一种多重稳健自适应波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种多重稳健自适应波束形成方法，该方法对阵列接收数据的协方差矩阵对角线加载，利用对角线加载的Capon空间功率谱，通过一系列过程重建出更精确的噪声协方差矩阵、期望信号的导向矢量和干扰协方差矩阵，进而获得最佳权矢量，对阵列接收数据形成稳健的自适应波束输出，该方法可以获得更为精确的干扰加噪声协方差矩阵以及期望信号的导向矢量，提升了自适应波束器的稳健性。

【技术实现步骤摘要】
一种多重稳健自适应波束形成方法
本专利技术涉及阵列信号处理领域中波束形成研究领域，尤其在各种误差均有可能存在的非理想情况下，通过期望信号导向矢量、干扰加噪声协方差矩阵的精确重构能够提升自适应波束形成的稳健性。
技术介绍
在现有的稳健自适应波束形成方法中，比较具有代表性的方法有：线性约束最小方差方法、对角加载方法、特征子空间方法以及不确定集方法。但是，考虑到参数选择的不确定性以及算法本身固有性质的约束，这些波束形成方法的性能在阵列误差存在的情况下会有较为明显的衰减，并不能取得理想的效果。近年来，研究了基于干扰加噪声协方差矩阵重构的自适应波束形成方法，更具稳健性。该方法主要是利用Capon空间功率谱，将其在非期望信号角度区域内的积分作为干扰加噪声协方差矩阵的估计值，有效地剔除了期望信号成分。但是，该重构方法只是直接利用Capon空间功率谱在非期望信号角度区域内对角度变量进行积分，最终重构的干扰加噪声协方差矩阵不够精确，致使该方法只对波达方向误差具有一定的稳健性，当存在其他类型的导向矢量误差时，算法的性能得不到保证。随后，一种针对任意类型阵列误差的干扰加噪声协方差矩阵重构方法被提出，该方法主要是改变了原始的线性积分区域并将其变换为一个空间圆环形不确定集，但是该方法计算较为复杂，重构过程中存在一定的误差，并不能得到较为精准的干扰加噪声协方差矩阵。鉴于以上分析，有必要研究新的稳健方法以提升波束形成器的稳健性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多重稳健自适应波束形成方法，通过期望信号导向矢量、干扰加噪声协方差矩阵的精确重构，进一步提升波束形成器对任意类型阵列误差的稳健性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供的多重稳健自适应波束形成方法，包括如下步骤：步骤1、对阵列接收数据的协方差矩阵对角线加载，利用对角线加载的Capon波束形成算法完成在全空域的功率谱计算，从功率谱中估计出期望信号的波达方向初值、干扰个数和各干扰波达方向初值，确定只存在噪声功率的角度区域集合；步骤2、在噪声功率的角度区域集合内，基于对角线加载的Capon波束形成算法计算的功率谱，估计出真实的噪声功率，重构出噪声协方差矩阵；步骤3、基于期望信号的波达方向初值生成期望信号的导向矢量并进行修正，精确估计出期望信号的导向矢量；步骤4、基于干扰个数和各干扰波达方向初值生成各干扰的导向矢量并进行修正，重构出干扰协方差矩阵；步骤5、根据重构出的噪声协方差矩阵、干扰协方差矩阵和更精确的期望信号导向矢量，计算最佳权矢量，对接收阵列数据形成稳健的自适应波束。进一步地，上述多重稳健自适应波束形成方法，所述步骤1包括以下步骤：步骤11、对阵列接收数据的协方差矩阵对角线加载得到其中ξI为加载对角矩阵，ξ>0为已知加载因子，I为单位阵；计算并加以存储；按下式计算对角线加载的Capon空间功率谱：其中，为根据阵列结构假设的、对应方向角度为θ的导向矢量、步骤12、根据对角线加载的Capon空间功率谱先估计出期望信号的波达方向初值再估计出干扰个数L和所有干扰的波达方向初值最后确定只存在噪声功率的角度区域集合Θn；所述步骤2包括以下步骤：步骤21、在只包含平稳噪声信号的角度区域集合Θn内，利用对角线加载的Capon空间功率谱，按下式估计平均噪声功率：其中Ave{·}表示取平均操作；为了简化计算，上式能够通过离散求和取平均进行求解，即：其中T是在Θn内的采样点数，根据Capon波束形成器输入输出信噪比关系：SNRout＝M·SNRin可计算出真实的噪声功率：步骤22、根据真实的噪声功率，重构出噪声协方差矩阵：所述步骤3包括以下步骤：步骤31、基于期望信号的波达方向初值生成期望信号的导向矢量a0；步骤32、给定期望信号的导向矢量a0在球面上的微小邻域，包括二维矩形邻域、方形邻域、椭圆形邻域、圆形邻域、十字邻域、一维邻域，并对该邻域离散化R个点，第r个点的导向矢量为为导向矢量在第r个点引入的误差变量；步骤33、对于期望信号导向矢量a0的微小二维邻域的R个离散点，根据其导向矢量按下式计算对角线加载的Capon空间功率谱：修正后的期望信号的导向矢量为：若出现多个最大值，取其矢量平均，仍记为所述步骤4包括以下步骤：步骤41、基于L个干扰的波达方向初值生成L个干扰的导向矢量a1、a2、…、aL；步骤42、给定每一个干扰的导向矢量al在球面上的微小邻域，包括二维矩形邻域、方形邻域、椭圆形邻域、圆形邻域、十字邻域、一维邻域，并对该邻域离散化R个点，第r个点的导向矢量为为导向矢量在第r个点引入的误差变量；步骤43、每一个干扰的导向矢量al的微小二维邻域的R个离散点，根据其导向矢量按下式计算对角线加载的Capon空间功率谱：修正后的干扰的导向矢量为：若出现多个最大值，取其矢量平均，仍记为步骤44、重构的干扰协方差矩阵为：所述步骤5包括以下步骤：步骤51、重构出干扰加噪声协方差矩阵：步骤52、计算出最佳权矢量：步骤53、将最佳权矢量w对阵列接收数据x(k)加权，获得波束形成器的输出信号y(k)＝wHx(k)，实现稳健的自适应波束形成。