一种稳健自适应波束形成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种稳健自适应波束形成方法及装置，属于阵列信号波束形成领域，在计算权矢量的过程中，当期望信号的信噪比很高时，导向矢量或者协方差矩阵误差会导致波束形成器将期望信号当作干扰进行抑制，从而降低波束形成器的性能。本发明专利技术首先估计期望信号的波达方向(direction of arrival，DOA)；然后利用期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵；接下来通过转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，可消除期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；最后利用干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，本发明专利技术预先去除了采样信号中的期望信号分量，避免了期望信号自消除现象的发生，提升了波束形成器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种稳健自适应波束形成方法及装置
本专利技术属于阵列信号波束形成领域，更具体地，涉及一种适用于均匀直线阵列(uniformlineararray，ULA)的期望信号预消除稳健自适应波束形成方法及装置。
技术介绍
自适应波束形成器需要导向矢量以及协方差矩阵来计算权矢量。当采样数据包含期望的信号分量时，如果期望信号的信噪比(signal-to-noiseratio，SNR)很高，极小的导向矢量误差或协方差矩阵误差都将导致波束形成器将期望信号抑制为干扰，从而导致波束形成器的性能急剧下降。目前已经提出了几类稳健自适应波束形成器处理这个问题，其中包括干扰加噪声协方差矩阵(interference-plus-noisecovariancematrix，INCM)重建技术，这也是目前的研究热点之一。基于INCM重建技术是通过消除采样协方差矩阵的期望信号来估计干扰加噪声协方差矩阵，或使用Capon空间频谱在干扰所在角度区域求和，或估计所有干扰的导向矢量和功率以及噪声功率。基于INCM重建的技术非常具有吸引力，它们可以在很大范围的SNR内实现近乎最佳的性能。然而，缺点之一是它相比传统的波束形成器的计算时间复杂性比较高。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种新的低计算复杂性关于去除阵列信号的期望信号分量的方法，它可以解决：当采样数据包含期望信号分量时，一旦出现极小的导向矢量误差和协方差矩阵误差时都会导致波束形成器错误地将期望信号分量抑制成干扰使得波束形成器性能大幅下降，而本专利技术能预先消除采样数据的期望信号分量，从而消除其影响避免出现波束形成器性能下降。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种稳健自适应波束形成方法，包括：使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向DOA；利用所述期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵；通过所述转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，以消除所述期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；利用所述干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，进而由所述权矢量得到输出信号。优选地，所述方法还包括：均匀线性阵列中各阵元的期望信号、干扰信号及噪声相互独立。优选地，所述转换矩阵为(M-1)×M维矩阵，且所述转换矩阵为：其中，M表示均匀线性阵列中的阵元总数，λ表示接收信号波长，d表示阵元间距，θ0表示期望信号波达方向。优选地，由确定所述干扰加噪声协方差矩阵，其中，P表示所述转换矩阵，表示所述采样协方差矩阵，K表示采样总数，x(k)表示所述均匀线性阵列的接收信号。优选地，由确定所述波束形成器的权矢量，其中，即a0的前M-1行，a0表示期望信号的导向矢量，其中表示不影响波束形成器性能的常数，表示干扰加噪声协方差矩阵。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种稳健自适应波束形成装置，包括：阵列信号扩展模块，用于使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向；干扰加噪声协方差矩阵重构模块，用于利用所述期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵，并通过所述转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，以消除所述期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；权矢量输出模块，用于利用所述干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，进而由所述权矢量得到输出信号。优选地，均匀线性阵列中各阵元的期望信号、干扰信号及噪声相互独立。优选地，所述转换矩阵为(M-1)×M维矩阵，且所述转换矩阵为：其中，M表示均匀线性阵列中的阵元总数，λ表示接收信号波长，d表示阵元间距，θ0表示期望信号波达方向。优选地，由确定所述干扰加噪声协方差矩阵，其中，P表示所述转换矩阵，表示所述采样协方差矩阵，K表示采样总数，x(k)表示所述均匀线性阵列的接收信号。优选地，由确定所述波束形成器的权矢量，其中，即a0的前M-1行，a0表示期望信号的导向矢量，其中表示不影响波束形成器性能的常数，表示干扰加噪声协方差矩阵。