向角度区域内空间谱强度P(θ)大于p0的角度区域，该角度区域的获取需要两个步骤：一是根据期望信号来向区域Θs，求取其补区间二是根据Capon空间谱分布，截取P(θ)≥p0的角度区域。另外，关于空间谱强度阈值p0可由噪声能量估计值确定，且必须满足ψ＝3～5。p0的取值越小，计算量越大，重构精度越高，对弱干扰信号的抑制能力越强；p0的取值越大，计算量越小，重构精度越低，对弱干扰信号的抑制能力越弱。在本实施例中，代表噪声能量的估计值，在实际处理过程中，作为一种优选的实施方式，噪声能量估计值通过对采样数据协方差矩阵进行特征分解后选取最小的特征值获得。现有技术中也有导向矢量的获取方法,都是通过估计导向矢量与理想条件下的误差来实现的，例如目前现有技术主要是通过估计最优的期望信号导向矢量与理想的导向矢量a0之间的偏差间接实现的，或者直接使用理想的导向矢量a0代替。在本实施例中直接估计期望信号的导向矢量，可选地，导向矢量估计值通过利用凸优化求解工具求解式VII获得：其中，a0为导向矢量真实值,||·||∞表示最大值范数，ε表示导向矢量误差的最大值范数，ε＝0.1～0.3。在本实施例中，由于阵元位置误差、DOA估计误差和局部散射引起的信号空间失配等因素，期望信号真实的导向矢量是难以准确获取的。因此，拟采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法，对阵列天线输出的信号序列x采用式III进行处理，获得输出波束y：

【技术特征摘要】
1.一种基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法，对阵列天线输出的信号序列x采用式III进行处理，获得输出波束y：其中，为重构的干扰加噪声协方差矩阵，为导向矢量估计值；其特征在于，所述的重构的干扰加噪声协方差矩阵采用式IV获得：其中，为重构的干扰信号协方差估计矩阵，ψ为阈值系数，ψ＝3～5；为噪声能量估计值，IN是N×N的单位矩阵，N为所述阵列天线的单元个数，N为大于1的整数。2.如权利要求1所述的基于空间谱重构和导向矢量直接估计的波束形成方法，其特征在于，所述的重构的干扰信号协方差矩阵为：其中，a(θ)是当角度为θ时的导...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨剑，卢建，杨波，沈瑞冰，侯博，李传祥，卢瑞涛，赵曦晶，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61