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，对阵列接收数据的协方差矩阵对角线加载，利用对角线加载的Capon空间功率谱，通过一系列过程重建出更精确的噪声协方差矩阵、期望信号的导向矢量和干扰协方差矩阵，进而获得最佳权矢量，对阵列接收数据形成稳健的自适应波束输出，提升了自适应波束形成算法在各种阵列误差条件下的稳健性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。图1为本专利技术实施例提供的一种通过干扰加噪声协方差矩阵精确重构的波束形成算法流程图；图2为本专利技术实施例提供的阵列信号接收模型的示意图。具体实施方式下面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、完整的描述，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。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。本专利技术实施例提供一种通过对噪声协方差矩阵、期望信号的导向矢量、干扰协方差矩阵精确重构的方法，获得更准确的最佳权矢量，尽可能地提升自适应波束形成方法在各种阵列误差条件下的稳健性。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：步骤1、对阵列接收数据的协方差矩阵对角线加载，利用对角线加载的Capon波束形成算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多重稳健自适应波束形成方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1、对阵列接收数据的协方差矩阵对角线加载，利用对角线加载的Capon波束形成算法完成在全空域的功率谱计算，从功率谱中估计出期望信号的波达方向初值、干扰个数和各干扰波达方向初值，确定只存在噪声功率的角度区域集合；/n步骤2、在噪声功率的角度区域集合内，基于对角线加载的Capon波束形成算法计算的功率谱，估计出真实的噪声功率，重构出噪声协方差矩阵；/n步骤3、基于期望信号的波达方向初值生成期望信号的导向矢量并进行修正，精确估计出期望信号的导向矢量；/n步骤4、基于干扰个数和各干扰波达方向初值生成各干扰的导向矢量并进行修正，重构出干扰协方差矩阵；/n步骤5、根据重构出的噪声协方差矩阵、干扰协方差矩阵和更精确的期望信号导向矢量，计算最佳权矢量，对阵列接收数据形成稳健的自适应波束输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种多重稳健自适应波束形成方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、对阵列接收数据的协方差矩阵对角线加载，利用对角线加载的Capon波束形成算法完成在全空域的功率谱计算，从功率谱中估计出期望信号的波达方向初值、干扰个数和各干扰波达方向初值，确定只存在噪声功率的角度区域集合；
步骤2、在噪声功率的角度区域集合内，基于对角线加载的Capon波束形成算法计算的功率谱，估计出真实的噪声功率，重构出噪声协方差矩阵；
步骤3、基于期望信号的波达方向初值生成期望信号的导向矢量并进行修正，精确估计出期望信号的导向矢量；
步骤4、基于干扰个数和各干扰波达方向初值生成各干扰的导向矢量并进行修正，重构出干扰协方差矩阵；
步骤5、根据重构出的噪声协方差矩阵、干扰协方差矩阵和更精确的期望信号导向矢量，计算最佳权矢量，对阵列接收数据形成稳健的自适应波束输出。


2.根据权利要求1所述的多重稳健自适应波束形成方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：
步骤11、对阵列接收数据的协方差矩阵对角线加载得到其中ξI为加载对角矩阵，ξ>0为已知加载因子，I为单位阵；计算并加以存储；按下式计算对角线加载的Capon空间功率谱：



其中，为根据阵列结构假设的、对应方向角度为θ的导向矢量、
步骤12、根据对角线加载的Capon空间功率谱先估计出期望信号的波达方向初值再估计出干扰个数L和所有干扰的波达方向初值最后确定只存在噪声功率的角度区域集合Θn。


3.根据权利要求2所述的多重稳健自适应波束形成方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：
步骤21、在只包含平稳噪声信号的角度区域集合Θn内，利用对角线加载的Capon空间功率谱，按下式估计平均噪声功率：



其中Ave{·}表示取平均操作；
为了简化计算，上式能够通过离散求和取平均进行求解，即：



其中T是在Θn内的采样点数，根据Capon波束形成器输入输出信噪比关系：
SNRout＝M·SNRin
可计算出真实...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶中付，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34