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：通过本专利技术可以解决：当采样数据包含期望信号分量时，一旦出现极小的导向矢量误差和协方差矩阵误差时都会导致波束形成器错误地将期望信号分量抑制成干扰使得波束形成器性能大幅下降，而本专利技术能预先消除采样数据的期望信号分量，从而消除其影响避免出现波束形成器性能下降。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种由两个协方差矩阵计算出的Capon空间谱；图2是本专利技术实施例提供的一种几个波束形成器的输出SINR和输入SNR结果；图3是本专利技术实施例提供的一种方法流程示意图；图4是本专利技术实施例提供的一种适用于均匀直线阵列的期望信号预消除稳健自适应波束形成装置结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术通过预先去除采样信号中的期望信号分量，避免了期望信号自消除现象的发生，提升了波束形成器的性能。假设各阵元的期望信号、干扰信号、噪声相互独立，均匀线性阵列阵元总数为M，阵元间距为d，信号波长为λ，θ表示入射到均匀线性阵列上信号的波达方向。一个期望信号和L个干扰信号从不同的方向射向ULA。设第i个信号的入射角度分别为θi。接收信号用矩阵表示为：其中，K代表采样总数，a0是期望信号的导向矢量，ai是第i个干扰信号的导向矢量；n(t)表示白噪声分量，s0(k)a0和n(k)分别表示期望信号分量和干扰信号分量、噪声部分，x(k)、a和n(k)都是M×1维复数向量。如图3所示是本专利技术实施例提供的一种方法流程示意图，包括以下步骤：S1：使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向(directionofarrival，DOA)；θ方向的导向矢量可表示为：K个数据的采样协方差矩阵可表示为：对进行特征值分解：其中，US是由较大特征值对应的特征矢量组成的信号子空间；UN是由较小特征值对应的特征矢量组成的噪声子空间。最后，MUSIC(MultipleSignalClassification)空间谱可表示为：其中空间谱的峰值对应于不同信号的DOA。S2：利用期望信号的DOA和阵列流型构造一个转换矩阵P；阵元m在km时刻的接收信号表示为：由(1)得出阵列接收信号向量为:定义(M-1)×M维转换矩阵：其中θ0表示期望信号波达方向。S3：通过转换矩阵P与采样协方差矩阵相乘，可消除期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵执行阵列信号x(k)的转换：其中，即ai的前M-1行且其中，预消除期望信号分量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稳健自适应波束形成方法，其特征在于，包括：/n使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向DOA；/n利用所述期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵；/n通过所述转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，以消除所述期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；/n利用所述干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，进而由所述权矢量得到输出信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种稳健自适应波束形成方法，其特征在于，包括：
使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向DOA；
利用所述期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵；
通过所述转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，以消除所述期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；
利用所述干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，进而由所述权矢量得到输出信号。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
均匀线性阵列中各阵元的期望信号、干扰信号及噪声相互独立。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述转换矩阵为(M-1)×M维矩阵，且所述转换矩阵为：其中，M表示均匀线性阵列中的阵元总数，λ表示接收信号波长，d表示阵元间距，θ0表示期望信号的波达方向。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由确定所述干扰加噪声协方差矩阵，其中，P表示所述转换矩阵，表示所述采样协方差矩阵，K表示采样总数，x(k)表示所述均匀线性阵列的接收信号。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由确定所述波束形成器的权矢量，其中，即a0的前M-1行，a0表示期望信号的导向矢量，其中，表示不影响波束形成器性能的常数，表示干扰加噪声协方差矩阵。


6.一种稳健...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎杨，桂子杭，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42